Qemu虚拟Arm开发板

实验说明

实验主机系统为debian9。ubuntu系统安装方法相似。可以通过qemu启动bootloader，再由bootloader启动内核，也可以直接由qemu启动内核。

安装qemu虚拟机

1	apt install qemu

交叉编译器安装

1	apt install gcc-arm-linux-gnueabi

安装u-boot-tools

该工具主要为了给内核编译以及文件系统制作提供mkimage程序

1	apt-get install u-boot-tools

uboot编译（可选）

1.获取uboot源码，本实验以u-boot-2016.09.tar.bz2为例

1	wget ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2016.09.tar.bz2

2.根据qemu支持的机器配置uboot

获取qemu支持的机器列表：qemu-system-arm -machine help

root@debian:~/work/arm/env# qemu-system-arm -machine help
Supported machines are:
akita                Sharp SL-C1000 (Akita) PDA (PXA270)
ast2500-evb          Aspeed AST2500 EVB (ARM1176)
borzoi               Sharp SL-C3100 (Borzoi) PDA (PXA270)
canon-a1100          Canon PowerShot A1100 IS
cheetah              Palm Tungsten|E aka. Cheetah PDA (OMAP310)
collie               Sharp SL-5500 (Collie) PDA (SA-1110)
connex               Gumstix Connex (PXA255)
cubieboard           cubietech cubieboard
highbank             Calxeda Highbank (ECX-1000)
imx25-pdk            ARM i.MX25 PDK board (ARM926)
integratorcp         ARM Integrator/CP (ARM926EJ-S)
kzm                  ARM KZM Emulation Baseboard (ARM1136)
lm3s6965evb          Stellaris LM3S6965EVB
lm3s811evb           Stellaris LM3S811EVB
mainstone            Mainstone II (PXA27x)
midway               Calxeda Midway (ECX-2000)
musicpal             Marvell 88w8618 / MusicPal (ARM926EJ-S)
n800                 Nokia N800 tablet aka. RX-34 (OMAP2420)
n810                 Nokia N810 tablet aka. RX-44 (OMAP2420)
netduino2            Netduino 2 Machine
none                 empty machine
nuri                 Samsung NURI board (Exynos4210)
palmetto-bmc         OpenPOWER Palmetto BMC (ARM926EJ-S)
raspi2               Raspberry Pi 2
realview-eb          ARM RealView Emulation Baseboard (ARM926EJ-S)
realview-eb-mpcore   ARM RealView Emulation Baseboard (ARM11MPCore)
realview-pb-a8       ARM RealView Platform Baseboard for Cortex-A8
realview-pbx-a9      ARM RealView Platform Baseboard Explore for Cortex-A9
sabrelite            Freescale i.MX6 Quad SABRE Lite Board (Cortex A9)
smdkc210             Samsung SMDKC210 board (Exynos4210)
spitz                Sharp SL-C3000 (Spitz) PDA (PXA270)
sx1                  Siemens SX1 (OMAP310) V2
sx1-v1               Siemens SX1 (OMAP310) V1
terrier              Sharp SL-C3200 (Terrier) PDA (PXA270)
tosa                 Sharp SL-6000 (Tosa) PDA (PXA255)
verdex               Gumstix Verdex (PXA270)
versatileab          ARM Versatile/AB (ARM926EJ-S)
versatilepb          ARM Versatile/PB (ARM926EJ-S)
vexpress-a15         ARM Versatile Express for Cortex-A15
vexpress-a9          ARM Versatile Express for Cortex-A9
virt-2.6             QEMU 2.6 ARM Virtual Machine
virt-2.7             QEMU 2.7 ARM Virtual Machine
virt                 QEMU 2.8 ARM Virtual Machine (alias of virt-2.8)
virt-2.8             QEMU 2.8 ARM Virtual Machine
xilinx-zynq-a9       Xilinx Zynq Platform Baseboard for Cortex-A9
z2                   Zipit Z2 (PXA27x)

这里使用arm官方出的开发板vexpress-a9，如下配置uboot

1	make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_ca9x4_defconfig

3.编译uboot

1	make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

编译后得到的目标程序为u-boot

linux内核编译

1.获取内核，这里以linux-5.3.4.tar.xz为例

1	wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.3.4.tar.xz

2.配置平台和交叉编译器

为了方便修改和编译，直接修改Makefile以配置平台和编译工具链。

1 2	ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

3.配置board

根据编译uboot阶段选用的开发板，配置内核，这里是vexpress_defconfig

1	make vexpress_defconfig

4.编译内核

在这里指定了内核的加载地址为0X60003000，在uboot引导内核的时候也需要设置该地址。

1	make LOADADDR=0X60003000 uImage -j2

内核目标文件为arch/arm/boot/uImage

5.编译设备树

1	make vexpress-v2p-ca9.dtb

设备树目标文件为arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb

文件系统制作(busybox)

1.下载最新busybox

1	wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2

2.配置busybox交叉编译工具前缀：make menuconfig

1	Setting->cross compile prefix 配置为arm-linux-gnueabi-

3.编译和安装：make && make install

安装完成后在其顶层目录生成_install目录。将其拷贝为rootfs目录。

1	cp _install ../rootfs

4.在rootfs中创建其它需要的目录

1	mkdir mkdir mnt tmp var sys proc etc lib dev sbin root home

5.在dev目录下创建console和null文件

1 2	mknod -m 666 dev/console c 5 1 mknod -m 666 dev/null c 1 3

6.添加配置文件以及修改配置文件

将busybox的examples/bootfloppy/etc中的所有文件拷贝到rootfs/etc中。

1	cp busybox-1.31.1/examples/bootfloppy/etc/* rootfs/etc -arf

修改rootfs/etc/fstab内容为：

1
2
3

proc          /proc           proc       defaults              0  0
tmpfs         /tmp            tmpfs      defaults              0  0
sysfs         /sys            sysfs      defaults              0  0

修改rootfs/etc/profile内容为：

PS1='[\u@\h \W]\# '
HOSTNAME=`/bin/hostname`
export USER LOGNAME PS1
PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH
export PATH LD_LIBRARY_PATH

修改rootfs/etc/inittab内容为：

::sysinit:/etc/init.d/rcS
#::respawn:-/bin/sh  ###不需要登陆
::respawn:-/bin/login   ###需要登陆
#console::askfirst:-/bin/sh
#tty2::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/bin/umount -a -r

修改rootfs/etc/init.d/rcS内容为：

/bin/mount -n -t ramfs ramfs /var
                   
/bin/mkdir -p /var/tmp
/bin/mkdir -p /var/modules
/bin/mkdir -p /var/run
/bin/mkdir -p /var/log
/bin/mount -a
/bin/hostname -F /etc/hostname

/bin/mount -t devtmpfs none /dev
/bin/mkdir -p /dev/pts
/bin/mkdir -p /dev/shm
#/bin/mknod /dev/pts/0 c 136 0
/bin/mount -n -t devpts none  /dev/pts -o mode=0622    
#echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
#/sbin/mdev -s         

/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1 netmask 255.0.0.0
/sbin/ifconfig eth0 up

创建rootfs/etc/hostname文件

1 2	touch rootfs/etc/hostname echo busybox > rootfs/etc/hostname

创建rootfs/passwd文件

touch rootfs/etc/passwd
echo root::0:0:root:/root:/bin/ash > rootfs/etc/passwd
echo bin:*:1:1:bin:/bin: >> rootfs/etc/passwd
echo daemon:*:2:2:daemon:/sbin: >> rootfs/etc/passwd
echo nobody:*:1:99:99:Nobody:/: >> rootfs/etc/passwd

7.将所使用的编译器自带的动态库拷贝到rootfs/lib目录中。

1	cp /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib/ -arf

如果在busybox配置中选择了Settings->build Options ->Build busybox as a static binary，那么此处不需要拷贝动态库文件，但是要添加自己的程序到新做的文件系统中，则需要静态编译或者同事添加动态库。

文件系统目标目录文件为rootfs

制作ramdisk文件系统镜像（可选）

系统可以从内存中加载，也可以从其它介质中加载，如emmc，nandflash等，如果不需要从内存加载系统，则不需要制作ramdisk系统镜像。

1.安装genext2fs

1	apt install genext2fs

2.将rootfs制作成ext2镜像格式

1	genext2fs -b 32768 -d rootfs ramdisk

镜像大小为32768kb，即32M，生成的镜像名为ramdisk

3.压缩ramdisk镜像为ramdisk.gz

1	gzip -v9 -f ramdisk

4.制作uboot格式的ramdisk镜像

1	mkimage -n 'uboot ext2 ramdisk rootfs' -A arm -O linux -T ramdisk -C gzip -d ramdisk.gz ramdisk.img

最终生成ramdisk.img

5.内核配置支持

要支持ramdisk系统，linux内核需要以下配置项的支持

General setup->Initial RAM filesystem and RAM disk(initramfs/initrd) support
Device Drivers->Block device->RAM block device support以及Default RAM disk size kbytes的值修改为di2步中ramdisk的大小，即32768
File systems->Second extended fs support

系统加载和启动

系统的存储介质可以是emmc，nandflash，sd卡，网络等。

通过SD卡启动ramdisk系统（可选）

1.制作一个虚拟SD卡，大小为512M，文件系统格式为ext2

1 2	dd if=/dev/zero of=virtsd.ext2 bs=1M count=512 mkfs.ext2 virtsd.ext2

制作好的目标sd卡是virtsd.ext2

2.将目标程序拷贝到sd卡

将内核，设备树以及ramdisk文件系统拷贝到sd卡中

mount -t ext2 virtsd.ext2 /mnt -o loop
cp linux-5.3.4/arch/arm/boot/uImage /mnt
cp linux-5.3.4/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb /mnt
cp ramdisk.img /mnt
sync
umount /mnt

3.通过qume虚拟机启动uboot

启动qemu虚拟机，设定机器为vexpress-a9 加载程序为u-boot sd卡为virtsd.ext2 内存为256M，不需要图形界面

1	qemu-system-arm -M vexpress-a9 -kernel u-boot -sd virtsd.ext2 -nographic -m 256M

待uboot启动进入倒计时的时候按任意键进入uboot操作界面，然后设置uboot启动参数

4.启动内核

在uboot操作界面中设置启动参数设置如下：

暂时不需要设置

将内核，设备树以及ramdisk文件系统从sd卡读到内存中：

1	ext2load mmc 0 60003000 uImage;ext2load mmc 0 61000000 vexpress-v2p-ca9.dtb;ext2load mmc 0 62000000 ramdisk.img

启动系统

1	bootm 60003000 62000000 61000000

如果一切正常的话，就会成功进入到busybox系统。

直接从SD卡启动系统内核（可选）

1.制作一个虚拟SD卡，大小为512M，文件系统格式为ext2

1 2	dd if=/dev/zero of=virtsd.ext2 bs=1M count=512 mkfs.ext2 virtsd.ext2

制作好的目标sd卡是virtsd.ext2

2.将整个文件系统目录拷贝到sd卡中

mount -t ext2 virtsd.ext2 /mnt -o loop
cp rootfs/* /mnt -arf
sync
umount /mnt

3.通过qemu虚拟机启动内核，设定机器为vexpress-a9 加载程序为内核zImage， sd卡为virtsd.ext2 内存为256M，不需要图形界面，设定根文件系统存储设备为/dev/mmcblk0

1	qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel zImage -dtb vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd virtsd.ext2

退出qemu虚拟机

1.直接退出：先按ctrl+a，然后松开，按x键退出虚拟机

2.系统正常关机：在虚拟机shell中执行poweroff命令即可

网络配置

qemu有多种网络模式，在这里以TUN/TAP设备虚拟网卡设置为例说明其配置过程。

先决条件

基于TUN/TAP设备的配置需要宿主机插入tun模块的支持，如果没有该模块的支持则不能顺利实施网桥模式的设置，此外，为了配置虚拟机访问外网，还需要内核开启iptables的支持，并且需要用户空间iptables管理工具。

可以通过下面的命令查看是否加载了tun模块，如果没有加载，可以先网络搜索加载方法先将其加载：

1	lsmod \| grep tun

如果加载了tun模块，该命令将得到类似下面的输出：

1	tun 28672 2

同时，需要确定tun模块的设备文件是否已经创建，其路径是/dev/net/tun。

1 2	ls /dev/net/ tun

如果没有该设备文件，可以通过下面的命令创建该设备文件：

1 2	mkdir /dev/net mknod /dev/net/tun c 10 200

配置网络

宿主机虚拟网卡配置

在主机中创建/etc/qemu-ifup文件，该文件用来在qemu虚拟机启动的时候创建一个虚拟网卡，文件内容如下：

1 2	#！/bin/bash ifconfig $1 172.0.0.1

然后启动虚拟机，并传入网络参数-net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0，结合直接从SD卡启动系统内核小节的启动参数，加入网络参数后的完整的启动命令如下：

1	qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel zImage -dtb vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd virtsd.ext2 -net nic,vlan=0 -net tap,vlan=0

启动虚拟机后同时在宿主机上创建了tap0虚拟网卡，其ip地址为172.0.0.1。

虚拟机网络配置

在虚拟机中配置eth0网卡和宿主机虚拟网卡tap0在同一网段：

1	ifconfig eth0 172.0.0.2 netmask 255.255.0.0

此时，虚拟机即可和宿主机上的tap0网卡互通，可以通过ping命令测试。

配置虚拟机的默认网关地址为宿主机tap0的地址：

1	route add default gw 172.0.0.1

此时，可以通过虚拟机访问到宿主机eth0的网段了。可以通过ping命令测试。

虚拟机外网访问配置

首先通过下面的命令在宿主机上开启路由转发功能：

1	echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

然后添加nat转换规则：

1	iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -s 172.0.0.0/24 -j MASQUERADE

此时即可通过虚拟机访问互联网，可以通过ping一些公网的ip地址进行测试。