【嵌入式课程实验报告】QEMU模拟Cortex-A9运行U-boot和Linux

最新推荐文章于 2024-12-24 10:32:06 发布

小呀小二笙

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分类专栏：【嵌入式课程学习】

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本文详细介绍了一种在PC机上使用QEMU模拟器和VMware虚拟机搭建嵌入式Linux开发环境的方法，包括安装配置、编译U-boot、Linux内核及Busybox，以及在QEMU上运行Linux系统和应用程序的全过程。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1. 实验目的

熟练使用Linux操作系统；
认识一种新的内核模拟器QEMU；
掌握嵌入式Linux系统的开发流程；

2. 实验要求

在PC机上安装VMware虚拟机，并在VMware中安装Linux操作系统（Ubuntu 12.04）；
在Ubuntu中安装QEMU；
编译U-boot，并在QEMU上运行；
编译Linux内核，并使用Busybox制作根文件系统；
在QEMU上运行Linux操作系统；
在该Linux系统上运行应用程序。

3. 实验原理

VMware Workstation虚拟机是可以在Windows/Linux系统上运行的应用程序，它可以模拟基于x86的标准PC环境。这个环境和真实的计算机一样，都有芯片组、CPU、内存、显卡、声卡、网卡、软驱、硬盘、光驱、串口、并口、USB控制器、SCSI控制器等设备。与“多启动”系统相比，VMWare采用了完全不同的概念，多启动系统在一个时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要重新启动机器。而VMWare虚拟机软件是一个“虚拟PC”软件，它可以使你在一台机器上同时运行多个Windows、DOS、LINUX系统，并且在系统切换时不需要重启计算机。
在使用上，这台虚拟机和真正的物理主机几乎没有区别，都需要分区、格式化、安装操作系统、安装应用程序和软件，总之，一切操作都跟一台真正的计算机一样。
QEMU模拟器：QEMU 是一个面向完整PC系统的开源仿真器。除了可以仿真处理器之外，QEMU 还可以仿真所有必要的子系统，如连网硬件和视频硬件。它还允许实现高级概念上的仿真（如对称多处理系统（多达 255个CPU））和对其他处理器架构（如 ARM 和 PowerPC）的仿真。QEMU有两种运行模式：

User mode模拟模式，亦称作使用者模式。QEMU能启动那些为不同中央处理器编译的Linux程序。
System mode模拟模式，亦称作系统模式。QEMU能模拟整个电脑系统，包括中央处理器及其他周边设备。它使得对跨平台编写的程序进行测试及调试变得容易。其亦能用来在一部主机上虚拟多部不同的系统。

嵌入式Linux系统的结构
嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为4个层次：
①引导加载程序Bootloader。
②内核。完成对硬件设备的控制，Linux内核的主要模块分为以下几个部分：存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信、以及系统的初始化（引导）、系统调用等。
③文件系统。它提供了用于管理系统的各种配置文件，以及为系统执行用户应用程序提供了良好的运行环境。
④用户应用程序。根据不同的用户需求而编写的程序。
QEMU与宿主机之间的通信机制：QEMU提供了四种网络通信模式：TAP、user、Sockets和VDE。利用user模式可以实现虚拟机和宿主机之间的通信且较为简单易行，在这种通信模式中，虚拟机处于10.0.2.*网段，该网段通过一个NAT服务器与外界通信，NAT服务器的地址是10.0.2.2，虚拟机的IP地址从10.0.2.15开始分配。

4. 实验步骤

4.1 实验准备

实验环境选定ubuntu12.04，VMware
终端sudo apt-get update完成更新
安装GNU交叉编译工具链：

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
sudo apt-get install g++-arm-linux-gnueabi

4.2 安装QEMU

sudo apt-get install qemu qemu-system qemu-utils
qemu-system-arm --version//查看版本信息

在这里插入图片描述

4.3 编译并运行U-boot

下载U-boot源码，并进行解压（以u-boot-2012.04.tar.bz2为例）：

ftp://ftp:denx.de/pub/u-boot/        #下载链接
tar jxvf u-boot-12.04.tar.bz2        //解压命令

修改Makefile，添加下列两行：

ARCH ?=arm
CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabi-

进入u-boot-12.04文件夹，执行下列命令，生成u-boot.bin文件：

make ca9x4_ct_vxp_config 
make

在这里插入图片描述

执行命令启动u-boot：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 256M -nographic -kernel u-boot

在这里插入图片描述
此时是检测Flash failed后停止运行，是因为在 arch/arm/lib/board.c里面 board_init_r()函数里检测Flash失败后调用了hang(), 暂时先把hang()去掉就可以运行下去了【修改了board.c需要重新执行上述的两个make】。正常的运行结果如下：

在这里插入图片描述

4.4 编译并运行Linux

4.4.1 生成内核映像文件

下载Linux内核源码(此处以linux-3.4.4.tar.bz2为例），并修改Makefile：

http://www.kernel.org/    #下载链接

ARCH = arm                    //修改文件，直接打开Makefile，搜索ARCH，找到第一个匹配的修改
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

在解压后的目录下make vexpress_defconfig
make menuconfig–>System Type把Enable the L2x0 outer cache controller取消，否则QEMU会起不来
在这里可能报错，需要执行apt-get install ncurses-dev：
make，会在arch/arm/boot/ 目录下生成zImage内核映像文件，这就是我们需要的内核映像。

4.4.2 制作根目录系统

4.4.2.1 编译busybox

下载busybox源码（以busybox-1.21.0.tar.bz2为例），一样的修改Makefile：

http://www.busybox.net/downloads/busybox-1.21.0.tar.bz2   #下载链接

ARCH = arm       //修改文件
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-

make menuconfig, Busybox Setting–>Build Opdions–>选择[]Build BusyBox as a static binary(no shared libs)使用静态编译
make报错，进入make menuconfig,在菜单中Networking Utilities-->Support RPC serverces取消选择，再次make：
make,产生install文件；make install，产生文件夹_install

4.4.2.2 制作根文件系统目录

mkdir rootfs
cd rootfs

进入rootfs目录下执行：

//建立目录结构
mkdir bin etc dev lib proc tmp root home sys usr sbin var mnt
//运行库-来自工具链
cp -a /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* lib
//配置文件-来自busybox
cp -a /home/ersheng/busybox-1.21.0/examples/bootfloppy/etc/* etc
//busybox工具集
cp -a /home/ersheng/busybox-1.21.0/_install/* .
//设备文件
sudo cp -a /dev/console /dev/loop0 /dev/loop1 /dev/null /dev/ram0 /dev/tty /dev/tty0 /dev/tty1 /dev/tty2 /dev/zero dev

在这里插入图片描述

修改mdev配置，mdev负责自动生成设备节点,mdev.conf是配置文件：

vim etc/mdev.conf

在这里插入图片描述

修改启动配置：

vi etc/init.d/rcS

在这里插入图片描述

4.4.2.3 根文件系统镜像

在主目录下建立一个test.sh脚本（方便执行），脚本内容如下：

dd if=/dev/zero of=rootfs.img bs=1M count=32 # 32M的镜像
mkfs.ext3 rootfs.img
mkdir tmpfs
sudo mount -o loop rootfs.img tmpfs
sudo cp -a rootfs/* tmpfs/

在这里插入图片描述
运行脚本：

chmod +x ./test.sh 
./test.sh

卸载tmpfs：

sudo umount tmpfs

4.4.3 QEMU运行Linux系统

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 256M -kernel /home/ersheng/linux-3.4.4/arch/arm/boot/zImage -append "root=/dev/mmcblk0 console=tty0 init=/linuxrc" -sd rootfs.img

在这里插入图片描述

4.5 在目标机运行应用程序

用户应用程序在目标机上运行有两种方法：
①将编译后的可执行文件放入到根文件系统中，在做成根文件系统的镜像后，由内核调用并执行。
②使用NFS（网络文件系统）在本地机和目标机之间建立通信。
1）QEMU与Ubuntu之间的通信

首先在Ubuntu上安装NFS网络文件系统

apt-get install nfs-kernel-server

在NFS服务的配置文件/etc/exports中添加：

/    *(rw,no_root_squash,insecure)

关闭Ubuntu的网关，避免连接不上：
在/etc/resolv.conf中全部注释掉，不要DNS服务器地址。
在宿主机Ubuntu中开启NFS服务：

/etc/init.d/nfs-kernel-server start

再次启动Qemu，在最后面添加如下命令

-net user -net nic –s

最后，在目标机中配置网络、挂载NFS文件系统、切换根文件系统：

ifconfig eth0 10.0.2.15 up  
route add default gw 10.0.2.2
mount -t nfs -o nolock 192.168.1.241:/ /mnt

这样就可将192.168.1.241的主机的文件系统挂载到/mnt目录下。
（注：192.168.1.241是我的Ubuntu的IP地址，可用ifconfig查看本地机的IP地址。）

【目前第二种方法暂配失败，下面采取第一种方法】

先在本地创建hello.c，然后使用arm-linux-gnueabi-gcc编译该文件得到可执行文件hello（使用arm-linux-gnueabi-gcc适应目标机的体系架构）：

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("hello world");
	return 0;
}

拷贝到tempfs，与目标机共享文件：

cp hello ./tempfs/

重新启动QEMU，进行测试：

5. 思考题

QEMU运行的Linux系统中是否需要安装gcc
答：不需要，QEMU中运行的Linux系统由于系统架构不同，所以直接采用交叉编译工具进行编译即可
在本地机编译应用程序时，是使用gcc还是arm-linux-gcc？为什么？
答：使用arm-linux-gcc，原因与上题一致
如何将可执行文件在系统开机后自启动？
答：将可执行文件放在/etc/init.d/下的这个文件rcS里，在这个文件下的最后一行再加上这样一句命令：cd 你要执行的程序的绝对路径 ./test(test为你要执行的文件)
QEMU运行的Linux系统是命令行模式，如何将它改成图形用户界面模式？
答：将ttyS0改为tty0

6. 个人总结

经过近3天的学习与动手，大致将本次实验做完了，其中出了不少的bug，但在同学的帮助下都得到了解决，我觉得此次实验最大的好处即是提升了个人的linux能力，以及解决问题及分析问题能力。
通过此次实验，了解了QEMU这一内核模拟器，也大致了解了嵌入式Linux系统的开发流程，锻炼了自己独立解决问题的能力，不管从哪方面来说，这都是一次很好的实验经历。