基于QEMU的vexpress-a9开发调试环境搭建

最新推荐文章于 2024-12-16 15:13:43 发布

zhang_heaven

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分类专栏： linux内核文章标签： arm开发 linux

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zhang_heaven/article/details/132388343

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本文详细介绍了在Windows环境中通过VirtualBox或VMware搭建LinuxUbuntu，安装必要的工具，编译kernel和U-Boot，制作根文件系统，以及使用QEMU进行kernel调试的过程，包括设置链接地址、断点和执行调试命令等。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

准备工作

如果是window环境，则建议安装virtual box或vmware以便安装linux ubuntu。
在ubuntu上安装必要工具： sudo adb install qemu-system-arm gdb-multiarch libnl-3-dev libncurses5-dev binutils-arm-linux-gnueabi gcc-arm-linux-gnueabi

编译kernel，uboot以及制作ramdisk

编kernel

去kernel.org下载kernel内核工程，我这里选的是3.18，下载地址：https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/snapshot/linux-3.18.tar.gz
编译命令：
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm vexpress_defconfig
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm zImage
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm dtbs
编译完毕后，会生成zImage镜像

编uboot

下载地址：https://ftp.denx.de/pub/u-boot/，我这里选的是2016.01： https://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2016.01.tar.bz2
编译命令：
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_ca9x4_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
注意：如果环境里gcc版本是7，则需要 cp include/linux/compiler-gcc5.h include/linux/compiler-gcc7.h，因为uboot2016里没有适配gcc7

制作根文件系统

如果想正常运行起kernel，需要制作根文件系统，具体可参考：https://www.zhaixue.cc/qemu/qemu-build_busybox_rootfs.html

qemu正常运行kernel

将上面做个根文件rootfs.ext3移到kernel编完的根目录下，在kernel编译根目录执行执行命令：

qemu-system-arm \
        -M vexpress-a9 \
        -m 256 \
        -kernel arch/arm/boot/zImage \
        -nographic \
        -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0 memblock=debug printk.synchronous=1" \
        -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \
        -sd rootfs.ext3

其中zImage是kernel镜像，vexpress-v2p-ca9.dtb是设备树文件（同内核一同编译出来）。
启动后的命令行
执行到shell这里，按回车，kernel就启动到控制台了。
注意：如果要退出，需要另起个shell，运行pkill qemu即可退出qemu

qemu从uboot运行

在编译好的uboot根目录下运行：
qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 256M -nographic -kernel u-boot
其中u-boot为编译出的uboot镜像
在这里插入图片描述

调试kernel

从start_kernel()开始调试

qemu-system-arm \
        -M vexpress-a9 \
        -m 256 \
        -kernel arch/arm/boot/zImage \
        -nographic \
        -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0 memblock=debug printk.synchronous=1" \
        -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \
        -sd ../../rootfs.ext3 \
        -gdb tcp::1234  -S

在这里插入图片描述
不同于直接运行，调试运行执行后，shell会马上block住，等待调试器接入，我们需要另外启动一个shell到kernel根目录下，执行如下命令：

gdb-multiarch vmlinux

其中，vmlinux文件是编译kernel时，生成的
在这里插入图片描述

进入gdb命令行下，敲入:

target remote:1234

则连接上被调试的qemu环境。在这里插入图片描述
我们要从start_kernel()开始调试的话，则敲入

b start_kernel //在start_kernel设置断点
c //执行运行，运行到断点处会自动停住

在这里插入图片描述
可以看到gdb停到main.c的502行start_kernel()的入口处，这里我们可以用各种调试指令了，比如

i r pc

查看当前pc指令位置
在这里插入图片描述

从kernel起始位置compressed/vmlinux开始调试

了解kernel的人应该知道start_kernel其实已经从汇编执行到了C代码，并不是kernel真正意义上的“起始位置”。
我们知道编译完的kernel有两个可执行的vmlinux，一个在根目录，一个在arch/arm/compressed,
以我们当前例子这个arm架构的vexpress-a9举例，最先运行的是起始代码在kernel目录下的arch/arm/boot/compressed/head.S起始，那调试就应该用arch/arm/boot/compressed/vmlinux来调试。这个vmlinux的具体的加载地址，是由qemu内设定的vexpress-a9架构决定的。
我们可以下载qemu的源码：

git clone https://gitlab.com/qemu-project/qemu.git

找到vexpress-a9的架构所在源码(hw/arm/vexpress.c)查到内存起始地址是0x60000000
在这里插入图片描述
另外由于架构上会偏移一段位移地址，来启动内核

综上：qemu如果启动vexpress-a9上soc的内核镜像，会加载到地址为0x60010000的地址上，知道了这两个信息，我们可以将arch/arm/boot/compressed/vmlinux的链接地址设置成0x60010000。具体方法是，在之前我们编译过kernel镜像是，内核帮我们生成过一个arch/arm/boot/compressed/vmlinux.lds，我们改写一下其中的TEXT_OFFSET从0改成0x60010000即可，再重新编译一下kernel镜像（make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm zImage）即可将arch/arm/boot/compressed/vmlinux的链接地址从0修改到0x60010000上。
在这里插入图片描述
调试时，先要设置断点到0x60010000位置，再执行continue让pc运行到该地址后，才能开始单步调试：

与之对应上的arch/arm/boot/compressed/head.S:

compressed/vmlinux这段主要做的是自解压真正的内核镜像（vmlinux），并运行到arch/arm/kernel/head.S:
在这里插入图片描述
这里再介绍一下打断点的技巧，由于我们在调试汇编，所以一般断点都是打在地址上，而地址和代码需要对应起来，我们需要反汇编可执行程序。反汇编的方法为：

arm-linux-gnueabi-objdump -d arch/arm/boot/compressed/vmlinux > dump.s

第一列就是可执行程序的链接地址，第二列是可执行程序实际的hex，后一列就是反汇编代码含义。
可以看到，第一列的起始就是我们设置的compressed/vmlinux的链接地址。有了dump.s，我们想执行代码到哪里，只需要设置断点到对应地址就行了
在这里插入图片描述

如果希望完整调试compressed/vmlinux直到跳转到正真的vmlinux中（arch/arm/kernel/head.S）的话，由于在解压vmlinux之前需要腾出ram初始地址，以及使能mmu和cache，会做一次relocate。在relocate后由于我们debug的compressed/vmlinux的链接地址会再次不匹配，所以需要再次修改compressed/vmlinux的链接地址以便调试relocate后的compressed/vmlinux。

这里r6寄存器实测为0x6498d40，重定向后的restart位置为0x60658e08
在这里插入图片描述

重定位到restart位置，相对原链接地址，偏移0x648d40位置。
在这里插入图片描述
所以，我们可以将compressed/vmlinux再次设置为0x6001000+0x648d40=0x60658d40，并且再次重新调试，将断点直接设置到重定向后的restart位置为0x60658e08

接下来我们就可以调试compressed/vmlinux的后半部分，直到arch/arm/kernel/head.S。
在这里插入图片描述

可以看到，最后pc会赋值r4(0x60008000)这个就是kernel起始的运行地址，这个是在下面这段代码里定义的。而TEXT_OFFSET则是在arch/arm/Makefile里定义的，为0x8000。

直到这里，compressed/vmlinux执行了最后一句 mov pc r4，跳转到了0x60080000，执行arch/arm/kernel/head.S真实的kernel运行起来了。

调试kernel汇编

有了前面的经验，相信我们已经知道该如何调试kernel（vmlinux)了吧。
我们需要将vmlinux的链接地址设置到0x60008000，设置方法是修改arch/arm/Kconfig中VMSPLIT_2G对应的值到0x60000000，并重新编译kernel。
在这里插入图片描述
接着就可以直接b *0x60008000，并且执行到arch/arm/kernel/head.S。

（本文完）