基于QEMU和U-Boot搭建嵌入式Linux模拟仿真环境
嵌入式系统学习涉及广泛的知识和技术。与特定种类的应用开发相比，嵌入式系统软件的开发环境构建显得尤为“奢侈”。很多时侯我们需要购买许多价格不菲、种类各异的嵌入式开发板以及配套的各类工具如JTAG/SWI烧录器、串口连接线等等。而准备这一切不仅需要金钱，还得有时间。而QEMU则可在一定程度缓解这种尴尬。本文记录在Ubuntu2204上基于QEMU搭建一个基础的嵌入式ARM开发板Vexpress-A9模拟运行环境的全过程。
ARM express 全称versatile express family, 是ARM公司自己推出的开发板，主要用于SOC厂商设计,验证和测试自己的SOC芯片。
采用主板+子板设计,主板提供各种外围接口,子板提供CPU运算，支持的Cortex-A5/A9/A15/R5等处理器。
一、安装QEMU
安装qemu虚拟机工具。
# For full system emulation sudo apt install qemu-system #For emulating Linux binaries sudo apt install qemu-user-static有兴趣的同学也可手动编译安装
https://www.qemu.org/ https://wiki.qemu.org/Hosts/Linux git clone https://gitlab.com/qemu-project/qemu.git git checkout remotes/origin/stable-8.2 -b stable-8.2 sudo apt-get install git libglib2.0-dev libfdt-dev libpixman-1-dev zlib1g-dev ninja-build sudo apt-get install git-email sudo apt-get install libaio-dev libbluetooth-dev libcapstone-dev libbrlapi-dev libbz2-dev sudo apt-get install libcap-ng-dev libcurl4-gnutls-dev libgtk-3-dev sudo apt-get install libibverbs-dev libjpeg8-dev libncurses5-dev libnuma-dev sudo apt-get install librbd-dev librdmacm-dev sudo apt-get install libsasl2-dev libsdl2-dev libseccomp-dev libsnappy-dev libssh-dev sudo apt-get install libvde-dev libvdeplug-dev libvte-2.91-dev libxen-dev liblzo2-dev sudo apt-get install valgrind xfslibs-dev sudo apt-get install libnfs-dev libiscsi-dev ./configure --target-list=arm-softmmu --audio-drv-list= make sudo make install测试安装结果
qemu-system-arm --version #查看支持的开发板 qemu-system-arm -M help #vexpress-a9二、安装ARM交叉工具链
安装arm交叉工具链
sudo apt install -y gcc-arm-linux-gnueabihf sudo apt install -y g++-arm-linux-gnueabihf工具链的命令规则一般是：arch-core-kernel-system-language。其中：
（一）languag
译语言，表示该编译器用于编译何种语言，最常见的就是gcc，g++；
（二）arch
体系架构，如ARM，MIPS等，表示该编译器用的指令集和CPU架构；
（三）core
使用的是哪个CPU Core，如Cortex A8；或者是指定工具链的供应商。如果没有特殊指定，则留空不填。这一组命名比较灵活，在某些厂家提供的交叉编译链中，有以厂家名称命名的，也有以开发板命名的，或者直接是none或cross的；
（四）kernel
所运行的OS，见过的有Linux，uclinux，bare（无OS）；
（五）system
交叉编译链所选择的库函数和目标映像的规范，如gnu，gnueabi等。其中gnu等价于glibc+oabi；gnueabi等价于glibc+eabi。若不指定，则也可以留空不填；
1.ABI
二进制应用程序接口(Application Binary Interface(ABI) for the ARM Architecture),在计算机中,应用二进制接口描述了应用程序(或者其他类型)和操作系统之间或其他应用程序的低级接口,涵盖了数据类型的大小,布局和对齐,调用约定.
2.EABI
嵌入式ABI 嵌入式应用二进制接口指定了文件格式,数据类型,寄存器使用,堆积组织优化和在一个嵌入式软件中的参数的标准约定.
Arm-none-gnueabi-linux比arm-linux-gcc要好,在可一致性,兼容性上面
早期u-boot和Linux编译可能使用的都不是一个arm-linux-gcc版本
3.HF
启用硬浮点计算（hf =hard-float）。 硬浮点（hard-float）：依赖ARM CPU的浮点运算单元（FPU）执行浮点操作，速度快、效率高，需硬件支持（如Cortex-A系列）。 软浮点（soft-float）：通过软件模拟浮点运算，兼容性广但性能差，适用于无FPU的低端ARM芯片（如Cortex-M系列）。
三、安装编译U-BOOT
（一）获取uboot源码
git clone https://github.com/u-boot/u-boot.git（二）配置编译选项
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_ca9x4_defconfig（三）编译uboot
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j $(nproc)编译结束后，会在根目录下生成两个二进制文件uboot和uboot.bin。
（四）测试uboot
通过qemu运行uboot。
qemu-system-arm -kernel u-boot -nographic运行结果：
四、编译Linux内核
（一） 下载Linux内核源码
git clone https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/git/linux.git -b v5.4 linux-5.4（二）配置内核
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_defconfig（三）编译内核
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j $(nproc)1.内核文件
编译将在arch/arm/boot下生成zImage内核压缩文件。
2.设备树文件
在arch/arm/boot/dtb下生成vexpress-v2p-ca9.dtb设备树文件。
五、制作根文件系统
根文件系统是：
- Linux内核启动后首先挂载的文件系统
- 包含基本的shell命令,各种库,字符设备,配置脚本等
- 提供了根目录/
- 可以放在: nor/nand flash, SD卡, 磁盘, 网络空间上
一般使用busybox构建嵌入式根文件系统。
（一）编译安装busybox
#1.下载源代码 https://busybox.net/ #2.修改Makefile ARCH = arm CROSS_COMPILE =arm-linux-gnueabi- #3.配置 make defconfig make menuconfig Settings ---> [*] Build static binary (no shared libs) #4.编译 make -j $(nproc) #5.安装 make install #安装生成目录"_install"在编译配置时，建议设置为表态连接。
如果未选择“Build static binary (no shared libs)"，则需要将arm-linux-gnueabihf相关的库文件拷贝至根文件系统的/lib目录下。
（二）制作SD卡镜像
制作SD卡镜像文件
#1.生成镜像 #bs: 缓冲区块的大小 #count: 块的个数 dd if=/dev/zero of=sdcard.img bs=1M count=32 #2.格式化为ext3文件系统 mkfs.ext4 sdcard.img初始化镜像文件
#3.将各种文件copy到文件系统镜像中 sudo mount -t ext4 sdcard.img /mnt -o loop #4.创建基础目录 sudo mkdir etc proc sys dev var boot #5.从busybox中拷贝程序与配置文件 sudo cp -rff ../busybox-1.32.0/_install/* /mnt/ sudo cp -rf ../busybox-1.32.0/examples/bootfloppy/etc/* /mnt/etc/ #6.从交叉编译库中拷贝库文件 cp -avf /usr/arm-linux-gnueabihf/lib/* /mnt/lib/创建设备节点
#7.创建设备节点 #mknod: 创建块或字符设备节点 #-m 666: 权限读写 #tty1: 节点名称 #c: 字符设备 #4: 主设备号 #1: 次设备号 sudo mknod -m 666 tty1 c 4 1 sudo mknod -m 666 tty2 c 4 2 sudo mknod -m 666 tty3 c 4 3 sudo mknod -m 666 tty4 c 4 4 sudo mknod -m 666 console c 5 1 sudo mknod -m 666 null c 1 3拷贝内核镜像和设备树文件
cd ../ sudo cp linux-5.4/arch/arm/boot/zImage rootfs/boot/ sudo cp linux-5.4/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb rootfs/boot/修改etc/fstab文件内容如下所示
proc /proc proc defaults 0 0 sysfs /sys sysfs defaults 0 0 tmpfs /var tmpfs defaults 0 0修改etc/init.d/rcS文件内容如下所示
#! /bin/sh /bin/mount -a /sbin/mdev -sumount镜像
sudo umount /mnt六、模拟运行
编写启动脚本
#/bin/sh qemu-system-arm -M vexpress-a9 \ -kernel u-boot \ -sd sdcard.img \ -no-reboot \ -nographic \ -m 512M运行进入uboot界面
u-boot加载内核和设备树文件
load mmc 0:0 0x66000000 boot/zImage load mmc 0:0 0x66500000 boot/vexpress-v2p-ca9.dtb设置启动参数
setenv bootargs "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0,115200 init=/linuxrc"启动内核并运行
bootz 0x66000000 - 0x66500000运行界面如下：
七、总结
至此，一个基础的嵌入式模拟环境已经建立，可为后续Linux内核、U-Boot等系统及嵌入式软件调试提供坚实的基础。