從零使用qemu模擬器搭建arm執行環境
為什麼會有這篇文章
早在2011年的時候，跟當時同事一起討論，做Linux系統開發正處於整個linux開發中間層，沒有上層的C/C++業務和資料庫的開發經驗，也沒有底層的核心和驅動開發經驗，到底路該如何走……基於對Linux系統開發的理解和核心的興趣，認為選擇Linux核心開發更適合自己。於是到淘寶上買了塊三星s3c2440(arm 9)開發板，學起核心開發。沒有過多久，機緣巧合，正式加入了公司的核心開發部。就這樣跟核心和arm打上交道了。
沒有想到這一做就是3年了，arm晶片只有在公司才能使用，回到家裡就不能訪問了。去年（2014）開始覺得做核心久了，應該向核心社群提交patch，提升知名度和影響力。但在公司提交patch不方便，於是在家裡通過qemu方式搭建於ARM A9的執行環境，進行開發和
最近在梳理Linux記憶體機制，無論是《深入理解Linux核心》還是《深入理解核心架構》這兩本紅寶書都無法告知你每個細節的時候，就需要檢視程式碼細節，修改程式碼，甚致做行為分析。此時需要修改程式碼輸出除錯資訊，以幫助更深入體會程式碼的邏輯。這該是qemu派上場的時候。
其實我前前後後搭建qemu+arm的執行環境已超過5次了，每次都要花上很多時間。碰巧昨天有同事看到我再次搭建，他如搭珍寶，告訴我一定要將搭建qemu的方法告訴他。
所以，如果你想買個開發板來做arm + linux嵌入式開發，完全可以使用qemu進行開發。或者你像我一樣，對核心機制關心，而不關心於具體的外設器件，最多是關心arm架構相關的功能，也可以使用qemu進行開發。
一句話：搭建qemu+arm環境，用於做核心開發和功能分析除錯。
搭建環境
我整個搭建過程都是在筆記本上進行的，Ubuntu 12.04系統；如果是Fodera環境，搭建過程可能略有不同，但關鍵步驟是不變的。
qemu模擬得最好的arm晶片，要數ARM公司的vexpress A9開發板了，本文的搭建過程都是圍繞這個開發板進行的。當然，如果你想搭其它開發板，也不難，只要qemu和核心對它有成熟的支援就夠了。
下面是step by step的搭建過程，建議沒有特別訴求的朋友，按照下在面的步驟操作。或者先根據下面的步驟成功搭建vexpress執行環境之後，再根據自己的需求進行更改。
下載Linux核心
下載核心有兩種方法，一種是用Git直接下載核心程式碼樹，方便後面的核心開發。另一種是直接到核心社群下載穩定版本（詳見：https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/）。下面演示從Linux kernel主線下載程式碼進行編譯。
git clonegit://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
整個下載過程會持續半個小時左右，有足夠時間來泡杯茶。
安裝arm的交叉編譯工具鏈
想必做嵌入式開發的朋友，對交叉編譯工具鏈不陌生。如果你訂製一個交叉編譯工具鏈，建議你使用crosstool-ng開源軟體來構建。但在這裡建議直接安裝arm的交叉編譯工具鏈：sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
編譯Linux核心
生成vexpress開發板子的config檔案：make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm vexpress_defconfig
編譯：
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm
生成的核心鐿像位於arch/arm/boot/zImage， 後續qemu啟動時需要使用該映象。
下載和安裝qemu模擬器
其實Ubuntu 12.04有qemu的安裝包，但由於版本較低，對vexpress開發板支援不友好，建議下載高版本的qemu:
wget http://wiki.qemu-project.org/download/qemu-2.0.2.tar.bz2
配置qemu前，需要安裝幾個軟體包：
sudo apt-get install zlib1g-dev
sudo apt-get install libglib2.0-0
sudo apt-get install libglib2.0-dev
配置qemu，支援模擬arm架構下的所有單板：
./configure --target-list=arm-softmmu --audio-drv-list=
編譯和安裝：
make
make install
測試qemu和核心能否執行成功
qemu已經安裝好了，核心也編譯成功了，到這裡最好是測試一下，編譯出來的核心是否OK，或者qemu對vexpress單板支援是否夠友好。
執行命令很簡單：
qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage -dtb /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"
這裡的 /path/to/kernel/dir/ 是核心的下載目錄，或者編譯目錄。
如果看到核心啟動過程中的列印，說明前面的搭建是成功的。
這裡簡單介紹下qemu命令的引數：
-M vexpress-a9 模擬vexpress-a9單板，你可以使用-M ?引數來獲取該qemu版本支援的所有單板
-m 512M 單板執行實體記憶體512M
-kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage 告訴qemu單板執行核心映象路徑
-nographic 不使用圖形化介面，只使用串列埠
-append "console=ttyAMA0" 核心啟動引數，這裡告訴核心vexpress單板執行，串列埠裝置是那個tty。
注意：
我每次搭建，都忘了核心啟動引數中的console=引數應該填上哪個tty，因為不同單板串列埠驅動型別不盡相同，建立的tty裝置名當然也是不相同的。那vexpress單板的tty裝置名是哪個呢？ 其實這個值可以從生成的.config檔案CONFIG_CONSOLE巨集找到。
如果搭建其它單板，需要注意核心啟動引數的console=引數值，同樣地，可從生成的.config檔案中找到。
製作根檔案系統
到這裡是否大功告成了呢？ 其實在上面的測試中，你會發現核心報panic，因為核心找不到根檔案系統，無法啟init程序。
根檔案系統要考慮兩個方面：
1. 根檔案系統的內容
如果你看過《Linux From Scratch》，相信你會對這一步產生恐懼感，但如果一直從事嵌入式開發，就可以放下心來。根檔案系統就是簡單得不能再簡單的幾個命令集和態動態而已。為什麼Linux From Scratch會有那麼複雜，是因為它要製作出一個Linux發生版。但在嵌入式領域，幾乎所有的東西，都是mini版本，根檔案系統也不例外。
本文制本的根檔案系統 = busybox(包含基礎的Linux命令) + 執行庫 + 幾個字元裝置
2. 根檔案系統放在哪裡
其實依賴於每個開發板支援的儲存裝置，可以放到Nor Flash上，也可以放到SD卡，甚至外部磁碟上。最關鍵的一點是你要清楚知道開發板有什麼儲存裝置。
本文直接使用SD卡做為儲存空間，檔案格式為ext3格式
下載、編譯和安裝busybox
wget http://www.busybox.NET/downloads/busybox-1.20.2.tar.bz2
make defconfig
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
make install CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
安裝完成後，會在busybox目錄下生成_install目錄，該目錄下的程式就是單板執行所需要的命令。
形成根目錄結構
先在Ubuntu主機環境下，形成目錄結構，裡面存放的檔案和目錄與單板上執行所需要的目錄結構完全一樣，然後再打包成映象（在開發板看來就是SD卡），這個臨時的目錄結構稱為根目錄1. 建立rootfs目錄（根目錄），根檔案系統內的檔案全部放到這裡
mkdir -p rootfs/{dev,etc/init.d,lib}
2. 拷貝busybox命令到根目錄下
sudo cp busybox-1.20.2/_install/* -r rootfs/
3. 從工具鏈中拷貝執行庫到lib目錄下
sudo cp -P /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib/
4. 建立4個tty端終裝置
sudo mknod rootfs/dev/tty1 c 4 1
sudo mknod rootfs/dev/tty2 c 4 2
sudo mknod rootfs/dev/tty3 c 4 3
sudo mknod rootfs/dev/tty4 c 4 4
製作根檔案系統映象
1. 生成32M大小的映象dd if=/dev/zero of=a9rootfs.ext3 bs=1M count=32
2. 格式化成ext3檔案系統
mkfs.ext3 a9rootfs.ext3
3. 將檔案拷貝到映象中
sudo mkdir tmpfs
sudo mount -t ext3 a9rootfs.ext3 tmpfs/ -o loop
sudo cp -r rootfs/* tmpfs/
sudo umount tmpfs
系統啟動執行
完成上述所有步驟之後，就可以啟動qemu來模擬vexpress開發板了，命令引數如下：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/zImage -dtb /path/to/kernel/dir/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 console=ttyAMA0" -sd a9rootfs.ext3
從核心啟動列印，到命令列提示符出現，激動人心的時刻出現了……
寫在後面的話
通過上面的步驟，搭建出來一個最小的qemu+arm開發環境，你可以上面的基礎上修改核心，或者增加一些測試程式在單板上執行，甚至使用單板的flash裝置。 在此，你可以做純arm架構的核心開發，或者與架構無關的核心開發，也可以做單板相關的驅動開發。最後的最後：本文已經過多次修改，如果各位讀者按照本文方法搭建遇到問題，還請各位反饋給我(lyt2008bj at 163 dot com)，我會修改直至完全成功。