Ubuntu下使用QEMU搭建ARM64开发调试环境
发布时间：2020-01-17 04:16:20.609 文章来源：AiSoftCloud 浏览次数：4502 下载次数：1 

简介

目前多数linux开发者使用的开发环境是x86开发环境，有时项目出现问题时，软件运行环境不是x86环境，是嵌入式环境，如arm64等环境，这时候又没有嵌入式设备可供硬件调试，这时候就需要搭建虚拟嵌入式运行环境进行调试。本文主要介绍如何在ubuntu下搭建arm64调试环境。

源码下载

下载Linux内核源码

下载busybox

下载QEMU

安装

安装交叉编译工具

gcc-aarch64-linux-gnu

  1. sudo apt-get install -y binutils-aarch64-linux-gnu
  2. sudo apt-get install -y gcc-aarch64-linux-gnu
  3. # 检查安装信息
  4. aarch64-linux-gnu-gcc -v
  5. # 安装libncurses-dev
  6. sudo apt-get install -y libncurses-dev
  7. sudo apt-get install -y flex
  8. sudo apt-get install -y bison

gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu

  1. wget https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/latest-7/aarch64-linux-gnu/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz
  2. tar xvf https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/latest-7/aarch64-linux-gnu/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu.tar.xz
  3. # 设置PATH环境变量，使系统优先找到下载的交叉编译器
  4. export PATH=$PWD/gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH

安装QEMU

  1. ./configure --target-list=aarch64-softmmu,aarch64-linux-user --enable-virtfs --enable-debug
  2. make -j4
  3. sudo make install

编译 Linux 内核

  1. # 设置环境变量
  2. export ARCH=arm64
  3. export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
  4. # 配置编译选项
  5. make defconfig
  6. make menuconfig
  7. # 编译
  8. make -j4

编译测试程序 GNU HELLO

  1. wget http://ftp.gnu.org/gnu/hello/hello-2.6.tar.gz
  2. tar xzf hello-2.6.tar.gz
  3. cd hello-2.6
  4. ./configure --host=aarch64-linux-gnu
  5. make

备注：执行./configure时可能出现错误，如下：

  1. checking build system type... Invalid configuration `aarch64-linux': machine `aarch64' not recognized

解决办法，下载最新的配置文件，并替换：

  1. wget -O config.guess 'http://git.savannah.gnu.org/gitweb/?p=config.git;a=blob_plain;f=config.guess;hb=HEAD'
  2. wget -O config.sub 'http://git.savannah.gnu.org/gitweb/?p=config.git;a=blob_plain;f=config.sub;hb=HEAD'
  3. find . -name "config.guess"
  4. find . -name "config.sub"
  5. mv config.guess ./build-aux
  6. mv config.sub ./build-aux

重新make

make 完成后生成的可执行程序是hello-2.6/src/hello

查看hello依赖的动态库：

  1. aarch64-linux-gnu-readelf hello-2.6/src/hello -a |grep lib

输出结果如下：

  1.       [Requesting program interpreter: /lib/ld-linux-aarch64.so.1]
  2.  0x0000000000000001 (NEEDED)             Shared library: [libc.so.6]
  3.  0x0000000000000001 (NEEDED)             Shared library: [ld-linux-aarch64.so.1]
  4. 000000415068  000b00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __libc_start_main@GLIBC_2.17 + 0
  5.     11: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __libc_start_main@GLIBC_2.17 (2)
  6.     34: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS /usr/lib/gcc-cross/aarch6
  7.     39: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS /usr/lib/gcc-cross/aarch6
  8.     44: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS /usr/lib/gcc-cross/aarch6
  9.    135: 0000000000403998     4 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 __libc_csu_fini
  10.    167: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __libc_start_main@@GLIBC_
  11.    200: 0000000000403920   120 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 __libc_csu_init
  12.   0x0020: Version: 1  File: libc.so.6  Cnt: 1

下面在制作根文件系统时要将依赖的交叉编译的库文件ld-linux-aarch64.so.1 libc.so.6 ld-linux-aarch64.so.1拷贝到rootfs/lib中，或者将交叉编译工具所有的库文件拷贝进去即可，目录是/usr/aarch64-linux-gnu/lib/

使用busybox构建根文件系统

当我们在 Qemu 上运行起来自己编译的内核之后，需要使用 busybox 构建一个文件系统，将此文件系统挂载上去就可以使用 busybox 提供的各种命令了。

进入 busybox 解压目录，执行make menuconfig进行配置，设置以下选项：

  • Busybox Setting -> Build Options -> Build BusyBox as a static binary (no shared libs) (enable)
  • Networking Utilities -> inetd(disable)
  • Busybox Setting -> Installation Options (“make install” behavior) -> (../rootfs) BusyBox installation prefix
  • Busybox Setting -> Build Options -> (aarch64-linux-gnu-) Cross Compiler prefix

备注： Cross Compiler prefix需要设置，不然启动后会报如下错误：

  • request_module: kmod_concurrent_max (0) close to 0 (max_modprobes: 50), for module binfmt-464c, throttling…
  • request_module: modprobe binfmt-464c cannot be processed, kmod busy with 50 threads for more than 5 seconds now

编译：

  1. make -j4
  2. sudo make install

编译完成后在busybox的同级目录会生成一个rootfs目录

制作文件系统

进入rootfs，执行以下命令：

  1. sudo mkdir dev etc mnt lib
  2. sudo mkdir -p etc/init.d

进入etc/init.d中创建文件rcS，在文件中加入以下内容：

  1. mkdir -p /proc
  2. mkdir -p /tmp
  3. mkdir -p /sys
  4. mkdir -p /mnt
  5. /bin/mount -a
  6. mkdir -p /dev/pts
  7. mount -t devpts devpts /dev/pts
  8. echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
  9. mdev -s

修改rcS为可执行：

  1. chmod 777 rcS

在etc/ 目录下新建一个inittab文件，加入以下内容:

  1. ::sysinit:/etc/init.d/rcS
  2. ::respawn:-/bin/sh
  3. ::askfirst:-/bin/sh
  4. ::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r

在dev目录下执行以下命令：

  1. sudo mknod console c 5 1
  2. sudo mknod null c 1 3

将交叉编译的lib拷贝到rootfs/lib中：

  1. cd rootfs/lib
  2. # 如果使用的是`gcc-aarch64-linux-gnu`，拷贝如下目录
  3. sudo cp /usr/aarch64-linux-gnu/lib/* .
  4. # 如果使用的是`gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu`，拷贝如下目录
  5. # 具体需要拷贝哪些库是根据编译的运行程序（此处是gnu hello）依赖决定的
  6. # 查看依赖参靠上面的介绍aarch64-linux-gnu-readelf hello-2.6/src/hello -a |grep lib
  7. # sudo cp -r ../../gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/aarch64-linux-gnu/libc/lib/ld-* .
  8. # sudo cp -r ../../gcc-linaro-7.5.0-2019.12-x86_64_aarch64-linux-gnu/aarch64-linux-gnu/libc/lib/libc* .

将交叉编译的可执行程序hello拷贝到rootfs/usr/bin中：

  1. sudo cp ../hello-2.6/src/hello ./usr/bin

在rootfs目录执行以下命令：

  1. sudo find . | sudo cpio -o -H newc > ../linux-5.4/rootfs.cpio
  2. cd ../linux-5.4
  3. gzip -c rootfs.cpio > rootfs.cpio.gz

启动虚拟机

  1. qemu-system-aarch64 -cpu cortex-a57 -machine type=virt -nographic -smp 1 -m 4096 -kernel arch/arm64/boot/Image -append "rdinit=/linuxrc console=ttyAMA0" -initrd rootfs.cpio.gz -device virtio-scsi-device
qemu-system-aarch64 二进制文件，提供模拟aarch64架构的虚拟机进程
-m 2048 分配2048MB内存
-M virt 模拟成什么服务器，我们一般选择virt就可以了，他会自动选择最高版本的virt
-cpu cortex-a72 模拟成什么CPU，其中cortex-a53\a57\a72都是ARMv8指令集的
-smp 2,cores=2,threads=1,sockets=1 2个vCPU，这2个vCPU由qemu模拟出的一个插槽（socket）中的2个核心，每个核心支持一个超线程构成。
-bios xxx 指定bios bin所在的路径
-device xxx 添加一个设备，参数可重复
-drive 添加一个驱动器，参数可重复
-net 添加网络设备
  • 如果出现如下问题，可能设置的内存太小，加大内存即可（-m 参数）：
  • end Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0)

运行Hello

启动虚拟机后，执行如下命令，运行hello：

  1. cd /usr/bin
  2. ./hello

输出结果如下，表示环境搭建成功：

  1. Hello, world!

GDB调试

编译并安装：

  1. ./configure --target=aarch64-linux-gnu --program-prefix=aarch64-linux- --prefix=/usr/local/aarch64_gdb
  2. make && sudo make install

装完后将/usr/local/aarch64_gdb下的文件拷贝到rootfs下，然后重新制作根文件系统即可。

扩展

Linux启动过程

Linux kernel在自身初始化完成之后，需要能够找到并运行第一个用户程序（这个程序通常叫做“init”程序）。用户程序存在于文件系统之中，因此，内核必须找到并挂载一个文件系统才可以成功完成系统的引导过程。在grub中提供了一个选项“root=”用来指定第一个文件系统，但随着硬件的发展，很多情况下这个文件系统也许是存放在USB设备，SCSI设备等等多种多样的设备之上，如果需要正确引导，USB或者SCSI驱动模块首先需要运行起来，可是不巧的是，这些驱动程序也是存放在文件系统里，因此会形成一个悖论。

为解决此问题，Linux kernel 提出了一个RAM disk的解决方案，把一些启动所必须的用户程序和驱动模块放在RAM disk中，这个RAM disk看上去和普通的disk一样，有文件系统，有cache，内核启动时，首先把RAM disk挂载起来，等到init程序和一些必要模块运行起来之后，再切到真正的文件系统之中。

上面提到的RAM disk的方案实际上就是 initrd。 如果仔细考虑一下，initrd 虽然解决了问题但并不完美。 比如，disk 有cache 机制，对于 RAM disk 来说，这个cache机制就显得很多余且浪费空间；disk 需要文件系统，那文件系统（如ext2等）必须被编译进kernel而不能作为模块来使用。

Linux 2.6 kernel 提出了一种新的实现机制，即 initramfs。顾名思义，initramfs 只是一种 RAM filesystem 而不是 disk。initramfs 实际是一个 cpio 归档，启动所需的用户程序和驱动模块被归档成一个文件。因此，不需要 cache，也不需要文件系统。

QEMU has a command argument called “-kernel”. It is a very handy function!! Because of this feature, we don’t need to bother the complicated boot sequence and problems on locating Kernel Image. QEMU will uncompress the kernel image to a proper memory location and start to run the kernel code.

很显然指定-kernel /path/to/kernel_image即可。但是这样是无法正常启动 Linux 的。

  1. qemu-system-aarch64 -kernel build/arch/arm64/boot/Image -append "console=ttyAMA0" -m 2048M -smp 4 -M virt -cpu cortex-a57 -nographic
  1. qemu-system-aarch64 \
  2.     -kernel build/arch/arm64/boot/Image \
  3.     -append "console=ttyAMA0" \
  4.     -m 2048M -smp 4  \
  5.     -M virt -cpu cortex-a57 \
  6.     -nographic
  • -m 指定内存大小
  • -M 指定虚拟机器「machine」的类型
  • -cpu 指定虚拟CPU的型号
  • -smp 指定对称多处理的核心数
  • -append 指定内核启动时使用的命令行参数「cmdline」

参考资料

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