用Qemu模拟ARM

用Qemu模拟ARM(1)

前面已经安装并配置了编译链和qemu，现在可以用qemu来模拟arm平台了。

1. Hello, Qemu!

输入下面的代码:

hello.c - hello.c

#include<stdio.h>int main(){    printf("Hello, Qemu!\n");    return 0;}

编译并运行:

$ arm-none-linux-gnueabi-gcc -o hello hello.c -static$ qemu-arm ./hello$ file hellohello: ELF 32-bit LSB  executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), \ statically linked, for GNU/Linux 2.6.16, not stripped

不加-static变量的话，运行时则需要使用-L选项链接到相应的运行库

$ qemu-arm -L /home/dash/CodeSourcery/\Sourcery_CodeBench_Lite_for_ARM_GNU_Linux/\arm-none-linux-gnueabi/libc/  ./hello_1 Hello, Qemu!$ file hello_1hello_1: ELF 32-bit LSB  executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV),\ dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.16, not stripped

动态编译和静态编译生成的文件大小差别：

$ ls -l -htotal 656K-rwxr-xr-x 1 dash root 640K Jul  7 18:46 hello-rwxr-xr-x 1 dash root 6.6K Jul  7 18:48 hello_1

小插曲1：

系统里安装了两套编译链arm-none-eabi-和arm-none-linux-eabi-,很容易让人混淆，可参考编译链的命名规则：

arch(架构)-vendor(厂商名)–(os(操作系统名)–)abi(Application Binary Interface，应用程序二进制接口)

举例说明：

• x86_64-w64-mingw32 = x86_64 “arch”字段 (=AMD64), w64 (=mingw-w64 是”vendor”字段), mingw32 (=GCC所见的win32 API)
• i686-unknown-linux-gnu = 32位 GNU/linux编译链
• arm-none-linux-gnueabi = ARM 架构, 无vendor字段, linux 系统, gnueabi ABI.
• arm-none-eabi = ARM架构, 无厂商, eabi ABI(embedded abi)

两种编译链的主要区别在于库的差别，前者没有后者的库多，后者主要用于在有操作系统的时候编译APP用的。前者不包括标准输入输出库在内的很多C标准库，适合于做面向硬件的类似单片机那样的开发。因而如果采用arm-none-eabi-gcc来编译hello.c会出现链接错误。

小插曲2：

qemu-arm和qemu-system-arm的区别：

• qemu-arm是用户模式的模拟器(更精确的表述应该是系统调用模拟器)，而qemu-system-arm则是系统模拟器，它可以模拟出整个机器并运行操作系统
• qemu-arm仅可用来运行二进制文件，因此你可以交叉编译完例如hello world之类的程序然后交给qemu-arm来运行，简单而高效。而qemu-system-arm则需要你把hello world程序下载到客户机操作系统能访问到的硬盘里才能运行。

2. 使用qemu-system-arm运行Linux内核

从www.kernel.org下载最新内核,而后解压

$ tar xJf linux-3.10.tar.xz$ cd linux-3.10$ make ARCH=arm versatile_defconfig$ make menuconfig ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-

上面的命令指定内核架构为arm，交叉编译链为arm-none-linux-gnueabi, 需要在make menuconfig弹出的窗口中选择到 “Kernel Features”, 激活“Use the ARM EABI to compile the kernel”, 如果不激活这个选项的话，内核将无法加载接下来要制作的initramfs。

如果需要在u-boot上加载内核，就要编译为uImage的格式，uImage通过mkimage程序来压缩的，ArchLinux的yaourt仓库里可以找到这个包：

$ yaourt -S mkimage

安装好mkimage后，开始编译内核，因为CPU有4核，所以开启了-j8选项以加速编译:

$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- all -j8 uImage 

接下来我们可以在qemu-system-arm中测试我们的内核了

$ qemu-system-arm -M versatilepb -m 128M -kernel ./arch/arm/boot/uImage

在弹出的窗口中可以内核运行到了kernel panic状态，这是因为内核无法加载root镜像的缘故，我们将制作一个最简单的hello world的文件系统，告知kernel运行之。

init.c - init.c

#include <stdio.h>void main() {    printf("Hello World!\n");    while(1);}

编译并制作启动镜像:

$ arm-none-linux-gnueabi-gcc -o init init.c -static$ echo init |cpio -o --format=newc > initramfs1280 blocks$ file initramfs initramfs: ASCII cpio archive (SVR4 with no CRC)

接下来我们回到编译目录下执行：

$ qemu-system-arm -M versatilepb -kernel ./arch/arm/boot/uImage  -initrd../initramfs -serial stdio -append "console=tty1"

这时候可以看到，kernel运行并在Qemu自带的终端里打印出”Hello World!“。

如果我们改变console变量为ttyAMA0, 将在启动qemu-system-arm的本终端上打印出qemu的输出。

 

 

 

用Qemu模拟ARM(2)

1. 关于Bootloader:

(引导程序)位于电脑或其他计算机应用上，是指引导操作系统启动的程序。引导程序启动方式和程序视应用机型种类而不同。例如在普通的个人电脑上，引导程序通常分为两部分：第一阶段引导程序位于主引导记录（MBR），用以引导位于某个分区上的第二阶段引导程序，如NTLDR、GNU GRUB等。

嵌入式系统中常见的Bootloader主要有以下几种:

• Das U-Boot 是一个主要用于嵌入式系统的开机载入程序，可以支持多种不同的计算机系统结构，包括PPC、ARM、AVR32、MIPS、x86、68k、Nios与MicroBlaze。
• vivi是由mizi公司设计为ARM处理器系列设计的一个bootloader.
• Redboot (Red Hat Embedded Debug and Bootstrap)是Red Hat公司开发的一个独立运行在嵌入式系统上的BootLoader程序，是目前比较流行的一个功能、可移植性好的BootLoader。

2. 关于“裸机编程(Bare-Metal)”:

微控制器开发人员很熟悉这个概念， Bare-Metal是指的你的程序和处理器之间没有任何东西——你写的程序将直接运行在处理器上, 换言之，开发人员是在直接操控硬件。在裸机编程的场景中，需要由开发人员检查并排除任何一个可以导致系统崩溃的风险。

“Bare-Metal”要求开发人员了解关于硬件的细节，所以接下来我们将对编译链和qemu本身进行分析。

3. 下载qemu源码包并查询相关硬件信息：

ArchLinux采用ABS(Arch Build System)来管理源码包，下面的步骤将qemu源码包下载到本地，更详细的关于ABS的操作可以在ArchLinux的Wiki中找到

$ pacman -S abs$ pacman -Ss qemuextra/qemu 1.4.2-2 [installed]$ abs extra/qemu $ cp -r /var/abs/extra/qemu/ ~/abs $ cd ~/abs && makepkg -s --asroot -o

得到versatilepb开发板的CPU型号, 可以看到”arm926”是我们要的结果。

$ grep "arm" src/qemu-1.4.2/hw/versatilepb.c #include "arm-misc.h"static struct arm_boot_info versatile_binfo;        args->cpu_model = "arm926";    cpu = cpu_arm_init(args->cpu_model);    cpu_pic = arm_pic_init_cpu(cpu);    arm_load_kernel(cpu, &versatile_binfo);

得到versatilepb开发板的串口寄存器硬件信息：

$ grep "UART*" src/qemu-1.4.2/hw/versatilepb.c     /*  0x10009000 UART3.  */    /*  0x101f1000 UART0.  */    /*  0x101f2000 UART1.  */    /*  0x101f3000 UART2.  */

所以说开源是王道嘛，很快就查到了每一个需要了解的细节。UART0在内存中map到的地址是0x101f1000, 我们直接往这个地址写数据，就可以在终端上看到数据输出了。

4. 查看编译链支持的平台：

$ cat ~/CodeSourcery/Sourcery_CodeBench_Lite_for_ARM_EABI/share/doc/arm-arm-none-eabi/info/gcc.info | grep arm926     `arm926ej-s', `arm940t', `arm9tdmi', `arm10tdmi', `arm1020t',

arm926ej-s是被支持的，因此我们可以用这套编译链来生成需要的裸机调试代码。

5. 启动应用程序init.c的编写:

首先创建应用程序init.c：

init.c - init.c

volatile unsigned char * const UART0_PTR = (unsigned char *)0x0101f1000;void display(const char *string){    while(*string != '\0'){        *UART0_PTR = *string;        string++;    }}int my_init(){    display("Hello Open World\n");}

init.c中，我们首先声明一个volatile变UART0_PTR,volatile关键字用于告知编译器此变量是用于直接访问内存映像设备的，即串口0内存地址

display()函数则是用于将字符串中的字符按顺序输出到串口0, 直到遇到字符串结尾。

my_init()调用了display(), 接下来我们将把它作为C入口函数.

预编译init.c:

$ arm-none-eabi-gcc -c -mcpu=arm926ej-s init.c -o init.o

6. 启动代码start.s编写：

start.s - start.s

.global _Start_Start:LDR sp, = sp_topBL my_initB .

处理器加电后，将跳转到指定的内存地址,从此地址开始读入并执行代码。

_Start被声明为全局函数，_Start的实现中，首先将栈地址指向sp_top, LDR(load), sp是栈地址寄存器(stack pointer),

BL则是跳转指令，跳转到my_init函数，事实上你可以跳转到任何一个你想跳转的函数，临时写一个their_init()跳转过去也行。Debug时常更改这里以调试不同的子系统功能。

“B.”可以理解为汇编里的while(1)或for(;;)循环，处理器空转，什么也不做。如果不调用它，系统就会崩溃。所谓嵌入式编程的一个基本理念就是，代码无限循环。

预编译汇编文件start.s:

$ arm-none-eabi-as -mcpu=arm926ej-s startup.s -o startup.o

7. 接下来我们需要用一个可以被编译器识别的链接脚本链接两文件, linker.ld:

ENTRY(_Start)  SECTIONS  {  . = 0x10000;  startup : { startup.o(.text)}  .data : {*(.data)}  .bss : {*(.bss)}  . = . + 0x500;  sp_top = .;  }

ENTRY(_Start)用于告知链接器程序的入口点(entry point)是_Start(start.s中定义). Qemu模拟器如果加上-kernel选项时，将自动从0x10000开始执行，所以我们必须将代码放到这个地址。所以第四行我们指定”. = 0x10000”. SECTIONS就是用于定义程序的不同部分的。

startup.o组成了代码的text部分，然后是data部分和bss部分，最后一步则定义了栈指针(sp, stack pointer)地址. 栈通常是向下增长的，所以最好给它一个比较安全的地址， . = .+0x500就是用于避免栈被改写的。sp_top用于存储栈顶地址。

有关程序结构：

• BSS段: 在采用段式内存管理的架构中，BSS段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。.bss section的空间结构类似于stack, 主要用于存储静态变量、未显式初始化、在变量使用前由运行时初始化为零。
• 数据段(data segment): 通常是指用来存放程序中已初始化且不为0的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。
• 代码段(code segment/text segment): 通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读,某些架构也允许代码段为可写，即允许程序自修改。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。

编译:

$ arm-none-eabi-ld -T linker.ld init.o startup.o -o output.elf$ file output.elf output.elf: ELF 32-bit LSB  executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV),statically linked, not stripped$  arm-none-eabi-objcopy -O binary output.elf output.bin$ file output.bin output.bin: data

8. 使用qemu-system-arm运行output.bin:

$ qemu-system-arm --help | grep nographic -nographic      disable graphical output and redirect serial I/Os to console.$ qemu-system-arm -M versatilepb -nographic -kernel output.binHello Open World

9. Play more tricks: 改动init.c里的串口输出地址为串口1：

volatile unsigned char * const UART0_PTR = (unsigned char *)0x0101f2000;    // 0x101f1000  --> 0x101f2000

按照步骤3～7里重新编译，并运行以查看结果:

# 没有反应！$ qemu-system-arm -M versatilepb -nographic -kernel output.bin# 终端有输出字符。$ qemu-system-arm -M versatilepb -kernel output.bin -serial vc:800x600 -serial stdioHello Open World

同样你也可以把字符输出到第三个串口，只不过前两个-serial的重定向需要指定到别的设备而已。

 

用Qemu模拟ARM(3)

 

1. 下载并交叉编译u-boot。

新版本的u-boot我加载后总有问题，2009.11版则可以顺利通过编译和测试。

$ wget ftp://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2009.11.tar.bz2$ tar xjvf u-boot-2009.11.tar.bz2 $ cd u-boot-2009.11$ make versatilepb_config arch=ARM CROSS_COMPILE=arm-none-eabi-$ make all arch=ARM CROSS_COMPILE=arm-none-eabi- 

编译完成后会在目录下生成u-boot.bin和u-boot文件。

2. 运行u-boot.bin:

$ qemu-system-arm -M versatilepb -kernel u-boot.bin -nographic

如果采用-nographic来运行qemu-system-arm，终端将无法再响应任何系统输入譬如Ctrl+c/ctrl+d_，要终止qemu-system-arm就只能查到进程号再kill。所以我一般不带-nographic选项，启动后ctrl+alt+2去看serial0输出,保留在终端窗口直接ctrl+c杀死qemu-sytem-arm进程的权力。

3. 用u-boot引导镜像文件:

改动上一篇文章里用于构建启动镜像的linker.ld文件，因为u-boot.bin文件大小的缘故，我们需要把启动镜像的起始地址整体上移.

$ ls -l -h u-boot.bin -rwxr-xr-x 1 dash root 85K Jul  8 15:57 u-boot.bin

linker.ld文件里， 0x100000，这个大小相比于85K显然已经足够。

ENTRY(_Start)SECTIONS{. = 0x100000;startup : { startup.o(.text)}.data : {*(.data)}.bss : {*(.bss)}. = . + 0x500;sp_top = .;}

按上一章的编译方法生成output.bin，不再重述。

使用mkimage工具创建u-boot可识别的image文件：

$ mkimage -A arm -C none -O linux -T kernel -d output.bin -a 0x00100000 -e 0x00100000 output.uimgImage Name:   Created:      Mon Jul  8 16:04:11 2013Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)Data Size:    152 Bytes = 0.15 kB = 0.00 MBLoad Address: 00100000Entry Point:  00100000$ file *.uimgoutput.uimg: u-boot legacy uImage, , Linux/ARM, OS Kernel Image (Not \compressed), 152 bytes, Mon Jul  8 16:04:11 2013, Load Address: 0x00100000,\Entry Point: 0x00100000, Header CRC: 0x3C62F575, Data CRC: 0x69CE9647

将u-boot.bin和output.uimg打包为一个文件：

$ cat u-boot.bin output.uimg >flash.bin

下面这条命令用于计算output.img在使用u-boot加载完flash.bin后在内存中的地址，-kernel选项告诉qemu从0x100000开始加载镜像，即65536。 65536+u-boot.bin后的大小，即output.img在内存中的地址。printf则是用16进制的格式打印出来，以便加载.

$ printf "0x%X" $(expr $(stat -c%s u-boot.bin) + 65536)0x2525C

启动qemu-system-arm并运行自定义镜像:

$ qemu-system-arm -M versatilepb -nographic -kernel flash.bin# iminfo 0x2525c## Checking Image at 0002525c ...   Legacy image found   Image Name:      Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)   Data Size:    152 Bytes =  0.1 kB   Load Address: 00100000   Entry Point:  00100000   Verifying Checksum ... OKVersatilePB # bootm 0x2525c## Booting kernel from Legacy Image at 0002525c ...   Image Name:      Image Type:   ARM Linux Kernel Image (uncompressed)   Data Size:    152 Bytes =  0.1 kB   Load Address: 00100000   Entry Point:  00100000   Loading Kernel Image ... OKOKStarting kernel ...Hello Open World

u-boot可以支持的选项还有很多，包括使用NFS/TFTP启动等等，留待以后慢慢研究。