前言

為什么需要ARM模擬系統

Qemu是什么？

Qemu的兩種模式

Qemu 能做什么？或者說適合做什么？

在 Ubuntu16．04 系統中，利用 Qemu 搭建一個ARM虛擬機

測試HelloWorld應用程序

總結

軟件下載地址

前言

前一段時間因為工作需要，我對ARM模擬器進行了一番調研。調研目的是：由于項目參與人員比較多，如果人手一塊ARM開發板，資源比較緊張，希望能夠用模擬器來代替。

在調研期間，花費了很多時間去查資料、測試驗證。在實際驗證的時候，發現一個現象：很多文章雖然給出了或簡單、或詳細的操作步驟，但是大部分都沒有寫清楚操作的背景、各個軟件的版本，這就導致需要把整個文章看完了、把所有的操作步驟都做了一遍，才明白作者想表達的是什么意思，操作的目的是什么。

我覺得，任何一篇文章，首先要讓讀者知道為什么要讀這篇文章，或者說讀了這篇文章能夠有什么收獲。

如果是操作性比較強的文章，那么就有必要交代清楚工作平臺的背景是什么，要達到的目的是什么，總體步驟是怎么樣的。只有這樣，閱讀文章的人在心中首先建立一個宏觀的框架，在理解框架的基礎上，再去實際操作，這樣的話就更容易理解。

當然了，每個人的學習和閱讀習慣都不一樣，上面只是我個人的感受，或者說我喜歡這樣比較有條理的文章，這樣才不至于迷茫。

回到Qemu的主題上來，這篇文章主要是把調研的結果進行梳理、匯總，包括如下內容：

為什么需要ARM模擬系統？
Qemu是什么？
Qemu 能做什么？或者說適合做什么？
在 Ubuntu16．04 系統中，利用 Qemu 搭建一個ARM虛擬機操作步驟是什么？
編寫一個HelloWorld程序，放到虛擬機中執行。

為什么需要ARM模擬系統

ARM平臺的軟件開發工作，可以劃分為2類：

應用程序的開發
系統開發（內核、文件系統、驅動程序）

應用程序的開發

我們在開發嵌入式項目的時候，一般都是先在x86平臺上把大部分的功能開發完成，然后再交叉編譯，得到在ARM平臺的可執行程序或者庫文件。再通過scp指令或者NFS遠程掛載的方式，把這些文件復制到ARM板子上之后執行。

一般而言，應用程序就是利用硬件產品的各種資源、外設，來完成特定的功能，比如：數據采集、控制外部設備、網絡傳輸等等。主要的特征就是與外部的各種設備進行交互。

系統開發（BSP）

系統開發的最終目的是：為應用程序的執行準備一個基本的執行環境，內容包括：系統引導程序bootloader，內核kernel，文件系統rootfs，系統中所有設備的驅動程序。在實際的項目開發中，系統開發難度更大一些，一旦開發完成，對于一塊板子來說基本上不會輕易變動，代碼的使用生命周期更長。

以上這兩種分類，主要是從開發工作的內容角度來進行劃分的。可以看出：

應用程序開發：靈活性更大、需求變動會更多（產品經理或項目經理經常給你改需求）。
系統軟件開發：需求更穩定、很多代碼都是官方提供或者開源的，工作內容就是進行定制、裁剪。

對于系統軟件開發來說，如果每次編譯出一個bootloader、或者kernel，都上一個ARM開發板進行驗證，的確比較麻煩。如果能有一個ARM模擬系統，直接在x86上進行模擬，工作效率就會提高很多。

Qemu是什么？

Qemu是一個開源的托管虛擬機，通過純軟件來實現虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設備。比如：Qemu可以模擬出一個ARM系統中的：CPU、內存、IO設備等，然后在這個模擬層之上，可以跑一臺ARM虛擬機，這個ARM虛擬機認為自己在和硬件進行打交道，但實際上這些硬件都是Qemu模擬出來的。

正因為Qemu是純軟件實現的，所有的指令都要經過它的轉換，所以性能非常低。所以在生產環境中，大多數的做法都是配合KVM來完成虛擬化工作，因為KVM是硬件輔助的虛擬化技術，主要負責比較繁瑣的CPU和內存虛擬化，而Qemu則負責I／O虛擬化，兩者合作各自發揮自身的優勢，相得益彰。這部分不是重點，就不具體深入介紹了。

Qemu的兩種模式

Qemu有兩種執行模式：

用戶模式（User mode）：利用動態代碼翻譯機制來執行不同主機架構的代碼，例如：在x86平臺上模擬執行ARM代碼，也就是說：我們寫一條ARM指令，傳入整個模擬器中，模擬器會把整個指令翻譯成x86平臺的指令，然后在x86的CPU中執行。

系統模式（System mode）：模擬整個電腦系統，利用其它VMM（Xen， KVM）來使用硬件提供的虛擬化支持，創建接近于主機性能的全功能虛擬機。

Qemu 能做什么？或者說適合做什么？

因為Qemu是使用純軟件模擬的，它的強項是模擬那些不涉及到外部的具體硬件設備的場景，比如：

想學習如何定制bootloader；
想在Arm系統中進行文件系統的裁剪，學習文件系統的掛載過程；
想體驗一下如何配置、裁剪linux kernel；想學習Linux系統中的設備樹；
．．．

以上這些場景中，都非常適合使用Qemu來模擬ARM系統。

在 Ubuntu16．04 系統中，利用 Qemu 搭建一個ARM虛擬機 使用Qemu虛擬機的幾種選擇

利用Qemu來運行ARM虛擬機，你有2個選擇：

簡單方式：直接下載別人編譯好的映像文件（包含了內核，根文件系統），直接執行即可。
缺點是：別人編譯好的也許不適合你的需求，沒法定制。復雜方式：自己下載內核代碼、根文件系統代碼（例如：busybox），然后進行編譯。
優點是：可以按照自己的實際需求，對內核、根文件系統機型裁剪。

在第2種復雜模式中，又可以有2個選擇：

2－1． 內核代碼、根文件系統代碼全部自己手動編譯，最后把這些編譯結果手動組織在一個文件夾中，形成自己的根目錄；
2－2． 利用 buildroot 整個框架，只需要手動進行配置（比如：交叉編譯器在本機上的位置、輸出路徑、系統的裁剪），然后就可以一鍵編譯出一個完整的系統，可以直接燒寫到機器！

以上這幾種操作方式的選擇，可以根據自己的實際需要來選擇。如果對構建系統的整個流程已經非常熟悉了，就利用buildroot工具；如果是想更徹底的學習制作一個系統，那就手動一步一步的實際編譯、操作一遍，多練幾次，你就變成大牛了。

下面，我們就按照2－2的方式，進行實際操作一遍。所有的指令部分，我都直接貼代碼，不用截圖，這樣方便復制。

測試平臺

我的工作電腦是Win10，通過VirtualBox安裝了Ubuntu16．04虛擬機，64位系統。

下面的操作在Ubuntu16．04虛擬機中可以順利編譯，當然，一些基本的工具（例如：build－essential， make等基礎工具軟件這里就不詳述了）。

安裝交叉編譯器

交叉編譯器的作用就不需要詳細解釋了，因為我們是在x86平臺上進行編譯，而運行的平臺是ARM系統，這2個平臺的指令集不一樣，所以需要交叉編譯得到ARM系統上可以執行的程序。

sudo apt－get install gcc－arm－linux－gnueabi

驗證安裝結果

dpkg －l gcc－arm－linux－gnueabi

顯示如下：

有些文章建議自己下載交叉編譯器，然后手動設置環境變量。我實際操作了一下，手動下載的交叉編譯工具鏈在編譯內核的時候報錯，所以還是建議直接用apt－get直接安裝。

編譯內核kernel

內核kernel的作用也是不言而喻的，就相當于我們的Windows操作系統，沒有這個操作系統，硬件就是一堆廢鐵。當系統啟動的時候，會把內核加載到內存中，然后從內核的入口地址開始執行。

下載內核版本：linux－4．14．212．tar。在文末，我會列出所有的軟件包下載地址。

使用現成的vexpress開發板子的config文件

make CROSS＿COMPILE＝arm－linux－gnueabi－ ARCH＝arm vexpress＿defconfig

這個操作，會把vexpress＿defconfig作為配置文件保存為．config，下面在編譯內核時就根據這個config中的配置進行編譯。

如果需要對內核進行裁剪，執行：

make menuconfig

根據自己的實際需要，對內核進行定制。比如：可以配置網絡和NFS，在系統啟動的時候就自動掛載宿主機中的某個目錄。

編譯內核make CROSS＿COMPILE＝arm－linux－gnueabi－ ARCH＝arm

編譯得到內核文件arch／arm／boot／zImage，Qemu啟動時需要指定使用這個映像文件。

制作根文件系統

內核在啟動之后、執行到最后步驟時，需要掛載根文件系統，然后執行文件系統中指定的執行程序，例如：／etc／rc．local。

如果沒有跟文件系統，那么內核在執行到最后就提示：panic．．．。

下載busybox

版本：busybox－1．20．2．tar．bz2。

創建rootfs根目錄

mkdir －p rootfs／｛dev，etc／init．d，lib｝
把busybox－1．20．2中的文件復制到rootfs根目錄下，主要是一些基本的命令cp busybox－1．20．2／＿install －r rootfs／
把交叉編譯工具鏈中的庫文件復制到rootfs根目錄的lib文件夾下sudo cp －P ／usr／arm－linux－gnueabi／lib rootfs／lib／
制作根文件系統鏡像根文件系統鏡像就相當于一個硬盤，就是把上面rootfs根目錄中的所有文件復制到這個硬盤中。

（1） 生成512M大小的磁盤鏡像

qemu－img create －f raw disk．img 512M

（2） 把磁盤鏡像格式化成ext4文件系統

mkfs －t ext4 ．／disk．img

（3） 將rootfs根目錄中的所有文件復制到磁盤鏡像中操作步驟是：創建掛載點－掛載－復制文件－卸載。

mkdir tmpfs sudo mount －o loop ．／disk．img tmpfs／  sudo cp －r rootfs tmpfs／sudo umount tmpfs

（4） 使用file指令檢查一下

file disk．img

利用Qemu啟動ARM虛擬機

1．啟動虛擬機

這個命令有點長，測試時建議直接復制、粘貼。

qemu－system－arm －M vexpress－a9 －m 512M －kernel ．／linux－4．14．212／arch／arm／boot／zImage －dtb  ．／linux－4．14．212／arch／arm／boot／dts／vexpress－v2p－ca9．dtb －nographic －append ＂root＝／dev／mmcblk0 rw console＝ttyAMA0＂ －sd disk．img

2．停止虛擬機在Ubuntu另一個終端窗口中，通過killall指令來停止。

killall qemu－system－arm

當然，也可以用ps指令找到qemu－system－arm的進程號，然后通過kill －9來停止虛擬機。

測試HelloWorld應用程序 在Ubuntu任意一個目錄，編寫HelloWorld可執行程序hello．c：＃include ＜stdio．h＞ int main（） ｛         printf（＂HelloWorld！ ＂）；    return 0； ｝
交叉編譯hello．c，得到可執行程序hello：arm－linux－gnueabi－gcc hello．c －o hello

通過file指令，查看一下hello程序：

file hello

通過kill命令停止虛擬機。

把hello可執行程序復制到磁盤鏡像disk．img中操作步驟是：掛載－復制文件－卸載。

sudo mount －o loop ．／disk．img tmpfs／  cp hello tmpfs／ sudo umount tmpfs
執行hello程序再次啟動虛擬機，此時可以在根目錄下面看到hello文件，直接執行即可看到輸出結果。總結

在以上的操作步驟中，我們把一個ARM系統在啟動應用程序之前，所需要的程序都手動編譯、操作了一遍。看一遍很容易就明白，親手操作一遍印象會更深刻。

這里的操作過程有些還需要繼續深入，比如：在系統啟動之后，自動掛載宿主機（Ubuntu系統）中的某個文件夾，這樣就可以把hello等可執行程序復制到掛載目錄中，然后在ARM系統中直接執行了，而不用再執行下面在一連串的操作（停止虛擬機－掛載磁盤鏡像－復制文件－卸載－啟動虛擬機）。

最后，希望這篇總結能給你帶來小小的收獲和提升！