Ubuntu平台通过QEMU模拟ARM多核CPU教程

Bronming
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1 环境及软件包准备

本教程是在ubuntu系统上进行的模拟，ubuntu系统可以安装在物理机或虚拟机上，考虑性能问题，优先选择物理机安装。本教程ubuntu系统选用软件版本如下表所示：

image.png

在进行模拟之前，需提前将软件包下载并上传至ubuntu目录（可选任意目录，本教程选择/home/xt目录），如下所示：

image.png

2 ubunut 操作系统更换国内源

为了提高下载速度，建议将ubuntu源更换成国内源，本教程选择更换成阿里源。更换步骤如下：

2.1 登录ubuntu后台，并切换成root用户

2.2 依次执行如下指令进行更换

#mv /etc/apt/sources.list /etc/apt/sourses.list.backup　#备份sources.list文件

#vim /etc/apt/sources.list     #新建sources.list文件并添加以下内容　　

deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic main restricted universe multiverse

deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-security main restricted universe multiverse

deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-updates main restricted universe multiverse

deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-proposed main restricted universe multiverse

deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-backports main restricted universe multiverse

deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic main restricted universe multiverse

deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-security main restricted universe multiverse

deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-updates main restricted universe multiverse

deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-proposed main restricted universe multiverse

deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ bionic-backports main restricted universe multiverse

添加截图如下所示

image.png

添加完成后按ESC进入命令模式然后:wq保存退出。

2.3 执行如下指令进行更新

#apt update  #更新源

#apt upgrade  #更新已安装的软件包

3 qemu安装

Qemu是一个开源的托管虚拟机，通过纯软件来实现虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备。本教程使用qemu来模拟aarch64架构的arm平台。

如果ubuntu系统已经安装了qemu，那么需要先参考8.1章节进行qemui卸载。

3.1进入ubuntu后台/home/xt目录下

#cd /home/xt

3.2解压qemu-6.0.0.tar.xz软件包

#tar xvf qemu-6.0.0.tar.xz

3.3进入qemu目录

#cd qemu-6.0.0

3.4执行./configure，报错找不到ninja

image.png

3.4.1 安装ninja

#git clone git://github.com/ninja-build/ninja.git && cd ninja #下载ninja并进入ninja目录

image.png

#./configure.py --bootstrap #执行配置文件，该步骤如果报错，执行如下指令

#apt-get install python

#apt-get install re2c

重新执行# ./configure.py --bootstrapa

#cp -r ninja /usr/bin/

执行如下指令确认ninja安装成功

#ninja --version

image.png

如果报错，执行如下指令

#apt-get install ninja-build

3.4.2 重新执行3.4

如果还报错ERROR: glib-2.48 gthread-2.0 is required to compile QEMU，执行如下指令：

#apt-get install build-essential zlib1g-dev pkg-config libglib2.0-dev binutils-dev libboost-all-dev autoconf libtool libssl-dev libpixman-1-dev libpython-dev python-pip python-capstone virtualenv

3.5 编译qemu（该步骤耗时大约30min）

#make

3.6安装qemu

#make install

3.7 验证qemu安装成功

安装完成之后，命令行输入qemu按tab键会自动补齐则说明安装成功(图下所示查询版本)

image.png

4 安装arm交叉编译器

因为我们是在x86平台上进行编译，而运行的平台是ARM系统，这2个平台的指令集不一样，所以需要交叉编译得到ARM系统上可以执行的程序。本次教程中使用的交叉编译工具为aarch64-linux-gnu-，依次执行如下指令进行交叉编译工具的安装。

4.1 查询当前可安装的版本

#apt-cache search aarch64

4.2 安装gcc交叉编译器

#sudo apt-get install gcc-8-aarch64-linux-gnu

4.3 安装g++交叉编译器

#sudo apt-get install g++-8-aarch64-linux-gnu

4.4安装没有版本号的gcc交叉编译器

#sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu

4.5 安装没有版本号的g++交叉编译器

#sudo apt-get install g++-aarch64-linux-gnu

5 内核配置及编译

内核kernel的作用也是不言而喻的，就相当于我们的Windows操作系统，没有这个操作系统，硬件就是一堆废铁。当系统启动的时候，会把内核加载到内存中，然后从内核的入口地址开始执行。

依次执行如下步骤进行内核的配置及编译。

5.1进入ubuntu后台/home/xt目录下

#cd /home/xt

5.2解压linux-5.12.9.tar.xz软件包

#tar xvf linux-5.12.9.tar.xz

5.3进入linux目录

#cd linux-5.12.9

5.4 执行如下指令进行内核配置

#export ARCH=arm64

#export CROSS_CONMPILE=aarch64-linux-gnu-

#make defconfig

#make menuconfig  #如果该步报错，执行

#apt-get install libncurses* flex bison

重新执行make menuconfig，出现如下图所示界面

image.png

依次进行如下两项配置。

选择 “General setup ”，将“Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support”选中；

选择“Device Drivers”-“Block devices”，将RAM block device support选中，并设置Default RAM disk size (kbytes)为合适的大小（不小于文件系统镜像大大小）。

image.png

image.png

5.5 生成内核镜像（此步耗时大约30min）

#make Image

镜像编译成功后如图所示，编译得到内核文件arch/arm64/boot/Image，qemu启动时需要指定使用这个映像文件。

image.png

6 制作根文件系统

内核在启动之后、执行到最后步骤时，需要挂载根文件系统，然后执行文件系统中指定的执行程序。

6.1进入ubuntu后台/home/xt目录下

#cd /home/xt

6.2解压busybox-1.25.0.tar.bz2软件包

#tar xjvf busybox-1.25.0.tar.bz2

6.3进入busybox目录

#cd busybox-1.25.0

6.4 执行如下指令配置编译环境

#make defconfig

#make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

#make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- install

6.5 在/home/xt/下制作rootfs根目录

#cd /home/xt 

#mkdir rootfs   #创建rootfs文件夹

#cd rootfs    #进入rootfs目录

#mkdir lib dev proc etc  #创建lib dev proc etc文件夹

#cp busybox-1.25.0/_install/* -r rootfs/ #将_install文件夹下生成的命令文件等拷贝到rootfs文件夹下

#cp -P /usr/aarch64-linux-gnu/lib/* rootfs/lib/  #从工具链中复制运行库到lib目录下（首先创建lib目录）

#cp -r busybox-1.25.0/examples/bootfloppy/etc/* rootfs/etc/

修改文件rootfs/etc/init.d/rcS(增加mount -t proc proc /proc)

#vim rootfs/etc/init.d/rcS

image.png

进入rootfs目录

#cd /home/xt/rootfs

创建4个tty终端设备（c代表字符设备，4是主设备号，1~4分别是次设备号）

#mknod dev/tty1 c 4 1

#mknod dev/tty2 c 4 2

#mknod dev/tty3 c 4 3

#mknod dev/tty4 c 4 4

创建终端和回收站

#mknod console c 5 1

#mknod null c 1 3

6.6 执行如下指令生成SD卡镜像

#dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32  #创建一个大小为32M的文件rootfs.ext3

#mkfs.ext3 rootfs.ext3 #格式化生成的ext3文件系统

#mkdir tmpfs  #创建tmpfs文件夹

#mount -t ext3 rootfs.ext3 tmpfs/ -o loop   #挂载

#cp -r rootfs/* tmpfs/   #复制

#umount tmpfs   #卸载

7 qemu启动及测试示例

根据测试目标的不同，分为如下两种测试方法。7.1适合不关注应用底层，只需要在os上层测试的应用程序；7.2适合在裸机（cpu）上进行测试的程序。

7.1 linux内核下应用程序测试

7.1.1 执行如下指令进行qemu启动arm虚拟机

#qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a72 -nographic -m 1024 -smp 2 -kernel linux-5.12.9/arch/arm64/boot/Image -initrd rootfs.ext3 -append "root=/dev/ram0 rdinit=/linuxrc console=ttyAMA0"

image.png

运行成功截图如下所示:

image.png

7.1.2 简单测试hello-world应用程序

a. 在Ubuntu任意一个目录（本教程为/home/xt），编写HelloWorld可执行程序hello.c：

#include <stdio.h>

int main()

{

printf("HelloWorld! \n");

return 0;

}

b. 交叉编译hello.c，得到可执行程序hello：

#aarch64-linux-gnu-gcc hello.c -o hello

c. 把hello可执行程序复制到磁盘镜像rootfs.ext3中

#mount -o loop rootfs.ext3 tmpfs/   #挂载

#cp myhello tmpfs/  #复制

#umount tmpfs  #卸载

d. 执行hello程序

再次执行7.1步骤启动虚拟机，此时可以在根目录下面看到myhello文件，直接执行即可看到输出结果。

image.png

7.1.3 测试程序示例

将xt_dhry_os上传到ubuntu任意目录

#unzip xt_dhry_os  #解压

#cd xt_dhry_os   #进入xt_dhry_os目录

#make clean   #清除之前的编译结果

#make   #编译

#./run    #启动arm虚拟机

运行截图如下所示（截图只显示一部分）

image.png

进入arm虚拟机之后，执行

#./dhry

执行结果如下所示（截图只显示一部分）

image.png

退出qemu模拟程序：先按Ctrl+A，再按X。

7.2 裸机测试程序

将如下xt_hello文件夹上传到ubuntu任意目录

#unzip xt_hello  #解压

#cd xt_hello  #进入xt_hello目录

#make clean   #清除之前的编译结果

#make   #编译

#./run   #启动测试程序

运行截图如下所示

image.png

退出qemu模拟程序：先按Ctrl+A，再按X。

8 地址映射

请参考文件：xx(目录)/qemu-6.0.0/hw/arm/virt.c，部分内容如下所示。

image.png

如果需要测试源码，联系我：982833950@qq.com

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