用Qemu模拟vexpress-a9 （一） --- 搭建Linux kernel调试环境 Linux, 读者, 开发

yuyang911220

环境介绍：
Win7 64 + Vmware 11 + ubuntu14.04 32
u-boot 版本：u-boot-2015-04
Linux kernel版本：linux-3.16.y
busybox版本：1_24_stable
交叉编译工具链：arm-linux-gnueabi-
qemu版本：stable-2.4
  
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下载Linux内核
下载内核有两种方法，一种是用git直接下载内核代码树，方便后面的内核开发。另一种是直接到内核社区下载对应版本的源码包。我采用第一种方法，但后面发现 主线上3.18版本和后面版本的代码，使用这种搭建方法运行不起来。目前未查明问题的根因。如果读者想快速搭建成功，建议选用3.16版本的内核进行搭建。（这个刚开始我用的是linux-4.4版本的内核，用qemu-system-arm无法运行，然后我就改用linux-3.16的内核了）

方法一：使用git
git clonegit://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git
  
方法二：直接下载3.16源代码包
wget https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v3.x/linux-3.16.tar.xz

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安装arm的交叉编译工具链
想必做嵌入式开发的朋友，对交叉编译工具链不陌生。如果你订制一个交叉编译工具链，建议你使用crosstool-ng开源软件来构建。但在这里建议直接安装arm的交叉编译工具链：
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
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编译Linux内核
生成vexpress开发板子的config文件：
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm O=./out_vexpress_3_16  vexpress_defconfig

然后执行如下命令：
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm O=./out_vexpress_3_16 menuconfig

将：
System Type  --->
    [ ] Enable the L2x0 outer cache controller
即， 把 Enable the L2x0 outer cache controller 取消， 否则Qemu会起不来， 暂时还不知道为什么。

编译：
make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm O=./out_vexpress_3_16 zImage -j2
生成的内核镱像位于./out_vexpress_3_16/arch/arm/boot/zImage， 后续qemu启动时需要使用该镜像。
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下载和安装qemu模拟器
下载qemu，我用的版本是2.4版本，可以用如下方式下载，然后checkout到2.4分支上即可
git clone git://git.qemu-project.org/qemu.git
cd qemu
git checkout remotes/origin/stable-2.4 -b stable-2.4
配置qemu前，需要安装几个软件包：
sudo apt-get install zlib1g-dev
sudo apt-get install libglib2.0-0
sudo apt-get install libglib2.0-dev
sudo apt-get install libtool
sudo apt-get install libsdl1.2-dev
sudo apt-get install autoconf


配置qemu，支持模拟arm架构下的所有单板，我为了使qemu的代码干净一些，采用如下方式编译，最后生成的中间文件都在build下
mkdir build
cd build
../qemu/configure --target-list=arm-softmmu --audio-drv-list=

编译和安装：
make
make install
查看qemu支持哪些板子
qemu-system-arm -M help
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测试qemu和内核能否运行成功
qemu已经安装好了，内核也编译成功了，到这里最好是测试一下，编译出来的内核是否OK，或者qemu对vexpress单板支持是否够友好。
运行命令很简单：
qemu-system-arm \
    -M vexpress-a9 \
    -m 512M \
    -kernel /root/tq2440_work/kernel/linux-stable/out_vexpress_3_16/arch/arm/boot/zImage \
    -nographic \
    -append "console=ttyAMA0"
可以把上面的命令放到一个脚本中执行。
  如果看到内核启动过程中的打印，说明前的搭建是成功的。
Booting Linux on physical CPU 0x0
Initializing cgroup subsys cpuset
Linux version 3.16.7 (root@ubuntu) (gcc version 4.7.3 (Ubuntu/Linaro 4.7.3-12ubuntu1) ) #5 SMP Sat Dec 5 21:17:17 PST 2015
CPU: ARMv7 Processor [410fc090] revision 0 (ARMv7), cr=10c53c7d
CPU: PIPT / VIPT nonaliasing data cache, VIPT nonaliasing instruction cache
Machine: ARM-Versatile Express
Memory policy: Data cache writeback
CPU: All CPU(s) started in SVC mode.
sched_clock: 32 bits at 24MHz, resolution 41ns, wraps every 178956969942ns
PERCPU: Embedded 7 pages/cpu @9fbed000 s7552 r8192 d12928 u32768
Built 1 zonelists in Zone order, mobility grouping on.  Total pages: 130048
Kernel command line: console=ttyAMA0
PID hash table entries: 2048 (order: 1, 8192 bytes)
Dentry cache hash table entries: 65536 (order: 6, 262144 bytes)
Inode-cache hash table entries: 32768 (order: 5, 131072 bytes)
Memory: 513272K/524288K available (4563K kernel code, 190K rwdata, 1292K rodata, 239K init, 149K bss, 11016K reserved)
Virtual kernel memory layout:
......
VFS: Cannot open root device "(null)" or unknown-block(0,0): error -6
Please append a correct "root=" boot option; here are the available partitions:
1f00          131072 mtdblock0  (driver?)
Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0)
CPU: 0 PID: 1 Comm: swapper/0 Not tainted 3.16.7 #5
[<8001507c>] (unwind_backtrace) from [<800115d4>] (show_stack+0x10/0x14)
[<800115d4>] (show_stack) from [<8044f9c8>] (dump_stack+0x74/0x90)
[<8044f9c8>] (dump_stack) from [<8044ce08>] (panic+0x90/0x1fc)
[<8044ce08>] (panic) from [<805c210c>] (mount_block_root+0x1a0/0x254)
[<805c210c>] (mount_block_root) from [<805c22b4>] (mount_root+0xf4/0x114)
[<805c22b4>] (mount_root) from [<805c2400>] (prepare_namespace+0x12c/0x190)
[<805c2400>] (prepare_namespace) from [<805c1d8c>] (kernel_init_freeable+0x1f4/0x240)
[<805c1d8c>] (kernel_init_freeable) from [<8044adb8>] (kernel_init+0x8/0xec)
[<8044adb8>] (kernel_init) from [<8000e4b8>] (ret_from_fork+0x14/0x3c)
---[ end Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0)

这里简单介绍下qemu命令的参数：
-M vexpress-a9 模拟vexpress-a9单板，你可以使用-M ?参数来获取该qemu版本支持的所有单板
-m 512M 单板运行物理内存512M
-kernel /root/tq2440_work/kernel/linux-stable/out_vexpress_3_16/arch/arm/boot/zImage  告诉qemu单板运行内核镜像路径
-nographic 不使用图形化界面，只使用串口
-append "console=ttyAMA0" 内核启动参数，这里告诉内核vexpress单板运行，串口设备是哪个tty。

注意：
我每次搭建，都忘了内核启动参数中的console=参数应该填上哪个tty，因为不同单板串口驱动类型不尽相同，创建的tty设备名当然也是不相同的。那 vexpress单板的tty设备名是哪个呢？ 其实这个值可以从生成的.config文件CONFIG_CONSOLE宏找到。
如果搭建其它单板，需要注意内核启动参数的console=参数值，同样地，可从生成的.config文件中找到。

此时只能通过杀死qemu-system-arm这个进程来退出，我简单写了一个脚本来完成这个任务 kill_qemu.sh
#!/bin/bash
ps -A | grep qemu-system-arm | awk '{print $1}' | xargs sudo kill -9
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制作根文件系统
到这里是否大功告成了呢？ 其实在上面的测试中，你会发现内核报panic，因为内核找不到根文件系统，无法启init进程。
根文件系统要考虑两个方面：
1. 根文件系统的内容
    如果你看过《Linux From Scratch》，相信你会对这一步产生恐惧感，但如果一直从事嵌入式开发，就可以放下心来。根文件系统就是简单得不能再简单的几个命令集和态动态而已。为什么Linux From Scratch会有那么复杂，是因为它要制作出一个Linux发生版。但在嵌入式领域，几乎所有的东西，都是mini版本，根文件系统也不例外。
   本文制本的根文件系统 = busybox(包含基础的Linux命令)  + 运行库 + 几个字符设备