安装Linux系统和QEMU

工欲善其事必先利其器，搭建一个良好的开发环境是进行开发的基础，可以少出很多bug

1. 需要准备一个Linux系统的环境，可以用虚拟机搭建，网上有很多文章讲这个，就不赘述了。正点原子提供了开源的虚拟机和系统镜像的资料和搭建教程，完全开源的，请自取：正点原子资料
2. 本文使用笔记本电脑装的Linux双系统作为开发环境，读者如果要安装双系统，可以查找自己电脑型号对应的双系统安装教程，也比较繁杂，但是之后就是在真正的Linux里搞开发，不存在虚拟机里莫名其妙的问题。

在实践过程中发现用虚拟机会出现挺多问题，比如虚拟机网络问题导致不能安装一些库、虚拟机导致电脑蓝屏、虚拟机卡慢等等问题

平台信息：

Ubuntu版本：22.04
gcc版本： 11.4.0
主机linux内核版本： 6.5.0-15-generic
所构建的Linux内核版本：6.6.16

Linux系统安装好了之后安装qemu，在命令行输入：

sudo apt-get install qemu
sudo apt-get install qemu-system

编译Linux内核

首先编译Linux内核，我们构建Linux内核需要编译后产生的内核镜像zImage和对应的设备树文件

• 内核下载地址如下，官方网站可能下载比较慢，下载6.6.16版本的内核：
  内核下载官方网站
  内核下载镜像网站

• 下载后解压，进入cd进入内核文件夹linux-6.6.16

• 配置内核，输入一下命令：

  export ARCH=arm
  export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
  make vexpress_defconfig
  make menuconfig
  

  弹出的界面不设置，按两次esc退出，

  1. Uboot和Linux内核移植需要根据你的板卡选择相应的默认配置信息/boot/configs，我们选择Vexpress-A9开发板的配置信息。
  2. export命令：用于显示或设置环境变量，但是效果仅限于当前登录的终端，这样我们不用每次make都指定参数了
  3. vexpress_defconfig：是ARM Versatile Express开发板的内核默认配置文件，文件夹里有很多厂家板子的默认配置文件，放在arch/arm/configs

• 接下来，我们编译内核镜像文件和设备树文件，时间有一点久，耐心等待：

  make bzImage
  make dtbs
  

  编译结果注意zImage的地址和设备树的地址，后续会用到

  make bzImage 的结果如下：
  0BJCopy arch/arm/boot/zImage
  Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready
  make dtbs 的结果如下：
  DTC		arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca5s.dtb
  DTC		arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca9.dtb
  DTC		arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca15-tc1.dtb
  DTC		arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca15 a7.dtb
  

  可以看到，Linux内核镜像文件zInage保存在arch/arm/boot/zImage，设备树文件：vexpress-v2p-ca9.dtb(在arch/arm/boot/dts/文件夹下)

• 在内核文件夹里，运行qemu：

  qemu-system-arm -M vexpress-a9 -smp 4 -m 256M -kernel arch/arm/boot/zImage -append "console=ttyAMA0" -dtb arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic
  

  输出信息出现Booting Linux on physical CPU 0x0，说明成功进入内核了，我们编译的内核和设备树没问题，但是我们没有构建和指定根文件系统，所以内核会崩溃显示---[ end Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0) ]---

• QEMU中，输入ctrl+a再输入x，退出QEMU，准备构建根文件系统

构建根文件系统（BusyBox）

使用BusyBox来构建根文件系统，根文件系统的根目录和子目录中会有很多Linux 运行所必须的文件，比如库、常用的软件和命令、设备文件、配置文件等等，BusyBox 就集成了这些大量的 Linux 命令和工具

• 博主下载的版本是1.36.1，下载网站：busybox下载
• 解压，cd进入busybox，对busybox进行配置，使用默认配置defconfig

  make defconfig
  make menuconfig
  

  跳出的界面里配置静态编译：Setting->Build static binary，点空格把它选上，然后Esc退出
• 编译根文件系统：

  mkdir /home/rootfs
  make
  make install CONFIG_PREFIX=/home/rootfs 
  

  设置CONFIG_PREFIX参数，将编译结果指定存放在根文件系统目录下

• 接下来需要完善根文件系统

  • 创建etc,dev,mnt,sys,tmp,proc,root,lib等目录，安装动态链接库

    mkdir etc,dev,mnt,sys,tmp,proc,root
    sudo cp -d /usr/arm-linux-gnueabi/lib/*.so* ./lib
    

  • 创建设备节点

    cd dev/
    sudo mknod -m 666 console c 5 1
    sudo mknod -m 666 null c 1 3
    sudo mknod -m 666 dev/tty1 c 4 1
    sudo mknod -m 666 dev/tty2 c 4 2
    sudo mknod -m 666 dev/tty3 c 4 3
    sudo mknod -m 666 dev/tty4 c 4 4
    

  • 创建并写入三个配置文件/etc/init.d/rcS，/etc/fstab，/etc/inittab，其内容分别为：

    1. /etc/init.d/rcS: shell 脚本, 规定Linux 内核启动以后启动哪些文件的脚本，该文件一定要给与可执行权限！！！
    2. /etc/fstab：Linux 开机以后自动配置哪些需要自动挂载的分区
    3. /etc/inittab：内核初始化的init 程序会读取/etc/inittab这个文件，inittab 由若干条指令组成
       三个文件的写法以及环境变量配置参考这篇文章：WSL2下Ubuntu22.04使用Qemu搭建虚拟Vexpress-A9开发板（三）——挂载根文件系统

    /etc/init.d/rcS：

    #!/bin/sh
    PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
    export LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib
    /bin/mount -n -t ramfs ramfs /var
    /bin/mount -n -t ramfs ramfs /tmp
    /bin/mount -n -t sysfs none /sys
    /bin/mount -n -t ramfs none /dev
    /bin/mkdir /var/tmp
    /bin/mkdir /var/modules
    /bin/mkdir /var/run
    /bin/mkdir /var/log
    /bin/mkdir -p /dev/pts
    /bin/mkdir -p /dev/shm
    /sbin/mdev -s
    /bin/mount -a
    echo "-----------------------------------"
    echo "*****welcome to vexpress board*****"
    echo "-----------------------------------"
    

    /etc/fstab：

    proc    /proc           proc    defaults        0       0
    none    /dev/pts        devpts  mode=0622       0       0
    mdev    /dev            ramfs   defaults        0       0
    sysfs   /sys            sysfs   defaults        0       0
    tmpfs   /dev/shm        tmpfs   defaults        0       0
    tmpfs   /dev            tmpfs   defaults        0       0
    tmpfs   /mnt            tmpfs   defaults        0       0
    var     /dev            tmpfs   defaults        0       0
    ramfs   /dev            ramfs   defaults        0       0
    

    /etc/inittab:

    ::sysinit:/etc/init.d/rcS 
    ::askfirst:-/bin/sh
    ::restart:/sbin/init 
    ::ctrlaltdel:/sbin/reboot
    ::shutdown:/bin/umount -a -r
    

  写了shell脚本自动完成本节完善根文件系统的工作，自取，切换到/home/rootfs目录下执行：完善根文件系统的shell脚本

创建根文件系统镜像，SD挂载

• 在根文件系统目录下执行下列命令，创建根文件系统镜像

  cd /home
  sudo qemu-img create -f raw linux.img 256M
  sudo mkfs -t ext4 ./linux.img
  
  sudo mkdir tmpfs
  sudo mount -o loop ./linux.img tmpfs/
  sudo cp -r rootfs/* tmpfs/
  sudo umount tmpfs 
  sudo rm -r tmpfs
  file linux.img
  

  根文件系统镜像创建成功显示：linux.img: Linux rev 1.0 ext4 filesystem data, UUID=c0f6a2f3-b70e-480f-8726-3c2d66ce9120 (extents) (64bit) (large files) (huge files)

• 把编译出的内核镜像zImage和设备树文件拷贝到/home，运行QEMU：

  sudo qemu-system-arm \
  		-M vexpress-a9 \
          -m 256M \
          -kernel ./zImage \
          -dtb ./vexpress-v2p-ca9.dtb \
          -nographic \
          -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" \
          -sd linux.img
  

  注意：-append选项的参数，我们从sd卡启动，root所指定的位置是/dev/mmcblk0 就是sd卡设备挂载的目录, rw 表示根文件系统是可以读写的，console 用来设置 linux 终端，表示通过什么设备来和 Linux 交互，设置 console = ttyAMA0，因为 linux启动以后板卡的串口 1 挂载在 linux 下的设备文件就是/dev/ttyAMA0

• 构建内核成功！可以在QEMU模拟的arm开发板中输入linux指令了
  

总结

1. 编译内核的时候要注意选择对应板卡的内核配置信息
2. Linux内核的构建需要三个文件，编译Linux内核得到的内核镜像文件zImage和设备树文件以及根文件系统镜像文件
3. Linux启动还需要设置一些参数,比如root，console等等，qemu用-append选项设置
4. 对真实板卡构建Linux内核先要构建uboot，这个实验没有构建uboot也能运行内核是因为使用qemu直接将内核镜像装载在了内存里
5. 直接用qemu运行内核跟利用uboot运行内核的不同之处：
   1. 在uboot中，Linux启动需要配置的参数(root, console…)是通过设置bootargs环境变量配置的，
   2. 利用uboot构建内核的时候涉及nfs或者tftp网络的使用，利用网络将zImage和设备树文件传到uboot，然后通过网络挂载根文件系统。
6. uboot构建过程跟Linux内核的构建差不多