一文教你如何在x86平台用Qemu来模拟ARM系统

    前言
    为什么需要ARM模拟系统
    Qemu是什么？
    Qemu的两种模式
    Qemu 能做什么？或者说适合做什么？
    在 Ubuntu16．04 系统中，利用 Qemu 搭建一个ARM虚拟机
    测试HelloWorld应用程序
    总结
    软件下载地址
    前言
    前一段时间因为工作需要，我对ARM模拟器进行了一番调研。调研目的是：由于项目参与人员比较多，如果人手一块ARM开发板，资源比较紧张，希望能够用模拟器来代替。
    在调研期间，花费了很多时间去查资料、测试验证。在实际验证的时候，发现一个现象：很多文章虽然给出了或简单、或详细的操作步骤，但是大部分都没有写清楚操作的背景、各个软件的版本，这就导致需要把整个文章看完了、把所有的操作步骤都做了一遍，才明白作者想表达的是什么意思，操作的目的是什么。
    我觉得，任何一篇文章，首先要让读者知道为什么要读这篇文章，或者说读了这篇文章能够有什么收获。
    如果是操作性比较强的文章，那么就有必要交代清楚工作平台的背景是什么，要达到的目的是什么，总体步骤是怎么样的。只有这样，阅读文章的人在心中首先建立一个宏观的框架，在理解框架的基础上，再去实际操作，这样的话就更容易理解。
    当然了，每个人的学习和阅读习惯都不一样，上面只是我个人的感受，或者说我喜欢这样比较有条理的文章，这样才不至于迷茫。
    回到Qemu的主题上来，这篇文章主要是把调研的结果进行梳理、汇总，包括如下内容：
    为什么需要ARM模拟系统？
    Qemu是什么？
    Qemu 能做什么？或者说适合做什么？
    在 Ubuntu16．04 系统中，利用 Qemu 搭建一个ARM虚拟机操作步骤是什么？
    编写一个HelloWorld程序，放到虚拟机中执行。
    为什么需要ARM模拟系统
    ARM平台的软件开发工作，可以划分为2类：
    应用程序的开发
    系统开发（内核、文件系统、驱动程序）
    应用程序的开发
    我们在开发嵌入式项目的时候，一般都是先在x86平台上把大部分的功能开发完成，然后再交叉编译，得到在ARM平台的可执行程序或者库文件。再通过scp指令或者NFS远程挂载的方式，把这些文件复制到ARM板子上之后执行。
    一般而言，应用程序就是利用硬件产品的各种资源、外设，来完成特定的功能，比如：数据采集、控制外部设备、网络传输等等。主要的特征就是与外部的各种设备进行交互。
    系统开发（BSP）
    系统开发的最终目的是：为应用程序的执行准备一个基本的执行环境，内容包括：系统引导程序bootloader，内核kernel，文件系统rootfs，系统中所有设备的驱动程序。在实际的项目开发中，系统开发难度更大一些，一旦开发完成，对于一块板子来说基本上不会轻易变动，代码的使用生命周期更长。
    以上这两种分类，主要是从开发工作的内容角度来进行划分的。可以看出：
    应用程序开发：灵活性更大、需求变动会更多（产品经理或项目经理经常给你改需求）。
    系统软件开发：需求更稳定、很多代码都是官方提供或者开源的，工作内容就是进行定制、裁剪。
    对于系统软件开发来说，如果每次编译出一个bootloader、或者kernel，都上一个ARM开发板进行验证，的确比较麻烦。如果能有一个ARM模拟系统，直接在x86上进行模拟，工作效率就会提高很多。
    Qemu是什么？
    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。比如：Qemu可以模拟出一个ARM系统中的：CPU、内存、IO设备等，然后在这个模拟层之上，可以跑一台ARM虚拟机，这个ARM虚拟机认为自己在和硬件进行打交道，但实际上这些硬件都是Qemu模拟出来的。
    
    正因为Qemu是纯软件实现的，所有的指令都要经过它的转换，所以性能非常低。所以在生产环境中，大多数的做法都是配合KVM来完成虚拟化工作，因为KVM是硬件辅助的虚拟化技术，主要负责比较繁琐的CPU和内存虚拟化，而Qemu则负责I／O虚拟化，两者合作各自发挥自身的优势，相得益彰。这部分不是重点，就不具体深入介绍了。
    Qemu的两种模式
    Qemu有两种执行模式：
    用户模式（User mode）：利用动态代码翻译机制来执行不同主机架构的代码，例如：在x86平台上模拟执行ARM代码，也就是说：我们写一条ARM指令，传入整个模拟器中，模拟器会把整个指令翻译成x86平台的指令，然后在x86的CPU中执行。
    
    系统模式（System mode）：模拟整个电脑系统，利用其它VMM（Xen， KVM）来使用硬件提供的虚拟化支持，创建接近于主机性能的全功能虚拟机。
    
    Qemu 能做什么？或者说适合做什么？
    因为Qemu是使用纯软件模拟的，它的强项是模拟那些不涉及到外部的具体硬件设备的场景，比如：
    想学习如何定制bootloader；
    想在Arm系统中进行文件系统的裁剪，学习文件系统的挂载过程；
    想体验一下如何配置、裁剪linux kernel；想学习Linux系统中的设备树；
    ．．．
    以上这些场景中，都非常适合使用Qemu来模拟ARM系统。
    在 Ubuntu16．04 系统中，利用 Qemu 搭建一个ARM虚拟机 使用Qemu虚拟机的几种选择
    利用Qemu来运行ARM虚拟机，你有2个选择：
    简单方式：直接下载别人编译好的映像文件（包含了内核，根文件系统），直接执行即可。
    缺点是：别人编译好的也许不适合你的需求，没法定制。复杂方式：自己下载内核代码、根文件系统代码（例如：busybox），然后进行编译。
    优点是：可以按照自己的实际需求，对内核、根文件系统机型裁剪。
    在第2种复杂模式中，又可以有2个选择：
    2－1． 内核代码、根文件系统代码全部自己手动编译，最后把这些编译结果手动组织在一个文件夹中，形成自己的根目录；
    2－2． 利用 buildroot 整个框架，只需要手动进行配置（比如：交叉编译器在本机上的位置、输出路径、系统的裁剪），然后就可以一键编译出一个完整的系统，可以直接烧写到机器！
    以上这几种操作方式的选择，可以根据自己的实际需要来选择。如果对构建系统的整个流程已经非常熟悉了，就利用buildroot工具；如果是想更彻底的学习制作一个系统，那就手动一步一步的实际编译、操作一遍，多练几次，你就变成大牛了。
    下面，我们就按照2－2的方式，进行实际操作一遍。所有的指令部分，我都直接贴代码，不用截图，这样方便复制。
    测试平台
    我的工作电脑是Win10，通过VirtualBox安装了Ubuntu16．04虚拟机，64位系统。
    下面的操作在Ubuntu16．04虚拟机中可以顺利编译，当然，一些基本的工具（例如：build－essential， make等基础工具软件这里就不详述了）。
    安装交叉编译器
    交叉编译器的作用就不需要详细解释了，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。
    sudo apt－get install gcc－arm－linux－gnueabi
    验证安装结果
    dpkg －l gcc－arm－linux－gnueabi
    显示如下：
    
    有些文章建议自己下载交叉编译器，然后手动设置环境变量。我实际操作了一下，手动下载的交叉编译工具链在编译内核的时候报错，所以还是建议直接用apt－get直接安装。
    编译内核kernel
    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。
    下载内核版本：linux－4．14．212．tar。在文末，我会列出所有的软件包下载地址。
    使用现成的vexpress开发板子的config文件
    make CROSS＿COMPILE＝arm－linux－gnueabi－ ARCH＝arm vexpress＿defconfig
    这个操作，会把vexpress＿defconfig作为配置文件保存为．config，下面在编译内核时就根据这个config中的配置进行编译。
    如果需要对内核进行裁剪，执行：
    make menuconfig
    根据自己的实际需要，对内核进行定制。比如：可以配置网络和NFS，在系统启动的时候就自动挂载宿主机中的某个目录。
    编译内核make CROSS＿COMPILE＝arm－linux－gnueabi－ ARCH＝arm
    编译得到内核文件arch／arm／boot／zImage，Qemu启动时需要指定使用这个映像文件。
    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，例如：／etc／rc．local。
    如果没有跟文件系统，那么内核在执行到最后就提示：panic．．．。
    下载busybox
    版本：busybox－1．20．2．tar．bz2。
    创建rootfs根目录
    mkdir －p rootfs／｛dev，etc／init．d，lib｝
    把busybox－1．20．2中的文件复制到rootfs根目录下，主要是一些基本的命令cp busybox－1．20．2／＿install －r rootfs／
    把交叉编译工具链中的库文件复制到rootfs根目录的lib文件夹下sudo cp －P ／usr／arm－linux－gnueabi／lib rootfs／lib／
    制作根文件系统镜像根文件系统镜像就相当于一个硬盘，就是把上面rootfs根目录中的所有文件复制到这个硬盘中。
    （1） 生成512M大小的磁盘镜像
    qemu－img create －f raw disk．img 512M
    （2） 把磁盘镜像格式化成ext4文件系统
    mkfs －t ext4 ．／disk．img
    （3） 将rootfs根目录中的所有文件复制到磁盘镜像中操作步骤是：创建挂载点－挂载－复制文件－卸载。
    mkdir tmpfs sudo mount －o loop ．／disk．img tmpfs／  sudo cp －r rootfs tmpfs／sudo umount tmpfs
    （4） 使用file指令检查一下
    file disk．img
    
    利用Qemu启动ARM虚拟机
    1．启动虚拟机
    这个命令有点长，测试时建议直接复制、粘贴。
    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．停止虚拟机在Ubuntu另一个终端窗口中，通过killall指令来停止。
    killall qemu－system－arm
    当然，也可以用ps指令找到qemu－system－arm的进程号，然后通过kill －9来停止虚拟机。
    测试HelloWorld应用程序 在Ubuntu任意一个目录，编写HelloWorld可执行程序hello．c：＃include ＜stdio．h＞ int main（） ｛         printf（＂HelloWorld！ ＂）；    return 0； ｝
    交叉编译hello．c，得到可执行程序hello：arm－linux－gnueabi－gcc hello．c －o hello
    通过file指令，查看一下hello程序：
    file hello
    
    通过kill命令停止虚拟机。
    把hello可执行程序复制到磁盘镜像disk．img中操作步骤是：挂载－复制文件－卸载。
    sudo mount －o loop ．／disk．img tmpfs／  cp hello tmpfs／ sudo umount tmpfs
    执行hello程序再次启动虚拟机，此时可以在根目录下面看到hello文件，直接执行即可看到输出结果。总结
    在以上的操作步骤中，我们把一个ARM系统在启动应用程序之前，所需要的程序都手动编译、操作了一遍。看一遍很容易就明白，亲手操作一遍印象会更深刻。
    这里的操作过程有些还需要继续深入，比如：在系统启动之后，自动挂载宿主机（Ubuntu系统）中的某个文件夹，这样就可以把hello等可执行程序复制到挂载目录中，然后在ARM系统中直接执行了，而不用再执行下面在一连串的操作（停止虚拟机－挂载磁盘镜像－复制文件－卸载－启动虚拟机）。
    最后，希望这篇总结能给你带来小小的收获和提升！