利用qemu模拟嵌入式系统制作全过程

http://www.tinylab.org/using-qemu-simulation-inserts-the-type-system-to-produce-the-whole-process/

利用qemu模拟嵌入式系统制作全过程

by Pingbo Wen of TinyLab.org
2013/08/31

这篇文章,将介绍如何用qemu来搭建一个基于ARM的嵌入式linux系统。通过该文章,你可以学习到如何配置kernel,如何交叉编译
kernel,如何配置busybox并编译,如何制作initramfs,如何制作根文件系统,如何定制自己的uboot,如何通过uboot向
kernel传递参数等。开始干活!

零、环境搭建

在实现我们的目标之前,我们需要搭建自己的工作环境。在这里,假设你的主机上已经有gcc本地编译环境,并运行Ubuntu 12.10。但是这并不影响在其他的linux平台上进行,只要修改一下对应的命令就可以了。

首先,我们需要下载一个ARM交叉工具链。你可以在网上下载源码自己编译,也可以下载已经编译好的工具链。在工具链中有基本的ARM编译工具,比
如:gcc, gdb, addr2line, nm, objcopy,
objdump等。可能你会问,这些工具本机不是已经有了么?如果不出意外,我想你的主机应该是x86架构的。不同的架构,有不同的指令集,你不能拿一个
x86的执行文件放到一个ARM机器上执行。所以我们需要一个能够在x86架构上生成ARM可执行程序的GCC编译器。有很多预先编译好的ARM工具链,
这里使用的是CodeSourcery[1]。更多关于toolchain的信息可以在elinux.org找到[2]。下载下来后,直接解压,放到某个
目录,然后配置一下PATH环境变量,这里是这样配置的:

export PATH=~/arm-2013.05/bin:$PATH
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export PATH=~/arm-2013.05/bin:$PATH

配置完ARM交叉工具链后,我们需要下载一些源码,并安装一些软件。
命令如下:

# install qemu
sudo apt-get install qemu qemu-kvm qemu-kvm-extras qemu-user qemu-system
# install mkimage tool
sudo apt-get install uboot-mkimage
# install git
sudo apt-get install git
# prepare related directory
mkdir -pv ~/armsource/{kernel,uboot,ramfs,busybox}
# download latest kernel stable code to kernel dir
git clone http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git ~/armsource/kernel
# download latest u-boot code to uboot dir
git clone git://git.denx.de/u-boot.git ~/armsource/uboot
# download latest busybox code to busybox dir
git clone git://busybox.net/busybox.git ~/armsource/busybox
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# install qemu
sudo apt-get install qemu qemu-kvm qemu-kvm-extras qemu-user qemu-system
# install mkimage tool
sudo apt-get install uboot-mkimage
# install git
sudo apt-get install git
# prepare related directory
mkdir -pv ~/armsource/{kernel,uboot,ramfs,busybox}
# download latest kernel stable code to kernel dir
git clone http://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git ~/armsource/kernel
# download latest u-boot code to uboot dir
git clone git://git.denx.de/u-boot.git ~/armsource/uboot
# download latest busybox code to busybox dir
git clone git://busybox.net/busybox.git ~/armsource/busybox

一、配置kernel

环境搭建完后,我们就正式进入主题了。现在我们需要配置kernel源码,编译,并用qemu运行我们自己编译的kernel。这样我们就能够对我们的kernel进行测试,并做出对应的修改。

进入kernel源码目录,我们需要找最新的kernel稳定版本。在写这篇文章的时候,最新的稳定版本是3.10.10。我们可以通过git切换到 3.10.10。由于我们编译的内核需要运行在ARM上,所以我们应该到arch/arm/configs下找到对应我们设备的kernel配置文件。但 是我们没有实际意义上的设备,而是用qemu模拟的设备,所以我们应该选择qemu能够模拟的设备的配置文件。这里我们选择常用的 versatile_defconfig。
对应的命令如下:

cd ~/armsource/kernel
# checkout a tag and create a branch
git checkout v3.10.10 -b linux-3.10.10
# create .config file
make versatile_defconfig ARCH=arm
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cd ~/armsource/kernel
# checkout a tag and create a branch
git checkout v3.10.10 -b linux-3.10.10
# create .config file
make versatile_defconfig ARCH=arm

配置完了,我们就可以编译了。编译的时候,我们可以用多个线程来加速编译,具体用多少个就要看你主机的配置了。这里我们用12个线程编译,命令如下:

make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
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make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-

注意,如果交叉编译环境没有配置好,这个地方会提示找不到对应的gcc编译器。这里-j12是指定编译线程为12个,ARCH是指定目标架构为arm,所用的交叉编译器arm-none-linux-gnueabi-。

OK,kernel已经编译好了,那么我们需要用qemu把它跑起来。关于qemu的具体使用,请看qemu的官方文档[3],这里直接给出命令:

qemu-system-arm -M versatilepb -kernel arch/arm/boot/zImage -nographic
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qemu-system-arm -M versatilepb -kernel arch/arm/boot/zImage -nographic

这里-M是指定模拟的具体设备型号,versatile系列的pb版本,-kernel指定的是对应的内核,-nographic是把qemu输出直接导向到当前终端。

好,命令成功执行了。但是,好像没有任何有效输出。我们通过C-a x来退出qemu。编译的kernel好像不怎么好使,配置文件肯定有问题。打开.config配置文件,发现传递给kernel的参数没有指定 console,难怪没有输出。我们定位到CMDLINE,并加入console参数:

CONFIG_CMDLINE="console=ttyAMA0 root=/dev/ram0"
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CONFIG_CMDLINE="console=ttyAMA0 root=/dev/ram0"

保存.config,重新编译kernel,并用qemu加载。现在终于有输出了。如果不出意外,kernel应该会停在找不到根文件系统,并跳出一个panic。为什么会找不到根文件系统?因为我们压根就没有给它传递过,当然找不到。

那现在是不是应该制作我们自己的根文件系统了。先别急,为了让后面的路好走一点,我们这里还需对内核进行一些配置。首先,我们需要用ARM EABI去编译kernel,这样我们才能让kernel运行我们交叉编译的用户态程序,因为我们所有的程序都是用gnueabi的编译器编译的。具体可 以看wikipedia相关页面[4],你也可以简单的理解为嵌入式的ABI。其次,我们需要把对kernel module的支持去掉,这样可以把相关的驱动都编译到一个文件里,方便我们之后的加载。

当然,你可以使能kernel的debug选项,这样就可以调试内核了,并打印很多调试信息。这里就不再说了,如果感兴趣,可以看我之前写的关于kernel调试的文章[5]。

总结起来,这一次我们对.config做了如下修改:

# CONFIG_MODULES is not set
CONFIG_AEABI=y
CONFIG_OABI_COMPAT=y
CONFIG_PRINTK_TIME=y
CONFIG_EARLY_PRINTK=y
CONFIG_CMDLINE="earlyprintk console=ttyAMA0 root=/dev/ram0"
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# CONFIG_MODULES is not set
CONFIG_AEABI=y
CONFIG_OABI_COMPAT=y
CONFIG_PRINTK_TIME=y
CONFIG_EARLY_PRINTK=y
CONFIG_CMDLINE="earlyprintk console=ttyAMA0 root=/dev/ram0"

二、通过busybox制作initramfs镜像

如果你注意到了之前传递给kernel的参数,你会发现有一个root=/dev/ram0的参数。没错,这就是给kernel指定的根文件系 统,kernel检查到这个参数的时候,会到指定的地方加载根文件系统,并执行其中的init程序。这样就不会出现刚才那种情况,找不到根文件系统了。

我们的目标就是让kernel挂载我们的ramfs根文件系统,并且在执行init程序的时候,调用busybox中的一个shell,这样我们就有一个可用的shell来和系统进行交互了。

整个ramfs中的核心就是一个busybox可执行文件。busybox就像是一把瑞士军刀,可以把很多linux下的命令(比如:cp, rm, whoami等)全部集成到一个可执行文件[6]。这为制作嵌入式根文件系统提供了很大的便利,开发者不用单独编译每一个要支持的命令,还不用考虑库的依 赖关系。基本上每一个制作嵌入式系统的开发者的首选就是busybox。

busybox也是采用Kconfig来管理配置选项,所以配置和编译busybox和kernel没有多大区别。busybox很灵活,你可以*取舍 你想要支持的命令,并且还可以添加你自己写的程序。在编译busybox的时候,为了简单省事,我们这里采用静态编译,这样就不用为busybox准备其 他libc,ld等依赖库了。

具体命令如下:

cd ~/armsource/busybox
# using stable version 1.21
git checkout origin/1_21_stable -b busybox-1.21
# using default configure
make defconfig ARCH=arm
# compile busybox in static
make menuconfig
make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
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cd ~/armsource/busybox
# using stable version 1.21
git checkout origin/1_21_stable -b busybox-1.21
# using default configure
make defconfig ARCH=arm
# compile busybox in static
make menuconfig
make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-

编译完后,我们就得到一个busybox静态链接的文件。

接下来,我们需要一个init程序。这个程序将是kernel执行的第一个用户态的程序,我们需要它来产生一个可交互的shell。在桌面级别的 linux发行版本,使用的init程序一般是System V init(传统的init),upstart(ubuntu),systemd(fedora)等。busybox也带有一个init程序,但是我们想自 己写一个。既然自己写,那有两种实现方式,用C和libc实现,或者写一个shell脚本。

为了简单,这里选择后者,具体脚本如下:

#!/bin/sh
echo
echo "###########################################################"
echo "## THis is a init script for initrd/initramfs ##"
echo "## Author: wengpingbo@gmail.com ##"
echo "## Date: 2013/08/17 16:27:34 CST ##"
echo "###########################################################"
echo

PATH="/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin"

if [ ! -f "/bin/busybox" ];then
echo "cat not find busybox in /bin dir, exit"
exit 1
fi

BUSYBOX="/bin/busybox"

echo "build root filesystem..."
$BUSYBOX --install -s

if [ ! -d /proc ];then
echo "/proc dir not exist, create it..."
$BUSYBOX mkdir /proc
fi
echo "mount proc fs..."
$BUSYBOX mount -t proc proc /proc

if [ ! -d /dev ];then
echo "/dev dir not exist, create it..."
$BUSYBOX mkdir /dev
fi
# echo "mount tmpfs in /dev..."
# $BUSYBOX mount -t tmpfs dev /dev

$BUSYBOX mkdir -p /dev/pts
echo "mount devpts..."
$BUSYBOX mount -t devpts devpts /dev/pts

if [ ! -d /sys ];then
echo "/sys dir not exist, create it..."
$BUSYBOX mkdir /sys
fi
echo "mount sys fs..."
$BUSYBOX mount -t sysfs sys /sys

echo "/sbin/mdev" > /proc/sys/kernel/hotplug
echo "populate the dev dir..."
$BUSYBOX mdev -s

echo "drop to shell..."
$BUSYBOX sh

exit 0

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#!/bin/sh
echo
echo "###########################################################"
echo "## THis is a init script for initrd/initramfs            ##"
echo "## Author: wengpingbo@gmail.com                          ##"
echo "## Date: 2013/08/17 16:27:34 CST                         ##"
echo "###########################################################"
echo
 
PATH="/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin"
 
if [ ! -f "/bin/busybox" ];then
  echo "cat not find busybox in /bin dir, exit"
  exit 1
fi
 
BUSYBOX="/bin/busybox"
 
echo "build root filesystem..."
$BUSYBOX --install -s
 
if [ ! -d /proc ];then
  echo "/proc dir not exist, create it..."
  $BUSYBOX mkdir /proc
fi
echo "mount proc fs..."
$BUSYBOX mount -t proc proc /proc
 
if [ ! -d /dev ];then
  echo "/dev dir not exist, create it..."
  $BUSYBOX mkdir /dev
fi
# echo "mount tmpfs in /dev..."
# $BUSYBOX mount -t tmpfs dev /dev
 
$BUSYBOX mkdir -p /dev/pts
echo "mount devpts..."
$BUSYBOX mount -t devpts devpts /dev/pts
 
if [ ! -d /sys ];then
  echo "/sys dir not exist, create it..."
  $BUSYBOX mkdir /sys
fi
echo "mount sys fs..."
$BUSYBOX mount -t sysfs sys /sys
 
echo "/sbin/mdev" > /proc/sys/kernel/hotplug
echo "populate the dev dir..."
$BUSYBOX mdev -s
 
echo "drop to shell..."
$BUSYBOX sh
 
exit 0

我们把这个脚本保存在~/armsource目录下。在这个脚本中,我们通过busybox –install -s来构建基本文件系统,挂载相应的虚拟文件系统,然后就调用busybox自带的shell。

现在我们已经编译好了busybox,并准备好了相应的init脚本。我们需要考虑根文件系统的目录结构了。kenel支持很多种文件系统,比 如:ext4, ext3, ext2, cramfs, nfs, jffs2, reiserfs等,还包括一些伪文件系统: sysfs, proc, ramfs等。而在kernel初始化完成后,会尝试挂载一个它所支持的根文件系统。根文件系统的目录结构标准是FHS,由一些kernel开发者制定, 感兴趣的可以看wikipedia相关页面[7]。

由于我们要制作一个很简单的ramfs,其中只有一个busybox可执行文件,所以我们没必要过多的考虑什么标准。只需一些必须的目录结构就OK。这里,我们使用的目录结构如下:

├── bin
│   ├── busybox
│   └── sh -> busybox
├── dev
│   └── console
├── etc
│   └── init.d
│   └── rcS
├── init
├── sbin
└── usr
├── bin
└── sbin
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├── bin
│   ├── busybox
│   └── sh -> busybox
├── dev
│   └── console
├── etc
│   └── init.d
│       └── rcS
├── init
├── sbin
└── usr
    ├── bin
    └── sbin

你可以通过如下命令来创建这个文件系统:

cd ~/armsource/ramfs
mkdir -pv bin dev etc/init.d sbin user/{bin,sbin}
cp ~/armsource/busybox/busybox bin/
ln -s busybox bin/sh
mknod -m 644 dev/console c 5 1
cp ~/armsource/init .
touch etc/init.d/rcS
chmod +x bin/busybox etc/init.d/rcS init
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cd ~/armsource/ramfs
mkdir -pv bin dev etc/init.d sbin user/{bin,sbin}
cp ~/armsource/busybox/busybox bin/
ln -s busybox bin/sh
mknod -m 644 dev/console c 5 1
cp ~/armsource/init .
touch etc/init.d/rcS
chmod +x bin/busybox etc/init.d/rcS init

现在我们有了基本的initramfs,万事具备了,就差点东风了。这个东风就是怎样制作intramfs镜像,并让kernel加载它。

在kernel文档中,对initramfs和initrd有详细的说明[8][9]。initramfs其实就是一个用gzip压缩的cpio文件。我 们可以把initramfs直接集成到kernel里,也可以单独加载initramfs。在kernel源码的scripts目录下,有一个 gen_initramfs_list.sh脚本,专门是用来生成initramfs镜像和initramfs list文件。你可以通过如下方式自动生成initramfs镜像:

sh scripts/gen_initramfs_list.sh -o ramfs.gz ~/armsource/ramfs
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sh scripts/gen_initramfs_list.sh -o ramfs.gz ~/armsource/ramfs

然后修改kernel的.config配置文件来包含这个文件:

CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="ramfs.gz"
1
CONFIG_INITRAMFS_SOURCE="ramfs.gz"

重新编译后,kernel就自动集成了你制作的ramfs.gz,并会在初始化完成后,加载这个根文件系统,并产生一个shell。

你也可以用gen_initramfs_list.sh脚本生成一个列表文件,然后CONFIG_INITRAMFS_SOURCE中指定这个列表文件。也可以把你做的根文件系统自动集成到kernel里面。命令如下:

sh scripts/gen_initramfs_list.sh ~/armsource/ramfs > initramfs_list
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sh scripts/gen_initramfs_list.sh ~/armsource/ramfs > initramfs_list

对应的内核配置:CONFIG_INITRAMFS_SOURCE=”initramfs_list”

但是这里并不打算这么做,我们自己手动制作initramfs镜像,然后外部加载。命令如下:

cd ~/armsource/ramfs
find . | cpio -o -H newc | gzip -9 > ramfs.gz
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cd ~/armsource/ramfs
find . | cpio -o -H newc | gzip -9 > ramfs.gz

选项-H是用来指定生成的格式。

手动生成ramfs.gz后,我们就可以通过qemu来加载了,命令如下:

qemu-system-arm -M versatilepb -kernel arch/arm/boot/zImage -nographic -initrd ramfs.gz
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qemu-system-arm -M versatilepb -kernel arch/arm/boot/zImage -nographic -initrd ramfs.gz

现在我们的系统起来了,并且正确执行了我们自己写的脚本,进入了shell。我们可以在里面执行基本常用的命令。是不是有点小兴奋。

三、配置物理文件系统,切换根文件系统

不是已经配置了根文件系统,并加载了,为什么还需要切换呢?可能你还沉浸在刚才的小兴奋里,但是,很不幸的告诉你。现在制作的小linux系统还不是一个完全的系统,因为没有完成基本的初始化,尽管看上去好像已经完成了。

在linux中initramfs和initrd只是一个用于系统初始化的小型文件系统,通常用来加载一些第三方的驱动。为什么要通过这种方式来加载驱动 呢?因为由于版权协议的关系,如果要把驱动放到kernenl里,意味着你必须要开放源代码。但是有些时候,一些商业公司不想开源自己的驱动,那它就可以 把驱动放到initramfs或者initrd。这样既不违背kernel版权协议,又达到不开源的目的。也就是说在正常的linux发行版本 中,kernel初始化完成后,会先挂载initramfs/initrd,来加载其他驱动,并做一些初始化设置。然后才会挂载真真的根文件系统,通过一 个switch_root来切换根文件系统,执行第二个init程序,加载各种用户程序。在这中间,linux kernel跳了两下。

既然他们跳了两下,那我们也跳两下。第一下已经跳了,现在的目标是制作物理文件系统,并修改initramfs中的init脚本,来挂载我们物理文件系统,并切换root文件系统,执行对应的init。

为了省事,我们直接把原先的initramfs文件系统复制一份,当作物理根文件系统。由于是模拟,所以我们直接利用dd来生成一个磁盘镜像。具体命令如下:

dd if=/dev/zero of=~/armsource/hda.img bs=1 count=10M
mkfs -t ext2 hda.img
mount hda.img /mnt
cp -r ~/armsource/ramfs/* /mnt
umount /mnt
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dd if=/dev/zero of=~/armsource/hda.img bs=1 count=10M
mkfs -t ext2 hda.img
mount hda.img /mnt
cp -r ~/armsource/ramfs/* /mnt
umount /mnt

这样hda.img就是我们制作的物理根文件系统,ext2格式。现在我们需要修改原先在initramfs中的init脚本,让其通过busybox的 switch_root功能切换根文件系统。这里需要注意的是,在切换根文件系统时,不能直接调用busybox的switch_root,而是需要通过 exec来调用。这样才能让最终的init进程pid为1。

修改后的init脚本如下:

#!/bin/sh
echo
echo "###########################################################"
echo "## THis is a init script for sd ext2 filesystem ##"
echo "## Author: wengpingbo@gmail.com ##"
echo "## Date: 2013/08/17 16:27:34 CST ##"
echo "###########################################################"
echo

PATH="/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin"

if [ ! -f "/bin/busybox" ];then
echo "cat not find busybox in /bin dir, exit"
exit 1
fi

BUSYBOX="/bin/busybox"

echo "build root filesystem..."
$BUSYBOX --install -s

if [ ! -d /proc ];then
echo "/proc dir not exist, create it..."
$BUSYBOX mkdir /proc
fi
echo "mount proc fs..."
$BUSYBOX mount -t proc proc /proc

if [ ! -d /dev ];then
echo "/dev dir not exist, create it..."
$BUSYBOX mkdir /dev
fi
# echo "mount tmpfs in /dev..."
# $BUSYBOX mount -t tmpfs dev /dev

$BUSYBOX mkdir -p /dev/pts
echo "mount devpts..."
$BUSYBOX mount -t devpts devpts /dev/pts

if [ ! -d /sys ];then
echo "/sys dir not exist, create it..."
$BUSYBOX mkdir /sys
fi
echo "mount sys fs..."
$BUSYBOX mount -t sysfs sys /sys

echo "/sbin/mdev" > /proc/sys/kernel/hotplug
echo "populate the dev dir..."
$BUSYBOX mdev -s

echo "dev filesystem is ok now, log all in kernel kmsg" >> /dev/kmsg

echo "you can add some third part driver in this phase..." >> /dev/kmsg
echo "begin switch root directory to sd card" >> /dev/kmsg

$BUSYBOX mkdir /newroot
if [ ! -b "/dev/mmcblk0" ];then
echo "can not find /dev/mmcblk0, please make sure the sd \
card is attached correctly!" >> /dev/kmsg
echo "drop to shell" >> /dev/kmsg
$BUSYBOX sh
else
$BUSYBOX mount /dev/mmcblk0 /newroot
if [ $? -eq 0 ];then
echo "mount root file system successfully..." >> /dev/kmsg
else
echo "failed to mount root file system, drop to shell" >> /dev/kmsg
$BUSYBOX sh
fi
fi

# the root file system is mounted, clean the world for new root file system
echo "" > /proc/sys/kernel/hotplug
$BUSYBOX umount -f /proc
$BUSYBOX umount -f /sys
$BUSYBOX umount -f /dev/pts
# $BUSYBOX umount -f /dev

echo "enter new root..." >> /dev/kmsg
exec $BUSYBOX switch_root -c /dev/console /newroot /init

if [ $? -ne 0 ];then
echo "enter new root file system failed, drop to shell" >> /dev/kmsg
$BUSYBOX mount -t proc proc /proc
$BUSYBOX sh
fi

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#!/bin/sh
echo
echo "###########################################################"
echo "## THis is a init script for sd ext2 filesystem          ##"
echo "## Author: wengpingbo@gmail.com                          ##"
echo "## Date: 2013/08/17 16:27:34 CST                         ##"
echo "###########################################################"
echo
 
PATH="/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin"
 
if [ ! -f "/bin/busybox" ];then
  echo "cat not find busybox in /bin dir, exit"
  exit 1
fi
 
BUSYBOX="/bin/busybox"
 
echo "build root filesystem..."
$BUSYBOX --install -s
 
if [ ! -d /proc ];then
  echo "/proc dir not exist, create it..."
  $BUSYBOX mkdir /proc
fi
echo "mount proc fs..."
$BUSYBOX mount -t proc proc /proc
 
if [ ! -d /dev ];then
  echo "/dev dir not exist, create it..."
  $BUSYBOX mkdir /dev
fi
# echo "mount tmpfs in /dev..."
# $BUSYBOX mount -t tmpfs dev /dev
 
$BUSYBOX mkdir -p /dev/pts
echo "mount devpts..."
$BUSYBOX mount -t devpts devpts /dev/pts
 
if [ ! -d /sys ];then
  echo "/sys dir not exist, create it..."
  $BUSYBOX mkdir /sys
fi
echo "mount sys fs..."
$BUSYBOX mount -t sysfs sys /sys
 
echo "/sbin/mdev" > /proc/sys/kernel/hotplug
echo "populate the dev dir..."
$BUSYBOX mdev -s
 
echo "dev filesystem is ok now, log all in kernel kmsg" >> /dev/kmsg
 
echo "you can add some third part driver in this phase..." >> /dev/kmsg
echo "begin switch root directory to sd card" >> /dev/kmsg
 
$BUSYBOX mkdir /newroot
if [ ! -b "/dev/mmcblk0" ];then
  echo "can not find /dev/mmcblk0, please make sure the sd \
    card is attached correctly!" >> /dev/kmsg
  echo "drop to shell" >> /dev/kmsg
  $BUSYBOX sh
else
  $BUSYBOX mount /dev/mmcblk0 /newroot
  if [ $? -eq 0 ];then
    echo "mount root file system successfully..." >> /dev/kmsg
  else
    echo "failed to mount root file system, drop to shell" >> /dev/kmsg
    $BUSYBOX sh
  fi
fi
 
# the root file system is mounted, clean the world for new root file system
echo "" > /proc/sys/kernel/hotplug
$BUSYBOX umount -f /proc
$BUSYBOX umount -f /sys
$BUSYBOX umount -f /dev/pts
# $BUSYBOX umount -f /dev
 
echo "enter new root..." >> /dev/kmsg
exec $BUSYBOX switch_root -c /dev/console /newroot /init
 
if [ $? -ne 0 ];then
  echo "enter new root file system failed, drop to shell" >> /dev/kmsg
  $BUSYBOX mount -t proc proc /proc
  $BUSYBOX sh
fi

现在我们可以通过qemu来挂载hda.img,为了简单,我们这里把这个设备虚拟为sd卡,这也是为什么上面的init脚本挂载物理根文件系统时,是找/dev/mmcblk0了。具体命令如下:

如果不出意外,你可以看到这个自己做的linux系统,通过调用两个init脚本,跳到最终的hda.img上的文件系统。

四、配置Uboot,加载kernel

可能到这里,你觉得,终于把整个流程走了一遍了。但是,还差一环。之前我们都是通过qemu来直接加载我们的kernel,initramfs和物理镜像,但是在真真的嵌入式设备,这些加载过程都需要你好好考虑。那么在这一节,我们借助uboot来模拟加载过程。

我们的目标是让uboot来加载kernel,initramfs,并识别qemu虚拟的sd卡设备。这里我们通过tftp来向uboot传递 kernel和initramfs镜像。既然要依靠uboot来加载系统镜像,那么需要按照uboot的镜像格式制作加载的镜像。而mkimage工具, 就是干这活的。在制作uboot镜像时,我们需要指定镜像类型,加载地址,执行地址等,制作uboot版的initramfs命令如下:

其中-a 和 -e分别是指定加载定制和执行地址

而kernel的uboot版就不需要这么手动生成了,在编译kernel的时候,可以通过make uImage来制作uboot格式镜像,默认的加载地址是0×00008000,你也可以通过LOADADDR指定你自己的加载地址,这里用默认的。

镜像准备好之后,需要把这两个镜像拷贝到一个指定的目录,这样在用tftp传输的时候,能够找到对应的镜像。这里假设拷贝到~/armsource/tftp目录下。

下一步,我们需要交叉编译uboot。在编译之前,我们需要对uboot进行一些配置。由于我们使用的是versatilepb,它对应的配置文件在include/configs/versatile.h中,这里对这个文件的修改如下:

#define CONFIG_ARCH_VERSATILE_QEMU
#define CONFIG_INITRD_TAG
#define CONFIG_SYS_PROMPT "myboard > "
#define CONFIG_BOOTCOMMAND \
"sete ipaddr 10.0.2.15;"\
"sete serverip 10.0.2.2;"\
"set bootargs 'console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0';"\
"tftpboot 0x00007fc0 uImage;"\
"tftpboot 0x00807fc0 ramfs-uboot.img;"\
"bootm 0x7fc0 0x807fc0"
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#define CONFIG_ARCH_VERSATILE_QEMU
#define CONFIG_INITRD_TAG
#define CONFIG_SYS_PROMPT  "myboard > "
#define CONFIG_BOOTCOMMAND \
  "sete ipaddr 10.0.2.15;"\
  "sete serverip 10.0.2.2;"\
  "set bootargs 'console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk0';"\
  "tftpboot 0x00007fc0 uImage;"\
  "tftpboot 0x00807fc0 ramfs-uboot.img;"\
  "bootm 0x7fc0 0x807fc0"

其中ARCH_VERSATILE_QEMU是为了让uboot为了适应qemu做一些配置上的调整。
INITRD_TAG是让uboot通过tag_list给kernel传递initramfs的地址,如果没有这个配置选项,kernel是找不到uboot传给他的initramfs。
SYS_PROMPT是指定uboot的命令提示符,你可以指定你自己的名字。

BOOTCOMMAND是指定uboot起来后,自动执行的命令,这里是让uboot自动设置自己的ip和tftp服务器的ip,然后设定传递给
kernel的参数,最后三个命令是把kernel镜像和initramfs镜像装载进来,并从内存指定地址开始执行指令。其实这些命令,也可以在
uboot起来后,自己输入。

注意:在设置uboot的ip的时候,一定要和qemu给定的ip对应。由于这里使用的qemu内部自带的tftp服务,所以这里的ip和qemu内部tftp服务器的ip在同一个网段。

uboot配置完之后,可以通过如下命令来编译uboot:

make versatilepb_config ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
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make versatilepb_config ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-
make -j12 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-

如果没什么错误,就会生成一个u-boot镜像,然后我们就可以通过qemu来加载它:

sudo qemu-system-arm -M versatilepb -kernel u-boot -m 256M -net nic -net user,tftp=~/armsource/tftp -sd hda.img -nographic
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sudo qemu-system-arm -M versatilepb -kernel u-boot -m 256M -net nic -net user,tftp=~/armsource/tftp -sd hda.img -nographic

命令执行后,你就可以和之前一样的内核加载,最后经过两次跳转,到我们的sd卡上的文件系统。

五、结语

到这里,我们最终完成了qemu — > uboot –> kernel –> initramfs –> hda.img这一过程[10]。而这也是制作嵌入式系统,甚至一个桌面发行版本的基本流程。如果看完这篇文章后,还对嵌入式系统念念不忘,还是建议你买 一块开发板,然后真真走一遍这个过程,毕竟这是用qemu模拟的。现在有很多open source hardware project(Arduino, Beagle Board, Cubieboard,Odroid,PandaBoard,Raspberry Pi),你可以购买他们的板子,然后移植任何自己喜欢的东西。由于是open source,你可以获取到很多资料,并且有社区支持。

REFERENCE

  1. Download CodeSourcery: https://sourcery.mentor.com/GNUToolchain/release2449
  2. toolchain: http://elinux.org/Toolchains
  3. Qemu User Document: http://qemu.weilnetz.de/qemu-doc.html
  4. EABI: http://en.wikipedia.org/wiki/Application_binary_interface
  5. kernel debug
  6. Busybox: http://www.ibm.com/developerworks/library/l-busybox/
  7. FHS: http://en.wikipedia.org/wiki/Filesystem_Hierarchy_Standard
  8. initrd: http://www.ibm.com/developerworks/library/l-initrd/index.html
  9. Initrd/Initramfs: http://wiki.sourcemage.org/HowTo(2f)Initramfs.html
  10. http://elinux.org/Virtual_Development_Board
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