使用qemu搭建ARM64调试环境，支持文件共享，支持gdb调试

分手后的思念是犯贱 2022-10-12 15:59 248阅读 0赞

# 环境 #

主机ubuntu版本: 20.04  
qemu模拟处理器：ARM64  
Linux内核版本：https://www.kernel.org/ 最新版

## step1:安装编译工具链 ##

sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu
    sudo apt-get install libncurses5-dev  build-essential git bison flex libssl-dev

查看版本号

leon@leon:~/work$ aarch64-linux-gnu-gcc -v
    Using built-in specs.
    COLLECT_GCC=aarch64-linux-gnu-gcc
    COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc-cross/aarch64-linux-gnu/9/lto-wrapper
    Target: aarch64-linux-gnu
    Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 9.3.0-10ubuntu1' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-9/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,d,fortran,objc,obj-c++,gm2 --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-9 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-libquadmath --disable-libquadmath-support --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --without-target-system-zlib --enable-libpth-m2 --enable-multiarch --enable-fix-cortex-a53-843419 --disable-werror --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=aarch64-linux-gnu --program-prefix=aarch64-linux-gnu- --includedir=/usr/aarch64-linux-gnu/include
    Thread model: posix
    gcc version 9.3.0 (Ubuntu 9.3.0-10ubuntu1)

## step2:安装qemu ##

sudo apt-get install qemu-system-arm

查看版本：

leon@leon:~/work$ qemu-system-aarch64 --version
    QEMU emulator version 4.2.1 (Debian 1:4.2-3ubuntu6.16)
    Copyright (c) 2003-2019 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers
    leon@leon:~/work$

## step3:制作根文件系统rootfs ##

### 3.1 下载busybox源码： ###

官网：[http://busybox.net/downloads/][http_busybox.net_downloads]  
下载最新版本即可，这里

tar jxvf busybox-1.33.1.tar.bz2

### 3.2 配置busybox ###

指定编译工具

export ARCH=arm64
    export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

打开静态库编译选项

make menuconfig
    Settings --->
     [*] Build static binary (no shared libs)

如果报错：

<command-line>: fatal error: curses.h: No such file or directory
    compilation terminated.

安装ncurses库

sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev

### 3.3 编译 ###

make
    make install

PS：编译过程报错的话，把相应项去掉即可；

编译完成，在busybox生成\_install目录

### 3.4 补充rootfs目录结构 ###

#### (1) 根目录添加etc、dev和lib目录 ####

etc目录：

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install$ ls
    bin  linuxrc  sbin  usr
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install$ mkdir etc dev lib
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install$ ls
    bin  dev  etc  lib  linuxrc  sbin  usr
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install$

在etc分别创建文件：

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/etc$ cat profile 
    #!/bin/sh
    export HOSTNAME=myQEMU
    export USER=root
    export HOME=/home
    export PS1="[$USER@$HOSTNAME \W]\# "
    PATH=/bin:/sbin:/usr/bin:/usr/sbin
    LD_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/lib:$LD_LIBRARY_PATH
    export PATH LD_LIBRARY_PATH

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/etc$ cat fstab 
    #device mount-point type options dump fsck order
    proc /proc proc defaults 0 0
    tmpfs /tmp tmpfs defaults 0 0
    sysfs /sys sysfs defaults 0 0
    tmpfs /dev tmpfs defaults 0 0
    debugfs /sys/kernel/debug debugfs defaults 0 0
    kmod_mount /mnt 9p trans=virtio 0 0

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/etc$ cat inittab 
    ::sysinit:/etc/init.d/rcS
    ::respawn:-/bin/sh
    ::askfirst:-/bin/sh
    ::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r

指定挂载的文件系统

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/etc/init.d$ cat rcS 
    mkdir -p /sys
    mkdir -p /tmp
    mkdir -p /proc
    mkdir -p /mnt
    /bin/mount -a
    mkdir -p /dev/pts
    mount -t devpts devpts /dev/pts
    echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
    mdev -s
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/etc/init.d$

dev目录：

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/dev$ sudo mknod console c 5 1
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/dev$ sudo mknod null c 1 3
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/dev$

lib目录：拷贝lib库，支持动态编译的应用程序运行

leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/lib$ cp /usr/aarch64-linux-gnu/lib/*.so*  -a .
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/lib$ ls
    ld-2.31.so               libdl-2.31.so     libnsl.so              libnss_nisplus-2.31.so  libSegFault.so
    ld-linux-aarch64.so.1    libdl.so          libnsl.so.1            libnss_nisplus.so       libstdc++.so.6
    libanl-2.31.so           libdl.so.2        libnss_compat-2.31.so  libnss_nisplus.so.2     libstdc++.so.6.0.28
    libanl.so                libgcc_s.so.1     libnss_compat.so       libnss_nis.so           libthread_db-1.0.so
    libanl.so.1              libgomp.so.1      libnss_compat.so.2     libnss_nis.so.2         libthread_db.so
    libasan.so.5             libgomp.so.1.0.0  libnss_dns-2.31.so     libpcprofile.so         libthread_db.so.1
    libasan.so.5.0.0         libitm.so.1       libnss_dns.so          libpthread-2.31.so      libtsan.so.0
    libatomic.so.1           libitm.so.1.0.0   libnss_dns.so.2        libpthread.so           libtsan.so.0.0.0
    libatomic.so.1.2.0       liblsan.so.0      libnss_files-2.31.so   libpthread.so.0         libubsan.so.1
    libBrokenLocale-2.31.so  liblsan.so.0.0.0  libnss_files.so        libresolv-2.31.so       libubsan.so.1.0.0
    libBrokenLocale.so       libm-2.31.so      libnss_files.so.2      libresolv.so            libutil-2.31.so
    libBrokenLocale.so.1     libmemusage.so    libnss_hesiod-2.31.so  libresolv.so.2          libutil.so
    libc-2.31.so             libm.so           libnss_hesiod.so       librt-2.31.so           libutil.so.1
    libc.so                  libm.so.6         libnss_hesiod.so.2     librt.so
    libc.so.6                libnsl-2.31.so    libnss_nis-2.31.so     librt.so.1
    leon@leon:~/work/Linux/busybox-1.33.1/_install/lib$

## step4 编译内核 ##

(1)下载代码：

#我从torvalds的仓库fork了一个分支，方便自己添加注释笔记
    git clone https://github.com/luteresa/linux.git

(2) 指定编译工具：

export ARCH=arm64
    export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

配置内核：  
这里采用ARM公司提供的Versatile Express开发平台模拟；

sudo cp ../busybox-1.33.1/_install/  ./_install_arm64 -a
    cp arch/arm/configs/vexpress_defconfig  .config
    make menuconfig

添加hotplug支持：

Device Drivers                                                                                             	
     	-> Generic Driver Options                                                                                   			 
     		-> Support for uevent helper                                                                                                                
    			(/sbin/hotplug) path to uevent helper

添加initramfs的支持：

General setup --->
    	[*]Initial RAM filesystem and RAM disk(initramfs/initrd) support(_install_arm64) Initramfs souce file(s)

内核页分别配置为

Kernel Features  --->
    	Page size(4KB)  --->
    	Virtual address space size(48-bit)--->

编译：

make all -j8

mkdir kmodules

启动Linux：

qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a57 -machine type=virt -m 1024 -smp 4 -kernel arch/arm64/boot/Image --append "rdinit=/linuxrc root=/dev/vda rw console=ttyAMA0 loglevel=8"  -nographic --fsdev local,id=kmod_dev,path=$PWD/kmodules,security_model=none -device virtio-9p-device,fsdev=kmod_dev,mount_tag=kmod_mount

\-cpu指定模拟的cpu为 cortex-a57，  
\-m 1024 指定内存大小为１Ｇ,  
\-smp4指定模拟的系统为４核处理器 ，  
\-kernel指定启动的内核镜像，  
–append指定传递的命令行参数，  
后面的选项指定共享目录已经使用的９P协议。

报错：

mount: mounting debugfs on /sys/kernel/debug failed: No such file or directory

内核配置加上CONFIG\_DEBUG\_FS=y ：

Kernel hacking  ---> 
     	 Generic Kernel Debugging Instruments  --->  
     	 	 [*] Debug Filesystem

## step5: 使用模拟磁盘 ##

上述initramfs的方式，将根文件系统打包到内核源码，运行时都是在内存中，可以操作，但系统重启就会丢失，下面用模拟磁盘方式挂载根文件系统。  
制作磁盘文件:

dd if=/dev/zero of=rootfs_ext4.img bs=1M count=1024
    mkfs.ext4 rootfs_ext4.img
    mkdir -p tmpfs
    sudo mount  -t ext4 rootfs_ext4.img  tmpfs/ -o loop
    sudo cp -af _install_arm64/* tmpfs/
    sudo umount  tmpfs
    chmod 777 rootfs_ext4.img

rootfs\_ext4.img就是即将用来挂载的磁盘；  
再次启动内核：

qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a57 -machine type=virt -m 1024 -smp 4 -kernel arch/arm64/boot/Image --append "noinitrd root=/dev/vda rw console=ttyAMA0 loglevel=8"  -nographic -drive if=none,file=rootfs_ext4.img,id=hd0 -device virtio-blk-device,drive=hd0 --fsdev local,id=kmod_dev,path=$PWD/kmodules,security_model=none -device virtio-9p-device,fsdev=kmod_dev,mount_tag=kmod_mount

传递给内核的命令行参数变化了，添加了noinitrd选项，这样就会挂载我们自己的模拟磁盘。

[root@myQEMU ]# df -mh
    Filesystem                Size      Used Available Use% Mounted on
    /dev/root               975.9M     12.8M    895.9M   1% /
    tmpfs                   496.1M         0    496.1M   0% /tmp
    tmpfs                   496.1M         0    496.1M   0% /dev
    kmod_mount              981.8G     32.5G    899.4G   3% /mnt
    [root@myQEMU ]#

这样在文件系统的读写，就会存在磁盘，重启后，数据不会丢失。

## step6: qemu与主机ubuntu文件共享 ##

前面已经支持了主机和qemu上的系统共享目录，这个目录就是kmodules目录：  
通过mount可以查看被挂载到了qemu上的系统的/mnt目录下

[root@myQEMU mnt]# mount
    /dev/root on / type ext4 (rw,relatime)
    proc on /proc type proc (rw,relatime)
    tmpfs on /tmp type tmpfs (rw,relatime)
    sysfs on /sys type sysfs (rw,relatime)
    tmpfs on /dev type tmpfs (rw,relatime)
    kmod_mount on /mnt type 9p (rw,sync,dirsync,relatime,access=client,trans=virtio)
    devpts on /dev/pts type devpts (rw,relatime,mode=600,ptmxmode=000)

在ubuntu的kmodules目录，创建一个文件hello.c

#include <stdio.h>
    
    int main(int argc, char **argv)
    { 
            printf("Hello World,Qemu!\n");
    
            return 0;
    }

在qemu查看

[root@myQEMU mnt]# cat /proc/cpuinfo > cpu.txt
    [root@myQEMU mnt]# cat hello.c
    #include <stdio.h>
    int main(int argc, char **argv)
    {  
            printf("Hello World,Qemu!\n"); 
            return 0; 
    }
    random: fast init done
    [root@myQEMU mnt]#

在ubuntu编译，

aarch64-linux-gnu-gcc  hello.c

在qemu运行，

[root@myQEMU mnt]# ./a.out 
    Hello World,Qemu!
    [root@myQEMU mnt]#

可见，在共享目录，可以执行含动态库的应用程序；

## step7:内核模块测试： ##

Makefile文件，

KERNEL_DIR ?= ~/work/Linux/linux
    obj-m := module_test.o
    modules:
    	$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules
    clean: 
    	$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) clean
    install:         
    	cp *.ko $(KERNEL_DIR)/kmodules

驱动测试文件model\_test.c，

#include <linux/init.h>
    #include <linux/module.h>
    #include <linux/kernel.h>
       static int __init module_test_init(void)
    { 
            printk("---module_test_init\n");
            return 0;
    }    
      
      static void __exit module_test_exit(void)
    { 
            printk("---module_test_exit\n");
    }
      
      
    module_init(module_test_init);
    module_exit(module_test_exit);
    MODULE_LICENSE("GPL");

在ubuntu上交叉编译

leon@leon:~/work/Linux/linux/kmodules$ make
    make -C ~/work/Linux/linux M=/home/leon/work/Linux/linux/kmodules modules
    make[1]: Entering directory '/home/leon/work/Linux/linux'
      CC [M]  /home/leon/work/Linux/linux/kmodules/module_test.o
      MODPOST /home/leon/work/Linux/linux/kmodules/Module.symvers
      CC [M]  /home/leon/work/Linux/linux/kmodules/module_test.mod.o
      LD [M]  /home/leon/work/Linux/linux/kmodules/module_test.ko
    make[1]: Leaving directory '/home/leon/work/Linux/linux'
    leon@leon:~/work/Linux/linux/kmodules$

在qemu加载驱动

[root@myQEMU mnt]# insmod module_test.ko 
    ---module_test_init.
    [root@myQEMU mnt]# rmmod module_test
    ---module_test_exit.
    [root@myQEMU mnt]#

可见，内核模块正常运行了。

## step8:gdb调试 ##

安装arm-none-eabi-gdb  
[https://askubuntu.com/questions/1243252/how-to-install-arm-none-eabi-gdb-on-ubuntu-20-04-lts-focal-fossa][https_askubuntu.com_questions_1243252_how-to-install-arm-none-eabi-gdb-on-ubuntu-20-04-lts-focal-fossa]

sudo apt-get install gdb-multiarch

qemu模拟端启动内核：

qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a57 -machine type=virt -m 1024 -smp 4 -kernel arch/arm64/boot/Image --append "rdinit=/linuxrc root=/dev/vda rw console=ttyAMA0 loglevel=8"  -nographic --fsdev local,id=kmod_dev,path=$PWD/k_shared,security_model=none -device virtio-9p-device,fsdev=kmod_dev,mount_tag=kmod_mount  -S  -s

X86启动gdb：

$ gdb-multiarch --tui vmlinux

(gdb)target remote localhost:1234  //通过1234端口远程连接到qemu端
    (gdb)b start_kernel				   //在内核的start_kernel设置断点
    (gdb)c

如图，gdb接管linux内核，在断点处(start\_kernel)暂停，即可通过gdb来调试内核。  
![在这里插入图片描述][a07b9755954e25128ed96b86ac6b0d85.png_pic_center]  
用Eclipse可视化环境，单步调试Linux内核，参考：  
[https://blog.csdn.net/luteresa/article/details/119188792][https_blog.csdn.net_luteresa_article_details_119188792]

[http_busybox.net_downloads]: http://busybox.net/downloads/
[https_askubuntu.com_questions_1243252_how-to-install-arm-none-eabi-gdb-on-ubuntu-20-04-lts-focal-fossa]: https://askubuntu.com/questions/1243252/how-to-install-arm-none-eabi-gdb-on-ubuntu-20-04-lts-focal-fossa
[a07b9755954e25128ed96b86ac6b0d85.png_pic_center]: /images/20221005/5995d759f09042fea6862cfc9911f016.png
[https_blog.csdn.net_luteresa_article_details_119188792]: https://blog.csdn.net/luteresa/article/details/119188792