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掌握QEMU虛擬化技術(shù)：搭建ARM64+Linux調(diào)試環(huán)境實戰(zhàn)指南
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2023.10.21 湖南

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環(huán)境

主機ubuntu版本: 20.04
qemu模擬處理器：ARM64
Linux內(nèi)核版本：https://www.kernel.org/ 最新版

step1:安裝編譯工具鏈

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

查看版本號

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:安裝qemu

2.1ubuntu倉庫安裝

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$

從源碼安裝

wget https://download.qemu.org/qemu-4.1.0.tar.xz

tar xvJf qemu-4.1.0.tar.xz
cd qemu-4.1.0/
./configure 
make  -j 8
sudo make install
qemu-system-aarch64   --version

step3:制作根文件系統(tǒng)rootfs

3.1 下載busybox源碼：

官網(wǎng)：http://busybox.net/downloads/下載最新版本即可，這里

tar jxvf busybox-1.33.1.tar.bz2

3.2 配置busybox

指定編譯工具

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

打開靜態(tài)庫編譯選項

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

如果報錯：

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

安裝ncurses庫

sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev

PS：編譯過程報錯的話，把相應項去掉即可；

編譯完成，在busybox生成_install目錄

【文章福利】小編推薦自己的Linux內(nèi)核技術(shù)交流群:【865977150】整理了一些個人覺得比較好的學習書籍、視頻資料共享在群文件里面，有需要的可以自行添加哦?。。?/blockquote>

3.4 補充rootfs目錄結(jié)構(gòu)

(1) 根目錄添加etc、dev和lib目錄

etc目錄：

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分別創(chuàng)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

指定掛載的文件系統(tǒng)

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目錄：

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目錄：拷貝lib庫，支持動態(tài)編譯的應用程序運行

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 編譯內(nèi)核

(1)下載代碼：

#我從torvalds的倉庫fork了一個分支，方便自己添加注釋筆記
git clone https://github.com/luteresa/linux.git

(2) 指定編譯工具：

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

配置內(nèi)核：這里采用ARM公司提供的Versatile Express開發(fā)平臺模擬；

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)

內(nèi)核頁分別配置為

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

編譯：

make all -j8

在內(nèi)核根目錄下添加共享目錄

mkdir kmodules

啟動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指定模擬的cpu為 cortex-a57

  • m 1024 指定內(nèi)存大小為１Ｇ

  • smp4指定模擬的系統(tǒng)為４核處理器

  • kernel指定啟動的內(nèi)核鏡像

  • append指定傳遞的命令行參數(shù)

后面的選項指定共享目錄已經(jīng)使用的９P協(xié)議。

如果報類似錯：

qemu-system-aarch64: rom check and register reset failed

大概率是qemu版本問題，換個版本，可以從源碼直接編譯；經(jīng)測試

ubuntu18.04用qemu-4.1.0可以正常工作；
ubuntu20.04用apt安裝即可；

wget https://download.qemu.org/qemu-4.1.0.tar.xz
tar xvJf qemu-4.1.0.tar.xz
cd qemu-4.1.0
./configure
make -j 8
編譯完安裝：
sudo make install   
默認編譯支持很多個平臺

報錯：

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

內(nèi)核配置加上CONFIG_DEBUG_FS=y ：

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

step5: 使用模擬磁盤

上述initramfs的方式，將根文件系統(tǒng)打包到內(nèi)核源碼，運行時都是在內(nèi)存中，可以操作，但系統(tǒng)重啟就會丟失，下面用模擬磁盤方式掛載根文件系統(tǒng)。制作磁盤文件:

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就是即將用來掛載的磁盤，再次啟動內(nèi)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

傳遞給內(nèi)核的命令行參數(shù)變化了，添加了noinitrd選項，這樣就會掛載我們自己的模擬磁盤。

[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 ]#

這樣在文件系統(tǒng)的讀寫，就會存在磁盤，重啟后，數(shù)據(jù)不會丟失。

step6: qemu與主機ubuntu文件共享

前面已經(jīng)支持了主機和qemu上的系統(tǒng)共享目錄，這個目錄就是kmodules目錄：通過mount可以查看被掛載到了qemu上的系統(tǒng)的/mnt目錄下

[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目錄，創(chuàng)建一個文件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編譯

aarch64-linux-gnu-gcc  hello.c

在qemu運行

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

可見，在共享目錄，可以執(zhí)行含動態(tài)庫的應用程序；

step7:內(nèi)核模塊測試：

Makefile文件

step7:內(nèi)核模塊測試：
Makefile文件，

驅(qū)動測試文件module_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上交叉編譯

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加載驅(qū)動

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

可見，內(nèi)核模塊正常運行了。

step8:gdb調(diào)試

安裝arm-none-eabi-gdb
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模擬端啟動內(nèi)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啟動gdb：

$ gdb-multiarch --tui vmlinux
(gdb)target remote localhost:1234  //通過1234端口遠程連接到qemu端
(gdb)b start_kernel                //在內(nèi)核的start_kernel設置斷點
(gdb)c

gdb接管linux內(nèi)核，在斷點處(start_kernel)暫停，即可通過gdb來調(diào)試內(nèi)核。

用Eclipse可視化環(huán)境，單步調(diào)試Linux內(nèi)核

目的：通過可視化環(huán)境，單步調(diào)試linux內(nèi)核
開發(fā)環(huán)境：ubuntu20.04

安裝java環(huán)境

Eclipse運行依賴jave環(huán)境；

sudo apt install openjdk-13-jre

安裝Eclipse-CDT

官網(wǎng)：http://www.eclipse.org/cdt/

配置Eclipse-CDT

(1)創(chuàng)建工程

在Eclipse菜單選擇File->New->Project，選擇Makefile Project with Exiting Code,即可創(chuàng)建一個新工程；

(2)配置調(diào)選項

選擇Eclipse菜單中的Run->Debug Configurations, 彈出Debug configurations

(3)debugger選項卡，配置

Debugger：gdbserver
GDB debugger:gdb-multiarch

進行單步調(diào)試Linux內(nèi)核

主機端運行qemu仿真系統(tǒng)

qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu cortex-a57 -machine type=virt -m 1024 -smp 1 -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

啟動Eclipse，選擇Run->Debug History, 在Debugger Console選項卡輸入file vmlinux導入調(diào)試文件的符號表；輸入set architecture aarch64命令，設定GDB支持ARM64架構(gòu)：

配置完成，便可在Eclipse可視化環(huán)境，進行l(wèi)inux內(nèi)核單步調(diào)試；

Eclipse比GDB命令直觀很多，可以方便查看參數(shù)，局部變量，寄存器值等；

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