Windows平台使用QEMU搭建ARM+Linux开发环境

起因

由于目前市面上很多模拟器诸如夜神,网易MUMU,基本上使用的是x86的架构,虽然运行ARM程序没有问题,但是如果想使用gdb对ARM程序进行调试的话,就显得力不从心了,各种问题层出不穷,

当然调试x86程序是没有问题的，

如果非要对ARM程序进行gdb调试的话，可以采用Android Studio原生的模拟器（原生ARM太卡），但是考虑到很多人并不是从事安卓开发，加上Studio中的模拟器本就基于QEMU, 那么为了方便，我们直接搭建QEMU的环境

实验环境

• Windows宿主平台
• QEMU安装包（这里使用的是20201124的版本）：https://qemu.weilnetz.de/w64/
• 树莓派系统镜像：http://downloads.raspberrypi.org/raspbian/images/raspbian-2020-02-14/ 树莓派是基于Debian的Linux系统

操作步骤

QEMU下载安装完毕后,其安装目录会包含很多不同架构的执行文件,这里我们选择qemu-system-arm.exe,打开命令窗口:

qemu-system-arm.exe -machine versatilepb -L  -m 128  -hda 2020-02-13-raspbian-buster.img

相关指令选项介绍:

• -M :指定机器
• -name：给虚拟系统起个名称
• -cpu:指定cpu型号
• -smp :指定cpu的个数 比如-smp 2
• -m: 指定内存大小单位MB
• -vga :指定显卡 比如 -vga vmware
• -hda: 指定硬盘镜像
• -initrd: 指定 RAM磁盘镜像
• -fda : 指定软盘镜像
• -L:bios位置
• -cdrom:光盘镜像
• -no-reboot: 不重启退出
• -kernel :指定内核文件
• -serial :设置串口 比如:-serial stdio 表示 重定向Guest 的串口到Host的标准输入输出
• -boot :启动模式 一共有三种 , 分别为floppy(a), hard disk(c), CD-ROM(d)

上面这条指令显然无法启动系统，因为还缺少了相应kernel-qemu文件和配置：

kernel-qemu下载：

GitHub - dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel: Qemu kernel for emulating Rpi on QEMU

我们选择里面的versatile-pb-buster.dtb 和kernel-qemu-5.4.51-buster 这两个文件进行下载，这是和系统版本一一对应的。下载后最好放在qemu的安装目录

然后输入以下指令：

qemu-system-arm -M versatilepb -cpu arm1176 -m 256 -drive "file=系统镜像路径,if=none,index=0,media=disk,format=raw,id=disk0" -device "virtio-blk-pci,drive=disk0,disable-modern=on,disable-legacy=off" -net "user,hostfwd=tcp::5022-:22" -dtb versatile-pb-buster.dtb -kernel kernel-qemu-5.4.51-buster -append "root=/dev/vda2 panic=1" -no-reboot -net nic

注意：需要按照以上指令运行，否则有可能出现系统启动不起来的情况 -net nic 可开启网络 方便远程连接 -net "user,hostfwd=tcp::5022-:22" 表示设置端口映射

系统安装完毕后，直接进入树莓派桌面，在弹出的设置窗口中可以更改系统语言为中文, 还可以设置系统密码

至此ARM+Linux环境搭建完毕

准备开发

接下来我们通过ssh连接树莓派终端,打开cmd命令窗口,输入:

ssh pi@127.0.0.1 -p 5022

回车后会提示输入密码,这里输入之前设置的系统密码

此时就进入树莓派的Linux终端,为什么不直接使用qemu中的LX终端? 还不是因为模拟器延迟卡顿

如果想往树莓派中传输文件,可以直接使用ftp工具,比如FileZilla或者 SecureCRT 选择sftp或者ssh2模式,其登陆参数如下:

• 主机:127.0.0.1
• 用户名:pi
• 端口:5022,
• 密码同上

程序调试

紧接着使用gdb+gdbserver对C程序进行调试

首先利用ftp工具将已经编译好的可执行文件和GCC包下arm-none-linux-gnueabi\libc\usr\bin目录中的gdbserver传送到模拟器中

然后执行以下命令:

./gdbserver :22349 test

开始监听端口, 但是问题来了,该模拟器的ip不在局域网段上,导致宿主机连接不上, 如果你也出现同样的问题,可以采用端口映射的办法来替代,方法很简单,只需要在模拟器启动时多追加加上一行参数hostfwd=tcp::22349-:22349,具体启动指令修改如下:

qemu-system-arm -M versatilepb -cpu arm1176 -m 256 -drive "file=2020-02-13-raspbian-buster.img,if=none,index=0,media=disk,format=raw,id=disk0" -device "virtio-blk-pci,drive=disk0,disable-modern=on,disable-legacy=off" -net "user,hostfwd=tcp::5022-:22,hostfwd=tcp::22349-:22349" -dtb versatile-pb-buster.dtb -kernel kernel-qemu-5.4.51-buster -append "root=/dev/vda2 panic=1" -no-reboot  -net nic

如此一来就可以在宿主gdb调试窗口中直接使用以下指令进行连接:

(gdb) target remote 127.0.0.1:22349

连接成功了,通过以上这种方式,我们只需要将模拟器启动使其后台运行,我们通过ssh进行登录连接,这样速度快了很多,而且相比一些安卓模拟器,QEMU占用系统资源也不高

另外我们发现，还存在声卡缺失，同时运行有延迟卡顿现象，我们接下来对这两方面进行优化

小问题

如果是raw格式,可能会有些风险警告,可以通过-drive format=raw进行指定处理:

qemu-system-arm.exe  -machine raspi2b -drive file=2020-02-13-raspbian-buster.img,format=raw,index=0,media=disk

附加内容

查看cpu信息:

lscpu

查看系统和内核版本:

uname -a

镜像备份模式

随着我们对系统的频繁操作我们发现系统镜像文件在不断增大，此时想要回到原来的状态，只能重新下载镜像安装了，如果你不想遭受重新下载的痛苦，那么建议你使用备份镜像的模式进行系统的安装

这时qemu-img.exe派上了用场，它不仅可以帮助你创建空镜像文件，而且还可以对已有的镜像文件进行格式转换，QEMU支持的镜像有以下：

qemu-img 支持非常多种的文件格式，可以通过 qemu-img -h 查看. 其中 raw 和 qcow2 是比较常用的两种， raw 是 qemu-img 命令默认的，qcow2 是 qemu 目前推荐的镜像格式，是功能最多的格式

创建空镜像文件：

qemu-img create -f qcow2 test.qcow2 10G

• -f 选项用于指定镜像的格式，
• qcow2 格式是 QEMU最常用的镜像格式，采用来写时复制技术来优化性能。
• test.qcow2 是镜像文件的名字，
• 10G是镜像文件最大值

镜像转换:

qemu-img.exe  convert -f raw system.img -O vmdk  system.vmdk

表示将原始格式的镜像文件转换成vmdk格式

使用备份镜像的方式启动镜像示例：

qemu-system-x86_64 -m 2048 -enable-kvm test.qcow2 -cdrom Centos-Desktop-x86_64-20-1.iso

附加镜像

• openwrt:https://archive.openwrt.org/chaos_calmer/
• Debian系统镜像：https://people.debian.org/~aurel32/qemu/
• 谷歌安卓原生镜像：https://developers.google.cn/android/images
• 树莓派x86镜像: https://www.raspberrypi.org/downloads/raspberry-pi-desktop/