基于QEMU的嵌入式系統(tǒng)仿真環(huán)境的構(gòu)建

陳宇星，張 力，謝發(fā)榮

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明 650500)

1 引言

在后PC時代和物聯(lián)網(wǎng)概念盛行的今天，嵌入式設(shè)備無所不在。其中ARM微處理器是一種低功率高性能的32位RISC微處理器，目前ARM微處理器已經(jīng)深入到無線通信、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、智能家居和汽車數(shù)碼等各個領(lǐng)域。而ARM9作為ARM系列中的主流產(chǎn)品，具有很高的性價比，在各個方面都有很廣的應(yīng)用，此處使用的MINI2440開發(fā)板就是采用了基于ARM9架構(gòu)的S3C2440微處理器。

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，由于目標(biāo)機和宿主機使用的是不同體系結(jié)構(gòu)的處理器，因此無法在宿主機上運行和測試目標(biāo)程序，通常需要建立一個交叉編譯環(huán)境，將編譯后的可執(zhí)行二進制文件下載到目標(biāo)平臺上運行。如此就使得只能在目標(biāo)操作系統(tǒng)移植系統(tǒng)設(shè)計完成之后，才能進行嵌入式軟件的調(diào)試和開發(fā)［1］。而又因為嵌入式開發(fā)一般需要邏輯分析儀、在線調(diào)試器和硬件設(shè)備這樣一套開發(fā)調(diào)試組合平臺，費用常常高達數(shù)萬元甚至十幾萬元以上，所以對于想進行嵌入式操作系統(tǒng)研究學(xué)習(xí)或應(yīng)用軟件設(shè)計開發(fā)的研發(fā)人員而言，就可能存在以下兩個問題:

1)由于經(jīng)費不足，無法購買必須的硬件設(shè)備和軟件來構(gòu)造學(xué)習(xí)和開發(fā)的環(huán)境。

2)對硬件不太熟悉而在調(diào)試硬件方面耗費太多精力，而高層次的軟件設(shè)計和開發(fā)一般又不用太考慮底層硬件的實現(xiàn)細節(jié)，如果直接處于一個實際的硬件環(huán)境中，在開發(fā)和研究時就可能陷入硬件的具體細節(jié)中，不能把精力放在軟件開發(fā)上。

因此有必要使用一種介于嵌入式操作系統(tǒng)和硬件之間的嵌入式仿真系統(tǒng)即仿真軟件，來模擬各種硬件設(shè)備，使得開發(fā)者和學(xué)習(xí)者在此平臺上可模擬各種硬件設(shè)備，從而獲得一種高效且廉價(甚至是免費)的學(xué)習(xí)和開發(fā)環(huán)境［2］。

2 仿真軟件與嵌入式系統(tǒng)

通常，仿真軟件是指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離的環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)。仿真軟件能夠在其運行的計算機系統(tǒng)上創(chuàng)建一個封閉的隔離環(huán)境，并能夠保證虛擬環(huán)境中計算行為的安全性。而嵌入式系統(tǒng)作為一種特殊的軟件和硬件綜合體，其普遍被認同的定義是:以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專業(yè)計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外網(wǎng)硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和特定的應(yīng)用程序所組成。其中硬件平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的主要特點，不同的應(yīng)用通常有不同的硬件環(huán)境［3］。而嵌入式操作系統(tǒng)則具有相當(dāng)不變性，主要完成嵌入式應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度和控制等核心功能，具有內(nèi)核較精簡、可配置、與高層應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)等特點。嵌入式應(yīng)用程序運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供的機制完成特定的嵌入式應(yīng)用［4］。

仿真軟件和嵌入式系統(tǒng)的以上特征決定了此處所描述的嵌入式仿真系統(tǒng)需要在通用的LINUX和WINDOWS平臺上實現(xiàn)一個如圖1所示的仿真集成開發(fā)環(huán)境，模擬ARMLinux、uCOS－II、WinCE 等常見嵌入式計算機系統(tǒng)和TCP/IP、圖形子系統(tǒng)和文件子系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件，并可對它們進行源碼級別的分析和測試。

圖1 仿真平臺結(jié)構(gòu)圖

3 基于ARM9的仿真軟件

由于此處需要對ARM9－S3C2440微處理器嵌入式系統(tǒng)(簡稱ARM2440)進行模擬仿真，而目前可以模擬ARM2440的指令級仿真軟件有以下幾款:QEMU、ARMulator、國內(nèi)清華大學(xué)研發(fā)的 Skyeye，還有2010年國內(nèi)慧至科技公司研發(fā)的Realboard仿真軟件平臺。

鑒于從方便性、靈活性、成熟度和發(fā)展前景來分析比較，文章選擇了QEMU。因為QEMU系統(tǒng)是目前較為先進的可開發(fā)源代碼的具有動態(tài)二進制翻譯技術(shù)的跨平臺仿真軟件，它可以模擬IA32(x86)、ARM、AMD64、MIPS R4000、SPARC sun3 與 PowerPC(Prep及Power Macintosh)等架構(gòu)。而QEMU的原理是首先將ELF格式的可執(zhí)行文件翻譯成中間形式，然后根據(jù)中間形式，拷貝編譯好的微操作代碼(由C語言實現(xiàn))，形成目標(biāo)基本塊，最后再執(zhí)行此基本塊。它的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］。

圖2 QEMU總體結(jié)構(gòu)圖

另外目前的QEMU仿真速度已經(jīng)越來越快，不需要像skyeye一樣必須使用配置文件設(shè)置內(nèi)存地址等信息，而是可以直接使用腳本命令進行修改操作，其中更重要的一點就是其網(wǎng)絡(luò)配置十分方便，它有三種網(wǎng)絡(luò)模式可供選擇，其中的TUN/TAP模式在Linux系統(tǒng)中模擬網(wǎng)絡(luò)是很標(biāo)準(zhǔn)的做法，這就與vmware和vitualbox等常用虛擬機的橋接網(wǎng)絡(luò)配置方式是一樣的。這種網(wǎng)絡(luò)配置方式特別有利于進行U－Boot中的TFTP傳輸燒寫內(nèi)核和掛載NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的實驗［6］。

4 建立嵌入式開發(fā)環(huán)境

此處所使用的宿主機平臺為發(fā)行版Linux免費操作系統(tǒng)Ubuntu 11.10，主要是為了方便編譯工具的安裝制作，減少編譯源碼時產(chǎn)生的函數(shù)庫依賴問題。當(dāng)然宿主機平臺也可以使用其他的操作系統(tǒng)搭建編譯環(huán)境，例如在WINDOWS上安裝MinGW和MSYS以及CodeSourcery ARM EABI交叉編譯工具鏈，由于在這些環(huán)境中建立仿真平臺比在Ubuntu上更為復(fù)雜，因此這里就不予闡述了。

雖然在Ubuntu上使用軟件源自動安裝的標(biāo)準(zhǔn)QEMU仿真軟件中的qemu－system－arm命令并不支持基于ARM920T的S3C2440處理器，但是可以從http://repo.or.cz/這個網(wǎng)站里面下載到專門支持S3C2440處理器的QEMU for MINI2440仿真軟件源碼和U－Boot for MINI2440引導(dǎo)程序源碼，還有Linux kernel for MINI2440的內(nèi)核源碼。

其中Qemu for MINI2440是已經(jīng)經(jīng)過修改專門為MINI2440開發(fā)板定制并且以u－boot為引導(dǎo)程序的專用性很強的源碼。引導(dǎo)程序U－Boot for MINI2440也是把架構(gòu)清晰、可移植性強的U－Boot開源程序經(jīng)過修改使之適應(yīng)于MINI2440的網(wǎng)卡和NAND FLASH等硬件驅(qū)動。而Linux kernel for MINI2440則是將MINI2440開發(fā)板上的各種特殊硬件驅(qū)動程序加入到了標(biāo)準(zhǔn)linux內(nèi)核源碼中。

4.1 QEMU仿真環(huán)境的建立

首先，進入 Ubuntu宿主機系統(tǒng)，執(zhí)行以下命令［7］:

sudo apt－get install build－essential ddd cpio libncurses5－dev libsdl－dev zlib1g－dev

此時，宿主機操作系統(tǒng)安裝了QEMU編譯工具GCC和必備的函數(shù)庫。接著執(zhí)行下列命令安裝TUN/TAP虛擬網(wǎng)絡(luò)仿真模塊:

sudo apt－get install kernel－package linuxsource//下載內(nèi)核源碼

cd/usr/src/linux－source－‘uname －r’

sudo tar xjvf linux－source－‘uname －r’

cd linux－source－‘uname －r’

sudo－s//進入root根用戶模式

cp/boot/config－［kernel－version］./.config make menuconfig//配置內(nèi)核，將 TUN/TAP選擇(M)編譯模塊

make modules//重新只編譯(M)模塊選項，不編譯(*)選項支持的功能

cp ./driver/net/tun.ko/lib/module/’uname －r’/kernel/driver/net

depmod//重新建立模塊依賴關(guān)系

modprobe tun//加載TUN虛擬網(wǎng)絡(luò)模塊

lsmod|grep tun//檢查若出現(xiàn) tun 87040則成功加載TUN模塊

然后到 http://repo.or.cz/w/qemu/mini2440.git/snapshot/HEAD.tar.gz 下載 qemu for mini2440源碼包，解壓后，在源代碼的主目錄中執(zhí)行下面的命令行操作對QEMU進行編譯:

./configure－ －target－list=arm－softmmu Make－j4

最后，在arm－softmmu文件夾內(nèi)將生成qemu－system－arm這個二進制程序。

4.2 編譯移植U－Boot

首先，使用以下命令安裝交叉編譯工具:

tar jxvf arm－2008q3－72－arm－none－linuxgnueabi－i686－pc－linux－gnu.tar.bz2－C/

export PATH=$PATH:/opt/arm－2009q1/bin/

使用以上最后一條命令將交叉編譯工具目錄加入環(huán)境變量，則交叉工具鏈 arm－none－linuxgnueabi－將在此終端命令行中產(chǎn)生作用。

然后下載U－Boot源碼包，使用下列命令將它解壓編譯:

mv HEAD.tar.gz uboot.tar.gz

tar xzvf uboot.tar.gz

cd uboot

打開Makefile配置文件，將CROSS_COMPILE變量修改賦值為現(xiàn)有的交叉編譯工具鏈的名稱:arm－none－linux－gnueabi－

再執(zhí)行下列命令進行編譯:

make mini2440_config

make－j4

編譯完畢后，即在當(dāng)前目錄下生成名為uboot.bin的文件。注意如果在之后需要使用 uboot的nfs下載文件功能，需要修改代碼中的一部分，將net/nfs.c文件中的 NFS_TIMEOUT=2UL修改為NFS_TIMEOUT=20000UL，這樣就可以添加延時時間，從而避免NFS文件下載失敗。還有最好將其中初始化IP地址的代碼修改為和自己宿主機當(dāng)前的IP地址同屬一個網(wǎng)段，以方便以后的TFTP和NFS 聯(lián)網(wǎng)實驗［8］。

最后，將編譯好的 u－boot.bin拷貝到 qemu/mini2440文件夾中去。

4.3 編譯移植Linux kernel for MINI2440

首先，使用以下命令安裝Uimage制作工具:sudo apt－get install uboot－mkimage

然后編譯Linux kernel for mini2440:make mini2440_defconfig ARCH=arm

make－j4 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm－none－linux－gnueabi－ uImage

最后，會在arch/arm/boot目錄下生成uImage文件，將此文件復(fù)制到qemu目錄下面的mini2440文件夾下，并將 mini2440文件夾中的 mini2440_start.sh作如下修改，將 kernel一行改為 – kernel“$base/uImage”即可［9］。

4.4 掛載rootfs－qtopia－qt4文件系統(tǒng)

首先，在友善之臂公司的官網(wǎng) http://www.arm9.net/download.asp上可以下載到基于 Linux kernel for mini2440的Rootfs－Qtopia－Qt4這樣的目標(biāo)文件系統(tǒng)壓縮包，它是基于 Busybox－1.13.3，包含 Qtopia－2.2.0 和 QtE －4.6.3 可以自由切換運行的雙圖形系統(tǒng)。使用以下命令將它解壓［10］:

sudo tar xzvf rootfs_qtopia_qt4 －20100816.tar.gz－C/opt/nfs

然后，進入/opt/nfs/rootfs_qtopia_qt4這個文件夾中，修改etc/init.d/rcS這個文件，將下面兩個語句按照如下方式注釋掉即可:

#/sbin/ifconfig lo 127.0.0.1

#/etc/init.d/ifconfig － eth0

其次，修改/etc/exports文件，在文件末尾添加如下一行:

/opt/nfs/rootfs_qtopia_qt4*(rw，sync，no_root_squash)

并按照如下命令安裝NFS服務(wù)器，并啟動之:

sudo apt－get install nfs－kernel－server

sudo/etc/init.d/nfs－ kernel－ server restart

進入qemu/mini2440這個文件夾中，修改mini2440_start.sh這個文件，改為下面的語句:

－net tap，vlan=0，ifname=tap0，script="$base/qemu－ifup"，downscript="$base/qemu－ifdown"

最后，當(dāng)做完以上修改后，在命令行中進入qemu目錄，并輸入以下命令:

sudo ./mini2440/mini2440_start.sh

就可以看到終端中kernel開始加載的信息，當(dāng)文件系統(tǒng)成功掛載后，可以在QEMU軟件中看到Qtopia2圖形操作系統(tǒng)。

5 移植QT4應(yīng)用程序

本rootfs－qtopia－qt4文件系統(tǒng)之中有一個友善公司制作的名稱為Start Qt4.6.3的軟件，點擊后可以自動切換進入QT4圖形環(huán)境。本實驗移植了一個基于QT4開發(fā)的電子詞典qt－dict［11］。由于本部分涉及的代碼修改過程和移植方法細節(jié)較多，在這里就不做詳細介紹了［12］。

移植成功后，仿真實驗效果如圖3所示。

6 結(jié)束語

隨著社會的快速發(fā)展，嵌入式在人們生活的方方面面扮演著越來越重要的角色，ARM微處理器已經(jīng)出現(xiàn)在人們周圍各式各樣的設(shè)備中。而QEMU作為一個純軟件的開源跨平臺硬件仿真平臺已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用，例如最近比較流行的智能移動終端操作系統(tǒng)Android的開發(fā)模擬平臺使用的就是QEMU仿真軟件。QEMU的出現(xiàn)為嵌入式軟件設(shè)計節(jié)約了大量的開發(fā)時間。此處建立的開發(fā)環(huán)境，使得開發(fā)人員可以在沒有開發(fā)板的情況下進行前期軟件開發(fā)、調(diào)試和試運行，大大提高了開發(fā)效率，是對嵌入式軟件開發(fā)的有力支持。

圖3 基于QT4圖形界面的電子詞典

［1］江樂斌.嵌入式MCU仿真的研究與實現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2007.

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［6］Wolfgang Mueller.1st International QEMU Users Forum［C］.Alpexpo，Grenoble，F(xiàn)rance，2011.

［7］Leao.使用qemu建立mini2440的模擬仿真環(huán)境［EB/OL］.2011. http://www.cnblogs.com/jinmu190/archive/2011/03/21/1990698.html

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［9］盛惠興，王海濱，姚家坤.嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化［J］.微電子學(xué)與計算機，2007，24(6):94 －96.

［10］陳峰，李濱滔，戈志華.基于S3C2410的嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(20):55 －57.

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