Qemu

来自百问网嵌入式Linux wiki
Weidongshan（讨论 | 贡献）2019年11月25日 (一) 11:26的版本 （→‎准备工作）

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QEMU使用手册

QEMU简介

QEMU的英文单词是：Quick Emulator，它是一个小巧的模拟器。

还有很多模拟器，比如VMWare、Virtual Box等。但是VMWare、Virtual Box只能模拟x86、AMD64/Intel64等PC系统；

而QEMU可以模拟更多硬件：ARM、MIPS、PPC、x86、AMD64/Intel64。
QEMU用途广泛，比如Xen、Android模拟器等都是基于QEMU的。
在嵌入式领域，很多人使用QEMU来深研Linux，比如研究文件系统、优化等等。
QEMU有两种模式：

用户模式（User Mode)

简单地说，一个使用arm-xxx-gcc编译出来的程序，是给ARM板子使用的，它无法在PC机上运行，只能放到ARM板子上去运行。
借助qemu，可以在PC机上运行ARM程序。比如：
$ gcc -o hello hello.c -static
$ ./hello // 这个hello程序是使用gcc给PC机编译的，可以直接运行
Hello, world!
$ arm-linux-gnueabihf-gcc -o hello hello.c -static // 它是给ARM板子编译的
$ ./hello // 所以无法在PC上运行
bash: ./hello: cannot execute binary file: Exec format error
$ ./qemu-arm ./hello // 我们可以用QEMU在PC上运行它
Hello, world!
在PC上使用qemu运行单个ARM程序时，这就是使用QEMU的用户模式。
它会把ARM指令翻译为PC的指令去运行。
注意，你可能无法做上述实验，因为：
  1. 你没有安装ARM交叉编译工具链
  2. 你没有安装QEMU


你根据下章《QEMU快速使用》安装QEMU后，就可以进行上述实验了。


系统模式（System Mode）

很多时候我们并不满足于在PC上运行单个ARM程序，我们想模拟出整个ARM单板：在这个模拟出来的虚拟ARM单板上，运行Linux系统，在其中运行各种APP。
这时候需要使用QEMU的系统模式。
我们就是使用QEMU的系统模式来模拟IMX6ULL开发板，具体的使用请看下章。


我们做的改进

QEMU可以模拟x86，也可以模拟各种ARM板子，还可以模拟各种外设。
百问网对QEMU做了很多改进，支持更多硬件，支持更多GUI现实，支持更方便的调试。

*

100ask-qemu特点
  1. 模拟网卡
  2. 模拟LCD显示功能
  3. 模拟led灯、按键
  4. 模拟at24cxx i2c存储芯片，直接可以通过用户态操作看到效果
  5. 增加逻辑分析仪显示功能
  6. 后续会逐渐增加更多的模拟硬件模块


6.1 温湿度传感器
6.2 红外
6.3 超声波模块
6.4 ADC,DAC模块
6.5 I2C接口的传感器
6.6 SPI接口的OLED
6.7 你想加啥，跟我们说


QEMU快速使用

使用apt-get当然也可以安装QEMU，但是它版本太低，也不支持IMX6ULL。
新版本QEMU已经支持IMX6ULL，我们在此基础上添加了更多功能，也修改了一些BUG。
所以，请参考本文安装我们定制的QEMU。

准备工作

必须的：
  1. 一台可以上网的windows电脑
  2. 一个可以正常使用Ubuntu虚拟机VMWare系统，也要能上网


注意：很多人碰到VMWare中Ubuntu联网问题问题，可以参考此链接：


可选的(注意，如果想要有更快的效果，在ubuntu下可以安装KVM)：
安装kvm加速qemu运行，在终端下执行如下命令：
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install qemu qemu-kvm libvirt-bin bridge-utils virt-manager

获取镜像

我们只提供ubuntu 16.04和ubuntu 18.04系统的QEMU镜象文件。

① ubuntu-18.04开发环境下qemu imx6ul系统镜像下载地址：


② ubuntu-16.04开发环境下qemu imx6ul系统镜像下载地址：


下载完成后上传到Ubuntu虚拟机中，执行如下命令进行解压缩操作。

① ubuntu-16.04解压操作步骤 

$ tar -xvf weidongshan-ubuntu-16.04_imx6ul_qemu_system-release.tgz
然后进入ubuntu-16.04_imx6ul_qemu_system目录执行后文介绍的命令。


② ubuntu-18.04解压操作步骤 

$ tar -xvf weidongshan-ubuntu-18.04_imx6ul_qemu_system-release.tgz
然后进入ubuntu-18.04_imx6ul_qemu_system目录执行后文介绍的命令。


运行QEMU系统

假设你已经按照上文下载、解压好了QEMU镜像文件，你需要进入QEMU的目录，执行下列命令。

首次运行需要安装SDL环境以及解压文件系统镜像:

使用脚本自动解压安装：
$ ./install_sdl.sh // 提示输入用户密码，等待安装完成

运行带GUI的imx6ul模拟器

① 模拟百问网imx6ul-qemu开发板
$ ./qemu-imx6ul-gui.sh // 启动后，登录名是root，无需密码
② 模拟野火imx6ul-pro开发板
$ ./qemu-imx6ul-gui.sh fire // 启动后，登录名是root，无需密码
③ 模拟正点原子imx6ul-alpha开发板
$ ./qemu-imx6ul-gui.sh atk // 启动后，登录名是root，无需密码

运行不带GUI的imx6ul模拟器 

$ ./qemu-imx6ul-nogui.sh // 启动后，登录名是root，无需密码

参数讲解

可以打开脚本文件qemu-imx6ul-gui.sh，它就是运行qemu-system-arm程序。其中用到了很多参数：

-M mcimx6ul-evk 指定需要模拟的单板型号。

-m 512M 指定板子的内存大小。

-kernel zImage 指定使用的内核镜像文件。

-dtb 100ask_imx6ul_qemu.dtb 指定使用的设备树文件。

-display sdl 指定使用那种图形显示输出。

-serial mon:stdio 指定串口信息输出。

-drive file=rootfs.img,format=raw,id=mysdcard 名为mysdcard的drive,源为rootfs.img

-device sd-card,drive=mysdcard 添加一个sd-card设备,内容来自名为mysdcard的drive

-append “console=ttymxc0,115200 rootfstype=ext4 root=/dev/mmcblk1 rw rootwait init=/sbin/init loglevel=8” 指定内核的命令行参数

-nic user 指定网卡为user mode

有了内核zImage、设备树、文件系统(rootfs.img)，这就是一个完整的Linux系统。
注意：QEMU中没有实现bootloader，以后我们会完全模拟SD卡，在SD卡上面放置u-boot、内核、设备树、文件系统。

百问网imx6ull-qemu开发板资料下载

百问网imx6ul-qemu开发板，并不是真实的开发板，我们可以在它上面添加任意硬件，当然也会提供原理图。
这款虚拟开发板的资料可以从网盘中下载，打开以下链接：
找到：找到“韦东山升级版全系列视频开发板BSP包”，打开对应的网盘链接后，可以看到一个目录“100ask_imx6ull-qemu”。


2.5 QEMU操作示例

先执行以下命令启动QEMU，它模拟百问网imx6ul-qemu开发板：

$ ./qemu-imx6ul-gui.sh // 启动后，登录名是root，无需密码

它会弹出一个开发板的界面，并且运行该开发板的Linux系统，你可以在终端中操作该开发板：
注意：当你的鼠标点击QEMU的GUI界面时，鼠标将无法移出这个GUI界面。这时可以通过快捷键“Ctrl+Alt+g”把鼠标从GUI界面中退出来。

2.5.1 操作设备管理器

我们的计划是模拟更多的外设，为形象地操作这些外设，每个外设都会有一个GUI界面。可能会有多达几十、上百个外设，如果一下子显示那么多GUI界面，会很乱。
所以我们实现了一个“设备管理”，如下所示。可以点击它上面的某个按钮，显示或隐藏某个外设的GUI界面。


2.5.2 操作LCD

我们模拟的IMX6ULL板子，它的Linux系统中已经带有LCD的测试命令，可以执行以下命令测试：

[root@qemu_imx6ul:~]# fb-test

或

[root@qemu_imx6ul:~]# myfb-test /dev/fb0


效果如下：


2.5.3 操作LED

我们模拟的IMX6ULL板子，它的Linux系统中已经带有LED驱动和测试命令，可以执行以下命令测试：

[root@qemu_imx6ul:~]# cd led_driver_qemu/

[root@qemu_imx6ul:~/led_driver_qemu]# insmod 100ask_led.ko

[root@qemu_imx6ul:~/led_driver_qemu]# ./ledtest /dev/100ask_led0 off

[root@qemu_imx6ul:~/led_driver_qemu]# ./ledtest /dev/100ask_led0 on


效果如下：

2.5.4 使用按键来控制LED

我们模拟的IMX6ULL板子，它的Linux系统中已经带有LED驱动、按键驱动和测试命令。
首先在“QEMU 设备管理器”中打开按键的界面，然后执行以下命令测试：

[root@qemu_imx6ul:~]# cd led_driver_qemu/

[root@qemu_imx6ul:~/led_driver_qemu]# insmod 100ask_led.ko

[root@qemu_imx6ul:~/led_driver_qemu]# cd ../button_driver_qemu/

[root@qemu_imx6ul:~/button_driver_qemu]# insmod button_drv.ko

[root@qemu_imx6ul:~/button_driver_qemu]# insmod board_100ask_qemu_imx6u

[root@qemu_imx6ul:~/button_driver_qemu]# ./button_led_test


效果如下图(只实现了左边的2个按键，右边的2个按键留待以后实现其他目的)：


2.5.5 读写I2C EEPROM AT24C02

我们模拟的IMX6ULL板子，它已经实现了对I2C设备AT24C02的模拟。
首先在“QEMU 设备管理器”中打开at24c02的界面，然后执行以下命令测试：

// 0x50是AT24C02的I2C设备地址

[root@qemu_imx6ul:~]# i2c_usr_test /dev/i2c-0 0x50 r 0 // 读地址0

data: , 0, 0x00

[root@qemu_imx6ul:~]# i2c_usr_test /dev/i2c-0 0x50 w 1 0x58 // 写地址1，写入0x58


效果如下图：


== 使用QEMU进行嵌入式Linux开发 ==

完整的嵌入式Linux系统包含：bootloader、Linux内核、设备树、根文件系统。
QEMU可以略过bootloader而直接启动内核，这给开发带来了便利。
但是以后我们会修改QEMU，让它支持从SD卡上启动bootloader，让bootloader来启动内核。
在本章中，我们介绍如何编译并替换内核、编译并替换设备树，修改根文件系统。

=== 获取源码 ===

我们的源码都是存放在GIT中，所以需要确保你的Ubuntu可以上网。如果不能上网，请参考以下链接：

3.1.1 设置git邮箱账号和用户名

在Ubuntu中执行如下命令：

book@100ask:~$ git config --global user.email "you@example.com"

book@100ask:~$ git config --global user.name "Your Name"

初次使用GIT时，需要配置邮箱帐号和用户名，可以随意指定。

3.1.2 下载源码

考虑到代码仓库过多，特使用repo工具管理代码。
先用git clone下载repo工具，再用repo工具下载源码：

book@100ask:~$ git clone https://git.dev.tencent.com/codebug8/repo.git

book@100ask:~$ mkdir -p 100ask_imx6ull-qemu && cd 100ask_imx6ull-qemu

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu$ ../repo/repo init -u https://dev.tencent.com/u/weidongshan/p/manifests/git -b linux-sdk -m imx6ull/100ask-imx6ull_qemu_release_v1.0.xml --no-repo-verify

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu$ ../repo/repo sync -j4


上面使用的repo管理的是国内coding仓库，从国内仓库下载会快很多。


如果一切正常，你在/home/book目录下创建了一个100ask_imx6ull-qemu目录，里有如下内容：


=== 设置工具链 ===

交叉编译工具链主要是用于在ubuntu主机上编译可以在其它平台上运行的系统，比如在PC上为ARM板子编译程序。
设置交叉编译工具主要是设置PATH， ARCH和CROSS_COMPILE三个环境变量，下面介绍具体设置方法。

3.2.1 永久生效

如需永久修改，请修改用户配置文件。在Ubuntu系统下，修改如下：

book@100ask:~$ vi ~/.bashrc


在行尾添加或修改：

export ARCH=arm

export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-qemu/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin


3.2.2 临时生效

如果你有很多单板，为了不冲突，你不能使用“永久生效”的办法。比如你有32位的ARM板，也有64位的ARM板，在使用前者时需要设置ARCH=arm，在使用后者时需要设置ARCH=arm64。
这种情况下，可以使用“export”命令设置环境变量，这种设置方法只对当前终端有效：

book@100ask:~$ export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-qemu/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin

book@100ask:~$ export ARCH=arm

book@100ask:~$ export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-


3.2.3 手动指定

执行make命令时，可以手工指定ARCH架构、CROSS_COMPILE等变量：

book@100ask:~$ export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-qemu/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin

book@100ask:~$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-


不过这种方法效率太低，不建议使用。


3.3 编译内核及设备树

前面我们下载了源码，设置好工具链后，即可编译：

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu$ cd linux-4.9.88

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88$ make mrproper

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88$ make 100ask_imx6ul_qemu_defconfig

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88$ make zImage -jN //编译zImage 内核镜像，其中N参数可以根据CPU个数，来加速编译系统。

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88$ make dtbs //编译设备树文件


编译成功后，可以得到如下文件：

arch/arm/boot/zImage // 内核

arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ul_qemu.dtb // 设备树


如果你修改过内核，或是修改过设备树文件，那么可以用上面2个文件去替换QEMU中的zImage和100ask_imx6ul_qemu.dtb。
QEMU中的zImage和100ask_imx6ul_qemu.dtb在哪？你安装我们提供的QEMU时，可以得到这样的脚本：qemu-imx6ul-gui.sh。打开它就可以知道这2个文件在哪里了。
一般位于imx6ul-system-image目录下：


3.4 修改文件系统

安装好我们提供的QEMU后，你可以得到一个imx6ul-system-image目录，里面有名为rootfs.img的文件，它就是根文件系统：
你可以在Ubuntu下直接修改rootfs.img，不过要先挂载，执行以下命令：
主要命令就是：

sudo mount -o loop rootfs.img /mnt

你就可以在/mnt目录下对其中的文件进行操作了，也可以把Ubuntu中的文件复制进去。
注意：修改完毕后，要执行以下命令：

sudo umount /mnt

3.5 启动模拟器后使用NFS

安装好我们提供的QEMU后，可以执行如下命令启动开发板：

$ ./qemu-imx6ul-gui.sh // 启动后，登录名是root，无需密码


等待进入系统后，就可以使用网络命令挂载Ubuntu的NFS目录了。

3.5.1 在Ubuntu上安装、配置NFS服务

如果你使用的是我们提供的Ubuntu，那么已经安装好了NFS服务。
如果你的Ubuntu未安装NFS服务，那么在确保Ubuntu可以上网的前提下，执行以下命令：

sudo apt-get install nfs-kernel-server


然后，还得修改/etc/exports，添加类似以下的内容，下面的例子里允许开发板通过NFS访问Ubuntu的/home/book、/work两个目录：

/home/book *(rw,nohide,insecure,no_subtree_check,async,no_root_squash)

/work *(rw,nohide,insecure,no_subtree_check,async,no_root_squash)


最后，重启NFS服务，在Ubuntu上执行以下命令：

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


可以在Ubuntu上通过NFS挂载自己，验证一下NFS可用：

sudo mount -t nfs -o nolock,vers=3 127.0.0.1:/home/book /mnt

ls /mnt

3.5.2 开发板获取IP地址

QEMU运行时，Ubuntu是Host即宿主机，QEMU给它分配的IP是10.0.2.2。
QEMU模拟的imx6ull板子是Guest即客户机，它会自动获取IP，也可以自己设置。
Guest可以通过10.0.2.2访问Host，Host不能访问Guest。
Guest中可以使用ifconfig命令查看IP，如果没有IP，可以如下设置：

[root@qemu_imx6ul:~]# ifconfig eth0 10.0.2.15

3.5.3 挂载主机nfs目录

QEMU模拟的imx6ull开发板，可以去访问10.0.2.2，比如使用NFS挂载：

[root@qemu_imx6ul:~]# mount -t nfs -o nolock,vers=3 10.0.2.2:/home/book/nfs_rootfs /mnt


如果一切正常，在开发板上就可以通过/mnt目录访问Ubuntu的/home/book/nfs_rootfs目录了。


更新QEMU

我们使用QEMU来模拟IMX6ULL开发板，目的是学习嵌入式Linux系统。随着我们课程的陆续发布，我们也会给QEMU添加更多的功能。比如后面要讲到触摸屏时，就会修改QEMU让它支持触摸屏。
所以你需要不断地更新QEMU，有3个方法。

4.1 下载最新的release包

从下面2个地址就可以下载到最新的release包，解压开后即可使用：

① ubuntu-18.04开发环境下qemu imx6ul系统镜像下载地址：


② ubuntu-16.04开发环境下qemu imx6ul系统镜像下载地址：


注意：如果你之前对内核、设备树或是文件系统进行过修改，想继续使用这些修改过的文件的话，需要用它们来覆盖release包中解压出来的对应文件。

4.2 下载最新的qemu-system-arm可执行程序及配置文件

如果你不想下载整个release包，可以只替换其中的某些文件。
可以打开下面的某个网址(根据你的ubuntu版本号选择)：

https://dev.tencent.com/u/weidongshan/p/ubuntu-16.04_imx6ul_qemu_system/git

https://dev.tencent.com/u/weidongshan/p/ubuntu-18.04_imx6ul_qemu_system/git

以ubuntu 18.04为例，进入下图所示的bin、etc目录：
对于bin目录，只需要下载其中的qemu-sysmte-arm；对于etc目录，里面所有的bmp文件都要下载。
你之前在Ubuntu中曾经安排过我们提供的QEMU，你用下载的文件覆盖QEMU中的对应文件即可。

4.3 下载最新的qemu源码并编译

请参考后续章节，这属于对QEMU的开发了。对于嵌入式Linux初学者，没必要研究QEMU，使用我们提供的可执行程序即可。

QEMU开发手册

重要的事情说三遍：
对于嵌入式Linux初学者，对于QEMU无感者，对于急于找工作的人，
不需要深入研究QEMU，不需要看本开发手册，看前面的使用手册就可以了，会用就行。
不需要深入研究QEMU，不需要看本开发手册，看前面的使用手册就可以了，会用就行。
不需要深入研究QEMU，不需要看本开发手册，看前面的使用手册就可以了，会用就行。


我们使用QEMU来模拟IMX6ULL开发板，就像去制作一个开发板一样。作为初学者，你并不需要去设计开发板，会用开发板就可以了。
如果你想深入研究QEMU，想承接我们发布的QEMU外包项目，那么请阅读本手册。


QEMU框架简单，功能却很强大。
理解了它的框架之后，添加新的外设并不困难。当然这需要你对外设的原理有清楚的认识。
我们开发QEMU，要做的事情主要有3部分：

# 添加外设


比如添加一个LED，那么在QEMU中得有对应的源码，这些源码要监测LED对应的寄存器的值：当APP写寄存器时，这些源码要把那些值记录下来。


  1. 添加外设的GUI


QEMU的界面很简陋，它默认只实现了LCD的GUI显示。你想点亮LED，在QEMU上是看不出效果的。
所以我们需要给外设添加GUI界面。
比如上面举的LED例子，APP写寄存器时，除了把寄存器的值记录下来之后，我们还要在GUI界面显示一个LED，并且把它点亮或熄灭。


  1. 在虚拟开发板上开发测试程序


这个测试程序可以是裸机，也可以是Linux驱动+应用程序。
我们在QEMU模拟出来的板子上运行这些测试程序时，跟真实板子应该没有差别。


上述列的第1、2部分，需要对QEMU有所了解，请看本文的“开发手册”。
上述列的第3部分，跟QEMU无关，跟在真实板子上写的程序是一样的。


1. QEMU下载与编译

1.1 源码下载

官方的QEMU对IMX6ULL的支持还太弱，没有更形象化的GUI，也没有更多的外设。我们对它进行了大量的改进。
修改后的源码位于这2个GIT中：


实际上，如果你之前根据《使用手册：3. 使用QEMU进行嵌入式Linux开发》里的说明使用repo下载过源码，那么在下图中的qemu目录就是源码了：


你当然可以自行下载。在Ubuntu下，执行如下命令即可下载：

$ git clone https://gitee.com/weidongshan/qemu.git

或

$ git clone https://github.com/100askTeam/qemu.git


我们会不断更新QEMU，你下载过QEMU之后，可以进入qemu目录执行下述命令更新代码：

$ git pull origin



1.2 配置、编译、安装

进入qemu目录，执行如下配置命令：

./configure --prefix=$PWD/ --target-list="arm-softmmu arm-linux-user" --enable-debug --enable-sdl --enable-kvm --enable-tools --disable-curl


编译、安装命令如下：

$ make

$ make install


如果一切正常，会在qemu源码目录下生成bin子目录，里面存放有各种可执行程序。



配置、编译过程中有可能出错，一般就是缺少库文件。
如果你的ubuntu能上网，那么使用apt-get命令即可安装这些库。


错误示例，提示信息如下：

ERROR: pixman >= 0.21.8 not present.

Please install the pixman devel package.


解决方法:

① 确定库的名称:

执行如下命令:

$ apt-cache search pixman

libpixman-1-0 - pixel-manipulation library for X and cairo

libpixman-1-dev - pixel-manipulation library for X and cairo (development files)


根据输出信息，需要安装开发包(dev表示开发包): libpixman-1-dev。


② 安装开发包:

$ sudo apt-get install libpixman-1-dev


可能你的ubuntu中已经安装了某些开发包，下面列出一些必须的包:

$ sudo apt-get install pkg-config

$ sudo apt-get install libsdl2-dev

$ sudo apt-get install libpixman-1-dev


每次出错后，根据提示信息安装开发包，然后重新配置、编译、安装。
如果一切正常，在当前目录下会生成bin子目录, 里面有生成的QEMU程序：

qemu-system-arm



1.3 使用新的qemu-system-arm

将上面编译出来的bin/qemu-system-arm 可执行文件复制到如下目录：

ubuntu-18.04_imx6ul_qemu_system/qemu-system-arm/bin

或

ubuntu-16.04_imx6ul_qemu_system/qemu-system-arm/bin


我们也可能添加了更多的GUI显示，这些GUI所用图片位于源码目录的etc子目录下，这些图片也需要复制到如下目录去：

ubuntu-18.04_imx6ul_qemu_system/qemu-system-arm/etc

或

ubuntu-16.04_imx6ul_qemu_system/qemu-system-arm/etc


然后就可以执行 qemu-imx6ul-gui.sh 或 qemu-imx6ul-nogui.sh来使用您编译出来的QEMU了。


1.4 QEMU源码目录

我们只罗列出涉及的少许文件，一般来说一个.c文件会有一个.h文件，它们的目录类似。
比如hw/gpio/imx_gpio.c对应的头文件为include/hw/gpio/imx_gpio.h


2. QEMU的设备创建过程

2.1 重要结构体TypeInfo

一个板子上有很多硬件：IMX6ULL、LED、按键、LCD、触摸屏、网卡等等。
IMX6ULL这类芯片被称为SoC(System on Chip)，它里面也有很多部件，比如CPU、GPIO、SD控制器、中断控制器等等。
这些硬件，或是部件，各有不同。怎么描述它们？
每一个都使用一个TypeInfo结构体来描述。


比如对于CPU，有这样的结构体(hw/cpu/a15mpcore.c)：


对于LCD，有这样的结构体(hw/display/100ask_qemu_fb.c)：


对于GPIO，也有这样的结构体(hw/gpio/imx_gpio.c)：


由此可见，在QEMU中，每一个硬件都由一个TypeInfo来描述。这些结构体都会被注册进程序里，在一个链表中保存着，备用。注意，是备用，它们并不一定会用到。


怎么注册这些TypeInfo结构体呢？不需要我们去调用注册函数，以GPIO为例，在hw/gpio/imx_gpio.c中有如下代码：


关键点在于type_init，这个宏在include/qemu/module.h中定义：
对于属性为“constructor”函数，它在main函数之前被调用。
对于上述的type_init(imx_gpio_register_types)，它的宏展开如下：

static void __attribute__((constructor)) do_qemu_init_imx_gpio_register_types (void) \

{ \

register_module_init(imx_gpio_register_types, MODULE_INIT_QOM); \

}

这就得到了一个属性为“constructor”的函数do_qemu_init_imx_gpio_register_types，这个函数将在main函数之前被调用，它调用了register_module_init。
register_module_init中构造了一个ModuleEntry结构体，并把它添加进某个链表里，这个链表是init_type_list[MODULE_INIT_QOM]：
这样就得到了一个链表：

2.2 生成TypeImpl

从名字上讲，TypeImpl就是TypeInfo的实现，就是使用TypeInfo的信息构造一个TypeImpl结构体。
在init_type_list[MODULE_INIT_QOM]链表中，有一系列的ModuleEntry结构体，每个ModuleEntry结构体中有一个init函数，它指向某个xxx_register_types，比如：

a15mp_register_types

ask100fb_register_types


这些ModuleEntry结构体中的init函数何时被调用？
vl.c：

main

module_call_init(MODULE_INIT_QOM);
QTAILQ_FOREACH(e, l, node) {
e->init();
}


这些xxx_register_types执行后，又得到了什么？

① 分配一个TypeImpl结构体，使用TypeInfo来设置它：

② 把TypeImpl放入链表：type_table

于是，在程序中就有了这样的链表：


2.3 使用TypeImpl：实例化

在程序的type_table链表中，有很多TypeImpl结构体，比如CPU、GPIO、LED、LCD对应的TypeImpl结构体。
但是这并不表示QEMU模拟的板子上有这些硬件，必竟它们只是“TypeImpl”，表示“类型”，需要在“实例化”之后，才表示板子上有了这些硬件。


以CPU为例，代码为hw/cpu/a15mpcore.c，里面声明了一个A15MPPrivState结构体，还定义了一个TypeInfo结构体：


A15MPPrivState和TypeInfo、TypeImpl之间有什么关系？
TypeImpl的信息基本来自TypeInfo，
所以问题转为：A15MPPrivState和TypeInfo之间有什么关系？
A15MPPrivState用来表示一个CPU，你要在板子上添加一个CPU，必须分配、设置一个A15MPPrivState结构体。


板子上的主芯片可能是单核CPU的，也可能是多核CPU的。
假设有2个CPU，那么应该有对应的2个A15MPPrivState结构体。这2个CPU是类似的，同属于某类：用TypeImpl来描述。
所以，可以得到下面的图：


谁来分配、设置A15MPPrivState结构体？

① 分配：

猜测是根据TypeInfo中的instrance_size来malloc出A15MPPrivState结构体。

② 设置：

猜测是调用TypeInfo中的instrance_init函数来设置刚malloc出A15MPPrivState结构体。


谁来malloc、谁来调用TypeInfo中的instrance_init函数？
有2种方法：

① qdev_create/qdev_init_nofail

② sysbus_init_child_obj/object_property_set_bool


2.4 实例化方法1：qdev_create/qdev_init_nofail

这2个函数是成对出现的，以hw/display/100ask_qemu_fb.c为例：


这2个函数的作用如下图所示：

2.4.1 qdev_create分析

① 第2个参数是name，会被用来找到对应的TypeInfo结构体

② 分配instance_size大小的内存，即分配ASK100FbState结构体，这用来表示LCD

③ 调用TypeInfo结构体中的class_init函数

class_init，顾名思义，这个设备属于什么类别？先初始化一下它的类别。
这些class_init函数都很类似，都是设置dc->realize函数，比如：

④ 调用TypeInfo结构体中的instance_init函数


2.4.2 qdev_init_nofail分析

qdev_init_nofail做的事情很简单：
只是把设备的realized属性设置为true，表示可以对它进行realize(变为现实)了。这会导致dc->realize函数被调用，即设备的类里的realize函数被调用。


2.4.3 总结：怎么创建设备

怎么定义一个设备？如下图：

① 先定义一个TypeInfo结构体

里面有name，表示它的类型名。
有class_init，这是“类别的初始化函数”，该类下可能有多个设备。class_init函数中通常给该类设置一个realize函数。
有instance_size，每一个设备都用一个结构体来表示，比如LCD用ASK100FbState来描述。Instance_size表示这个结构体的大小。
有instance_init，这是“实例的初始化函数”，它会被用来初始化设备结构体，比如初始化ASK100FbState结构体。


② 注册这个TypeInfo结构体：

定义一个ask100fb_register_types函数，里面会注册TypeInfo结构体。

③ 使用type_init，把ask100fb_register_types函数放入链表中

④ 调用qdev_create创建设备，这会传入type name

⑤ 调用qdev_init_nofail设置设备的状态为realized，这会导致类别的realize函数被调用。


简单地说，一个设备被创建时，这些函数被依次调用：

① TypeInfo中的class_init：它会设置dc->realize = 某个函数

② TypeInfo中instance_size大小的对象被malloc

③ TypeInfo中的instance_init函数被调用，它被用来初始化步骤②中malloc出来的结构体

④ dc->realize被调用




2.5 实例化方法2：object_initialize_child/object_property_set_bool

参考hw/arm/fsl-imx6ul.c，里面大量的成对代码，比如：

文件:图片 68.png


上述函数的内部调用过程，跟qdev_create/qdev_init_nofail是类似的：

文件:图片 69.png

2.5.1 object_initialize_child分析

该函数的第5个参数是type，表示type name，它会被用来找到对应的TypeImpl。
找到后，会分配instance_size大小的结构体；
然后调用TypeImpl中的class_init函数，这一般是设置dc->realize。
最后调用TypeImpl中的instance_init函数。

2.5.2 object_property_set_bool分析

比如：
只是把设备的realized属性设置为true，表示可以对它进行realize(变为现实)了。这会导致dc->realize函数被调用，即设备的类里的realize函数被调用。


2.5.3 总结：怎么创建设备

怎么定义一个设备？如下图所示：

① 先定义一个TypeInfo结构体

里面有name，表示它的类型名。
有class_init，这是“类别的初始化函数”，该类下可能有多个设备。class_init函数中通常给该类设置一个realize函数。
有instance_size，每一个设备都用一个结构体来表示，比如CPU用A15MPPrivState来描述。Instance_size表示这个结构体的大小。
有instance_init，这是“实例的初始化函数”，它会被用来初始化设备结构体，比如初始化A15MPPrivState结构体。


② 注册这个TypeInfo结构体：

定义一个a15mp_register_types函数，里面会注册TypeInfo结构体。

③ 使用type_init，把a15mp_register_types函数放入链表中

④ 调用object_initialize_child创建设备，这会传入type name

⑤ 调用object_property_set_bool设置设备的状态为realized，这会导致类别的realize函数被调用。


2.6 怎么创建设备

其实在2.4.3、2.5.3已经整理出来了，在这里只是再次总结一下。


2.6.1 设置TypeInfo结构体

比如LCD：
要注意到，里面有一个ASK100FbState结构体，这个结构体由我们自己设置。但是它的格式有一定要求：

2.6.2 注册TypeInfo结构体

比如：

2.6.3 使用TypeInfo创建设备/设置设备的realized属性为true

这有2种方法，前面介绍过：

qdev_create/qdev_init_nofail

object_initialize_child/object_property_set_bool

3. QEMU的设备模拟

3.1 QEMU模拟外设的原理

QEMU主要是实现了CPU核的模拟，可以读写某个地址。
QEMU的模拟外设的原理很简单：硬件即内存。
要在QEMU上模拟某个外设，思路就是：

① CPU读某个地址时，QEMU模拟外设的行为，把数据返回给CPU

② CPU写某个地址时，QEMU获得数据，用来模拟外设的行为。

即：要模拟外设备，我们只需要针对外设的地址提供对应的读写函数即可。


以GPIO为例：


以LCD控制器为例，它主要有2大功能：

① 写LCD控制器，根据外接的LCD设置参数，比如分辨率、BPP、各种时序

② 从FrameBuffer中不断获得数据发给LCD，在LCD上显示出来。


站在Linux LCD驱动的角度，上述2大功能可以分为：

① 写LCD控制器的相关寄存器

② 分配FrameBuffer，写FrameBuffer


QEMU中要模拟LCD控制器，需要：

① 记录驱动程序写寄存器的值，解析出分辨率等信息

② 记录FrameBuffer的地址，并持续不断地从中得到图像数据并显示出来


框图如下：


简单地说，

① 设置LCD控制器时：

在QEMU中可以给LCD控制器的访问地址A1～A2提供读写回调函数，比如：

qemu_a1a2_read

qemu_a1a2_write

当Linux LCD驱动程序写LCD控制器的寄存器时，就会导致qemu中的qemu_a1a2_write函数被调用，在函数中分析、记录这些值，得到分辨率等信息。


② 写FrameBuffer时：

在QEMU中针对FrameBuffer提供一个刷新函数。
当LCD驱动写FrameBuffer时，QEMU会使用这些数据更新GUI窗口的图像。


3.2 给某段地址提供读写函数

怎么描述某段地址：基地址、大小；还得给这段地址提供读写函数。
这段地址设置好后，需要添加进system_memory去。
有2种方法。


3.2.1 memory_region_init_io/memory_region_add_subregion

比如：
上图中memory_region_init_io被用来初始化一块内存s->iomem，指定了它的读写函数、大小。
然后给s->iomem指定了基地址，并添加进system_memory中。
以后，客户机上的程序读写这块地址时，就会导致对应的读写函数被调用。


3.2.2 memory_region_init_io/sysbus_init_mmio/sysbus_mmio_map

以hw/net/smc91c111.c为例：


4. 模拟LED

4.1 主要函数

客户机上的程序要操作LED时，会先设置GPIO为output，然后把值写入某个数据寄存器。
所以我们只需要针对数据寄存器提供对应的write函数即可
QEMU中已经实现IMX6ULL的GPIO模拟，代码在hw\gpio\imx_gpio.c中。
对应的write函数如下：


4.2 添加一段内存

客户机的程序要设置GPIO5_IO03为输出引脚时，需要访问这个寄存器：

IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3

它的基地址是0x2290014，QEMU中并没有添加这个地址，客户机访问它时就会发生硬件错误。


所以在hw/arm/fsl-imx6ul.c中使用如下代码添加了这块空间：


5. 模拟LCD

我们添加的文件是：hw/display/100ask_qemu_fb.c，新加一个文件时要把它编进QEMU中，需要修改同目录的Makefile.objs，比如修改hw/display/Makefile.objs，添加一行：

common-obj-$(CONFIG_FSL_IMX6UL) += 100ask_qemu_fb.o


5.1 在Linux上编写LCD驱动程序

既然操作的不是真实的LCD控制器，那么LCD驱动程序可以极大精简。

① 对于LCD控制器，只需要操作4个寄存器：

分别用来保存：framebuffer的物理地址、宽度、高度、BPP。
你需要记住这些寄存器的物理地址(可以自己指定地址是什么)。

② 对于FrameBuffer：

驱动程序分配得到FrameBuffer后，要把它的物理地址写到上述第1个寄存器里。


部分代码如下，其他的时钟使能、GPIO设置等等都不再需要：

5.2 在QEMU中创建LCD控制器的设备


5.3 重要函数分析

5.3.1 给LCD控制器的寄存器提供回调函数

5.3.2 给FrameBuffer提供更新函数


5.3.3 更新函数


6. QEMU的输出：GUI系统

QEMU的GUI系统，支持SDL、GTK等。SDL使用比较简单，我们就使用SDL来显示GUI。
SDL的显示原理跟LCD FrameBuffer是一样的，可以认为每一个SDL窗口都有一个显存。你可以在显存中修改每一个象素的颜色。
本文以hw/display/100ask_qemu_fb.c为例进行讲解。

6.1 创建GUI Console

创建GUI Console的函数有2个：graphic_console_init、graphic_console_init_hidden。
后者是我们添加的，它创建的GUI Console默认是隐藏的，要显示的话需要在“Device Manager”中点击对应的按钮。


LCD代码如下，主要是graphic_console_init函数：


调用graphic_console_init时，要传入一个GraphicHwOps结构体，如下：


6.2 GUI更新函数

ask100fb_update函数被GUI系统周期性地调用：


效果如下：


6.3 GUI函数详解

6.3.1 解析BMP文件得到RGB数据


6.3.2 显示RGB数据


6.3.3 显示LCD数据


7. QEMU的输入：鼠标事件

点击buttons界面时，对应的按钮会被按下或松开：
这是怎么实现的？
我们需要给这个GUI界面添加鼠标处理函数，代码在ui/button_ui.c中。这是新加的文件，要把它编进QEMU中需要修改同目录下的Makefile.objs，比如修改ui/Makefile.objs，添加一行：

common-obj-$(CONFIG_FSL_IMX6UL) += button_ui.o


7.1 分配、设置、注册QemuInputHandler


7.2 QemuInputHandler处理函数分析


7.3 输入事件处理流程

输入事件的处理源头是sdl2_2d_refresh函数：

sdl2_2d_refresh

sdl2_poll_events(scon);
SDL_PollEvent(ev)
handle_keydown(ev);
handle_keyup(ev);
handle_textinput(ev);
handle_mousemotion(ev);
handle_mousebutton(ev); // SDL_MOUSEBUTTONDOWN,UP
sdl_send_mouse_event(scon, 0, 0, bev->x, bev->y, buttonstate);


7.4 QEMU捕获的输入事件，可以作为ABS也可以作为REL事件上传

作为哪类事件上传，取决于qemu_input_is_absolute()的返回值：


qemu_input_is_absolute函数只会判断第1个GUI Console中的QemuInputHandler。我们的第1个GUI Console是“Device Manager”，它的代码是hw/display/device_manager.c。
对应的QemuInputHandler的mask必须设置为INPUT_EVENT_MASK_ABS：



8. 使用中断

在QEMU中模拟一个外设时，这个外设要使用中断的话，并不复杂。
先看看硬件框架：


8.1 外设发出哪一个中断？

GIC从多个中断源获得中断信号，它会发信号给CPU，这样CPU才会处理中断。
作为外设备，它要发出哪一个中断呢？
在include/hw/arm/fsl-imx6ul.h中列出了各个中断源，如下：


你需要查看这些中断源，确定你的外设要发出哪一个中断。
你的外设，要跟中断控制器建立联系，即确定使用哪一个中断。


8.8.1 调用sysbus_init_irq初始化qemu_irq

在QEMU中，用qemu_irq结构体来描述中断，需要初始化qemu_irq结构体。
以GPIO为例，代码在hw/gpio/imx_gpio.c中：


sysbus_init_irq函数很有意思：

① 它会给设备dev添加一个属性prop，prop的名字是“sysbus-irq[0]”或“sysbus-irq[1]”

② 会给这个prop添加一个link，link到&s->irq[0]或&s->irq[1]

8.8.2 调用sysbus_connect_irq连接中断

在hw/arm/fsl-imx6ul.c中，给GPIO模块和GIC建立联系：


sysbus_connect_irq也很神奇，它是通过名字“sysbus-irq[0]”或“sysbus-irq[1]”找到设备的属性。
然后根据属性的link找到之前传入的&s->irq[0]或&s->irq[1]，最后设置它。
设置为什么呢？下面的函数会返回一个qemu_irq，第2个参数用来指定是哪一个中断：

qdev_get_gpio_in(DEVICE(&s->a7mpcore), FSL_IMX6UL_I2Cn_IRQ[i])


8.2 中断触发

发出中断：

qemu_set_irq(irq, 1);

清除中断：

qemu_set_irq(irq, 0);


上面的2个调用必须成双出现，如果多次发出中断而没有清除中断，那后面发出的中断是无效的。
这里说的成双出现，并不是说它们必须前后出现。流程是这样的：

① 用户按下按键后，使用“qemu_set_irq(irq, 1)”发出中断

② 客户机的程序处理完中断后，它会写ISR寄存器来清除中断：

对ISR寄存器的写操作会导致QEMU中对应的write函数被调用，在里面执行“qemu_set_irq(irq, 0)”。


对于hw/gpio/imx_gpio.c，发出中断的函数流程为：

notify_imx_gpio_change

imx_gpio_set(s, pin, level);
imx_gpio_update_int(s);

qemu_set_irq(s->irq[0], 1);



清除中断的流程为：

imx_gpio_write

case ISR_ADDR:
s->isr &= ~value;
imx_gpio_set_all_int_lines(s);
qemu_set_irq(s->irq[0], 0);


9. 模拟按键

我们模拟的按键涉及GUI、鼠标输入、中断，值得仔细研究。
GUI和鼠标的处理，都在这个文件里：ui/button_ui.c


当用户在GUI中点击某个按键时，它对应哪个引脚？
这由这个文件决定：hw/gpio/100ask_imx6ull_buttons.c


上述文件确定是哪一个引脚之后，要通知hw/gpio/imx_gpio.c来处理。


9.1 按键GUI


9.2 点击按键


9.3 更新按键图片的同时

9.4 单板的代码怎么处理按键

对应的代码在hw/gpio/100ask_imx6ull_buttons.c中：

9.5 IMX6ULL的代码怎么处理输入引脚

对应的代码在hw/gpio/imx_gpio.c中：


10. QEMU启动过程

10.1 各个模块的注册

各个模块都定义了一个TypeInfo结构体，比如LCD：


并且都使用type_init定义了一个属性为constructor的函数(include/qemu/module.h)：

#define type_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_QOM)

#define module_init(function, type) \

static void __attribute__((constructor)) do_qemu_init_ ## function(void) \

{ \

register_dso_module_init(function, type); \

}


这些属性为constructor的函数会在main函数之前被调用，这样就得到了一个链表：


10.2 各个模块的初始化

main函数位于vl.c中，它有如下调用：

main

module_call_init(MODULE_INIT_QOM);
QTAILQ_FOREACH(e, l, node) {
e->init();
}


这些xxx_register_types执行后，又得到了什么？

① 分配一个TypeImpl结构体，使用TypeInfo来设置它：

② 把TypeImpl放入链表：type_table

于是，在程序中就有了这样的链表：


程序中有一系列的TypeImpl，但是并不表示会用到它们。要用某个TypeImpl，需要创建对应的设备。



10.3 选择machine

启动qemu时，会传入参数“-M mcimx6ul-evk”，对应的文件为：hw/arm/mcimx6ul-evk.c


10.4 选择CPU


CPU在中hw/arm/fsl-imx6ul.c定义：


10.5 CPU的初始化

hw/arm/mcimx6ul-evk.c mcimx6ul_evk_init:


这会导致hw/arm/fsl-imx6ul.c中fsl_imx6ul_init函数被调用：


在fsl_imx6ul_init函数中，会去创建名为a7mpcore的设备，它的类型是TYPE_A15MPCORE_PRIV：


a7mpcore设备对应的realize函数被调用时，里面会实例化GIC等。

10.6 在system memory中添加内存

分配system memory，代码为hw/arm/mcimx6ul-evk.c中的mcimx6ul_evk_init函数:


其中的ram_size来自QEMU运行时的参数“-m 512M”；内存基地址为0x80000000。
从这里可以知道，system memory中既含有可读可写的内存，也含有各种模块的寄存器。



























11. 调试

11.1 要调试，运行gdb程序之前，必须先进入源码目录

无论是使用gdb调试PC程序，还是使用arm-xxx-gdb调试ARM程序，运行这些gdb程序前，必须进入要调试的源码的目录。
然后再启动gdb或arm-xxx-gdb。


11.2 调试QEMU本身

先进入QEMU源码目录，执行如下命令。
这个命令中涉及qemu-system-arm、zImage、设备树、文件系统这4个文件的路径，你要改成你的路径。

gdb --args /home/book/mywork/qemu/qemu_git/qemu/bin/qemu-system-arm -M \

mcimx6ul-evk -m 512M -kernel /home/book/nfs_rootfs/zImage \

-dtb /home/book/nfs_rootfs/mynet.dtb -serial stdio \

-drive file=/home/book/mywork/imx6ull_test_image/buildroot_rootfs.img,format=raw,id=mysdcard -device sd-card,drive=mysdcard \

-append "console=ttymxc0,115200 console=tty1 rootfstype=ext4 root=/dev/mmcblk1 rw rootwait init=/sbin/init loglevel=8" \

-nic user


关键点在于：gdb --args ，它后面就可以跟一连串的命令及参数了。
这种方法有一个缺点，就是客户机上的Linux系统启动后，你无法再在终端中输入gdb命令。可以使用下一种方法来调试。


11.3 调试之前就运行的QEMU

先进入QEMU源码目录。

① 首先确定qemu-system-arm进程的PID

执行如下命令：

ps -A | grep qemu


假设得到PID为9527


② 在QEMU源码目录下执行如下命令：

sudo gdb -p 9527


注意：一定要加上sudo


11.4 调试客户机上的Linux内核

11.4.1 首先运行qemu-system-arm

执行QEMU的命令时，在最后加上参数“-s -S”。
-s是“-gdb tcp::1234”的缩写，表示QEMU将会在本机端口1234上开启gdbserver。
-S表示不启动CPU，当你使用arm-xxx-gdb连接上QEMU后，必须执行c命令才可以运行内核。


我用的命令如下所示。
这个命令中涉及qemu-system-arm、zImage、设备树、文件系统这4个文件的路径，你要改成你的路径。

gdb --args /home/book/mywork/qemu/qemu_git/qemu/bin/qemu-system-arm -M \

mcimx6ul-evk -m 512M -kernel /home/book/nfs_rootfs/zImage \

-dtb /home/book/nfs_rootfs/mynet.dtb -serial stdio \

-drive file=/home/book/mywork/imx6ull_test_image/buildroot_rootfs.img,format=raw,id=mysdcard -device sd-card,drive=mysdcard \

-append "console=ttymxc0,115200 console=tty1 rootfstype=ext4 root=/dev/mmcblk1 rw rootwait init=/sbin/init loglevel=8" \

-nic user -s -S


14.4.2 进入内核源码目录，运行arm-xxx-gdb vmlinux

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