QEMU模拟FriendlyArm的Mini2440开发板

这篇博文中主要从以下几点进行叙述：
1、Mini2440开发板和QEMU模拟器简介
2、编译适配Mini2440的QEMU
3、Buildroot (2012.05)的使用
4、在QEMU中运行编译好的系统
      4.1、生成NAND镜像并初始化
      4.2、基于NFS启动
      4.3、基于NAND镜像启动
      4.4、强大的工具 -- Flashimg
5、附件 -- 竞赛第一阶段提交作品压缩包，内含 build.sh 完成全部编译启动工作

一、 Mini2440开发板和QEMU模拟器简介
德国FriendlyARM（国内译为”友善之臂“）公司推出的Mini2440开发板，一直以来为
广大嵌入式爱好者所熟知，国内天嵌公司的TQ2440开发板就与其很类似（不过Mini2440可以移植Android系统，这点TQ2440似乎还没太多实做成功的文章，TQ6410倒是可以移植Android系统）。下面是Mini2440的简介：
http://www.quickembed.com/Tools/Shop/ARM/201110/179.html?gclid=COvJ193EqLMCFSbMtAodqjYA3Q
http://www.arm9.net/mini2440.asp

目前虚拟机软件领域可谓“高手林立”，以下链接基本列出了所有流行虚拟机软件：
http://www.ewei.com/article/2146.jhtm

在如此众多的产品中VMWare自然不用说（不过最近推出的Windows Server 2012貌似有点撼动VMWare在虚拟机领域的霸主地位）。微软的老牌产品VirtualPC也相当不错，还有Bochs之类的。不过说到开源的虚拟机软件，必定要提一下QEMU，不错的速度，可以模拟至接近真实电脑，开放源代码，可以模拟众多的操作系统和平台。就连最近几年很火的Android生态系统也用到了QEMU虚拟机。下面是QEMU的简介：
http://tagche.blog.51cto.com/649757/274651
http://www.oschina.net/p/qemu/

本文所述的Mini2440是由QEMU模拟，基于Linux操作系统内核。
好了，所谓简介就是要做到像水浒传里的 “话休絮烦”，下面就进入正题吧。

二、 编译适配Mini2440的QEMU本文基于的开发环境是Ubuntu 10.04， 需要安装 git， 如果还没有git，请安装：
$ sudo apt-get install git git-core
首先下载适配Mini2440的QEMU虚拟机，然后编译，安装QEMU：
$ cd ~
$ mkdir local
$ git clone git://repo.or.cz/qemu/mini2440.git qemu
$ cd qemu
$ ./configure --target-list=arm-softmmu --prefix=$HOME/local
$ make
$ make install
此时QEMU可执行程序已经安装在 ~/local/bin 目录下了，为了方便使用，将其添加到环境变量里：
$ export PATH=$HOME/local/bin:$PATH
验证一下正确安装与否：
$ qemu-system-arm --version
如果输出了QEMU的版本等信息，则安装成功。

三、 Buildroot (2012.05)的使用
一般说来，我们需要三样东西来正常启动一个嵌入式操作系统： 引导程序（bootloader），内核镜像和根文件系统镜像。那我们是不是接下来需要下载一个bootloader（比如u-boot，supervivi之类），编译之；下载任意版本的linux内核，编译之（当然要适配mini2440）；一点一点生成自己的根文件系统，再制作成jffs2， yaffs2之类的格式呢？哦，对了，还有编译这三样东西的交叉编译工具链 Cross-compiler toolchain 要制作。

以前我也这样做过，很费时间（交叉编译工具链和根文件系统都是一点一点制作。。。）。虽然我们在制作根文件系统时是可以偷懒使用Busybox这样的“瑞士军刀”，但是还不够方便，有没有能一次过帮我们把交叉编译工具链和三样东西都生成出来，将懒惰进行到底的“青龙偃月刀”呢？答案是肯定的，就是 Buildroot，一款超好用的开源软件。

Ok，首先我们下载Buildroot，竞赛期间我用的版本是2012年5月的 (2012.05)，当然大家可以下载更新的版本，Buildroot项目每三个月就有一个新版本。首先我们安装wget这个小工具，便于下载Buildroot：
$ sudo apt-get install wget
接着下载Buildroot：
$ cd ~
$ wget http://buildroot.org/downloads/buildroot-2012.05.tar.gz
$ tar zxvf buildroot-2012.05.tar.gz
在让Buildroot为我们生成三个镜像前，需要对其进行一些配置。Mini2440开发板的基本所需配置已经集成在Buildroot里了（众多defconfig文件中的一个），省了不少功夫。在此基础上，我们只需再进行少许配置，就可以让Buildroot开工了。
我们选取mini2440_defconfig来生成我们的 .config 文件，再用 make menuconfig 进一步配置：
$ cd buildroot-2012.05
$ make mini2440_defconfig
$ make menuconfig
一个方便的配置窗口会跟着出现，是基于Kconfig的配置机制：




以下列出比较重要的几个编译选项，需要改动的几项用红色表示：

- Toolchains ： 在Toolchains目录里，须要选取Linux内核版本的适配的编译链版本。默认是设置为 3.3.x。后面的Kernel(内核版本)我使用的是3.3.7，所以没问题，这里不用改也可以。当然也可以使用诸如 3.0.x这样的版本，只要跟之后的Kernel版本适配就好了。
- Bootloaders ： 默认是U-boot， 也可以选用其他版本的Bootloader。本文就用默认的U-boot。
- Kernel ： 默认是 3.0.4，因为之前Toolchains目录选择的是 3.3.x版本，所以这里须要改选，比如 3.3.7版本。
- Package Selection for the target ： Busybox已经包含在里面了，我们也可以选择更多的项目，比如 Qt， EFL， directfb之类的图形库。在 Graphic libraries and application子目录里选择。
- Filesystem images ： 本文中使用的是 jffs2格式的根文件系统（也是Buildroot默认的），因为之后要制作NAND镜像，所以需要配置成一个每页512字节和16字节的ECC的NAND类型。在 Flash Type这项，改为 NAND flash with 512B Page and 16 KB erasesize 。
这些都配置好之后，就可以请出我们最喜欢的命令了 -- make ：
$ make
此时你可以倒杯茶，或者可以烤一只鸡

。。。总之干点别的，让Buildroot忙活去吧。如果中间出现错误，一般是没装必要的东西，照错误提示安装就好，然后接着 make。 视电脑速度和网速而定，我的情况是大概30分钟后 make 完成。
如果一切顺利， make 结束后，在 buildroot-2012.05目录的 output/images/ 子目录下可以找到生成的三个文件：
- u-boot.bin ： bootloader的镜像
- uImage ： u-boot格式的（用mkimage命令生成的）Linux内核镜像
- rootfs.jffs2 ： jffs2格式的根文件系统镜像
至此，Buildroot完成了他艰巨的任务，可以让他一边休息去了。我们进入下面的系统制作和启动部分。

四、在QEMU中运行编译好的系统
4.1、生成NAND镜像并初始化在开始前，先说一下： 如果你想要比较快捷的话，可以直接去看 4.4、强大的工具 -- Flashimg， 不需自己一点一点制作NAND文件来启动或通过NFS来启动。Flashimg是一个不错的软件，可以使用 内核镜像，bootloader镜像和根文件系统镜像 快速生成NAND或NOR文件。 由同样参加竞赛的法国人 Fabrice Jouhaud （别名 Yargil， 已经工作多年的嵌入式高手 ，去年的冠军，极为牛，人也非常好，有问必答，我觉得他来参加竞赛就是来帮助我们这些新手的）开发，共享在git 上面， http://gitorious.org/flashimg
NAND和NOR的区别，请参看：
http://www.91tech.net/Article/SoftHardTech/EmbeddedSystem/200608/4147.html
http://forum.eet-cn.com/FORUM_POST_10003_1100023016_0.HTM

看来我又罗嗦了，没有秉持“话休絮烦”的原则。。。OK，重新进入正题：
如果在QEMU里生成NAND的话，会花不少时间。所以我们可以利用闲置的内存（RAM） --  tmpfs
$ cd ~
$ mkdir nand
$ sudo mount -t tmpfs none nand/

我们接下来将从零开始生成一个NAND镜像文件。一般NAND的大小我们可以设定成64MB （NOR镜像文件一般设为2MB）。我们来做一下简单的计算： 要生成一个64MB的NAND，每个块是512字节，还要加上16字节的ECC，所以每个块是528字节。 总共需要的块数是 ： （64 * 1024 * 1024） / 528 = 127100 
用 dd 命令来生成一个NAND镜像：
$ dd if=/dev/zero of=nand/nand.bin bs=528 count=127100
我们现在有了一个NAND镜像文件了，接下来要使用u-boot来初始化它。我们需要首先将 Buildroot替我们生成的 u-boot.bin 文件拷贝到nand.bin 相同的文件夹下：
$ cp ~/buildroot-2012.05/output/images/u-boot.bin ~/nand/
启动U-boot以便进行NAND的初始化：
$ qemu-system-arm -M mini2440 -serial stdio -mtdblock nand/nand.bin
U-boot启动了，并且会显示一些Warning信息：
NAND: Bad block table not found for chip 0
Bad block table not found for chip 0
64 MiB
*** Warning - bad CRC or NAND, using default environment
别担心，显示这些信息很正常，因为我们的NAND文件还没初始化呢。接下来初始化：
MINI2440 # nand scrub
MINI2440 # nand createbbt
MINI2440 # reset
至此，我们的NAND文件已经准备好了。现在可以将其从tmpfs拷贝到电脑硬盘，然后卸载掉 tmpfs。
$ cp nand/nand.bin .
$ sudo umount nand/
$ rmdir nand
        4.2、基于NFS启动
这里插进一段用NFS启动的实做。在Ubuntu里安装NFS，请参看：

http://www.linuxidc.com/Linux/2011-02/31947.htm
http://os.51cto.com/art/201001/176511.htm
在嵌入式开发阶段，通常我们会操作一个挂载在NFS上的系统，这样更加方便，快捷， 无需每次都烧写NAND或NOR文件。接下来我们用NFS启动系统：
之前在 ~/buildroot-2012.05/output/images/  这个目录里，除了生成 rootfs.jffs2文件外，还生成了 rootfs.tar 文件，是根文件系统的压缩文件包。我们在 /srv 文件夹下新建一个 nfsroot文件夹以储存解压的根文件系统：
$ sudo mkdir /srv/nfsroot/
$ cd /srv/nfsroot/
$ sudo tar xvf ~/buildroot-2012.05/output/images/rootfs.tar
接着需要在 /etc/exportfs 文件里增加以下一行，使NFS能认识 /srv/nfsroot/ 这个目录：
/srv/nfsroot/ 192.168.42.0/24(rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check)
使其生效：
$ sudo exportfs -r
然后，我们生成并配置一个 tap0 接口：
$ sudo tunctl -u $USER -t tap0
$ sudo ifconfig tap0 192.168.42.1
现在我们已经可以来启动QEMU了，不过在此之前，还要将 uImage 也拷贝到HOME目录（ nand.bin 已经在HOME目录了）：
$ cd ~
$ cp ~/buildroot-2012.05/output/images/uImage .
Ok，我们启动QEMU+NFS：
$ qemu-system-arm -M mini2440 -serial stdio -mtdblock nand.bin -kernel uImage -net nic -net tap,ifname=tap0,script=no,downscript=no
MINI2440 # setenv bootargs root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.42.1:/srv/nfsroot/ ip=192.168.42.2
MINI2440 # bootm
输入Buildroot的密码，默认是    root





此时系统启动了，可以看到QEMU的窗口和可爱的Linux小企鹅。
        4.3、基于NAND镜像启动
因为以之前的4.1生成的nand.bin来继续生成最终版的nand.bin (还要往里面添加 u-boot.bin， uImage和rootfs.jffs2)过程太过繁琐且容易出错，在此我就不赘述了，可以参看网上的相关文章。我们直接进入4.4，用一个更强大的工具来生成最终版的 nand.bin 。更方便，且不容易出错。
        4.4、强大的工具 -- Flashimg
如前面4.1时提到的，flashimg是一个由网友 Fabrice Jouhaud 开发的软件，可以很快捷地生成NAND或NOR镜像文件。我们首先下载 flashimg：
$ cd ~
$ git clone git://gitorious.org/flashimg/flashimg.git
然后编译安装
$ cd flashimg
$ ./autogen.sh
$ ./configure
$ make
$ sudo make install
要生成NAND或NOR镜像文件，可以先把之前Buildroot替我们生成的三个文件 ： u-boot.bin, uImage和rootfs.jffs2 拷贝到 flashimg文件夹下：
$ cp ~/buildroot-2012.05/output/images/rootfs.jffs2 ~/flashimg/rootfs.jffs2
$ cp ~/buildroot-2012.05/output/images/uImage ~/flashimg/uImage
$ cp ~/buildroot-2012.05/output/images/u-boot.bin ~/flashimg/u-boot.bin
然后可以生成NAND或NOR镜像文件：
$ ./flashimg -s 64M -t nand -f nand.bin -p uboot.part -w boot,u-boot.bin -w kernel,uImage -w root,rootfs.jffs2 -z 512

$ ./flashimg -s 2M -t nor -f nor.bin -p uboot.part -w boot,u-boot.bin -w kernel,uImage -w root,rootfs.jffs2

最后，启动系统，我们以NAND文件为例：
$ qemu-system-arm -M mini2440 -serial stdio -mtdblock nand.bin -usbdevice mouse
启动之后，还需要配置一下（其中 mini2440=3tb 是为了使屏幕分辨率成为320*240，横向显示。默认是 240*320，是竖着的）
MINI2440 # nboot kernel
MINI2440 # setenv bootargs root=/dev/mtdblock3 rootfstype=jffs2
console=ttySAC0,115200 mini2440=3tb
MINI2440 # saveenv
MINI2440 # bootm



输入Buildroot的密码，默认是    root

我们再一次看到了亲切的小企鹅。



五、附件 -- 竞赛第一阶段提交作品压缩包，内含 build.sh 完成全部编译启动工作
我在附件里上传了压缩包，里面的 build.sh 文件，只要进入解压后的文件夹，运行
$ ./build.sh
就可以完成所有下载，编译，启动工作，不过在QEMU启动之后还要手动添加以下配置命令：
MINI2440 # nboot kernel
MINI2440 # setenv bootargs root=/dev/mtdblock3 rootfstype=jffs2
console=ttySAC0,115200 mini2440=3tb
MINI2440 # saveenv
MINI2440 # bootm

而且build.sh把我的第一阶段的作品（简易示波器，菜单栏下有各种操作。可以用鼠标操作，可以模拟4×4=16种波形混叠或独立显示，波形可以改变幅度和采样频率，简单的触发机制，可以保存成文件形式）也编译并集成到Linux系统里面了。启动Linux后，只要输入：
# cle2012 -qws

就可以运行示波器的简易程序了。当然这个程序是8月底完成的，还远远不够好。第二阶段要进行优化，增加更多功能，并在Mini2440开发板上能够触摸操作，接收实际的开发板产生的电信号或声音信号作为输入。 欢迎同样爱好嵌入式的朋友跟我联系，彼此学习，共同进步。