📚 课程目录第1章搭建QEMU最小系统环境

1. 搭建QEMU最小系统环境

任务说明

本案例目标是在本机搭建一个可运行的QEMU最小系统：使用QEMU的系统模式（system mode）启动一个无需物理硬件、仅包含内核与最小根文件系统的虚拟机，并通过串口控制台确认系统成功引导、能够执行基础命令。完成本案例后，你将拥有一个可用于后续驱动调试实验的稳定QEMU运行环境。

环境准备

需要准备的内容包括：QEMU模拟器、Linux内核源码、交叉编译工具链（若宿主机为x86架构且目标为ARM，则需要；若目标架构与宿主机一致，可直接使用本机gcc）。本案例以ARM架构（virt机器）为例，但方法同样适用于x86_64。请确认宿主机已安装以下软件包（以Ubuntu/Debian为例）：

sudo apt-get update
sudo apt-get install qemu-system-arm gcc-arm-linux-gnueabi build-essential flex bison libncurses-dev libssl-dev

最小系统构建

我们采用“内核 + initramfs”的方式构建最小系统，无需磁盘镜像。initramfs内包含一个静态编译的busybox，提供基本的shell命令。

1. 下载并配置Linux内核

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.1.38.tar.xz
tar -xf linux-6.1.38.tar.xz
cd linux-6.1.38
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- menuconfig  # 可选，如需调整配置

确保内核配置中启用了initramfs支持（默认已启用）。使用默认配置即可满足最小系统需求。

2. 编译内核

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j$(nproc) zImage dtbs

编译完成后，生成的文件位于：arch/arm/boot/zImage 和 arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb。

3. 制作initramfs根文件系统

使用busybox构建最小用户空间：

wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2
tar -xf busybox-1.36.1.tar.bz2
cd busybox-1.36.1
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- menuconfig  # 确保勾选 "Settings -> Build static binary (no shared libs)"
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- install

busybox默认安装到_install目录。现在创建initramfs所需的目录结构和init脚本：

cd _install
mkdir -p proc sys dev etc/init.d
cat > init << 'EOF'
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs devtmpfs /dev
echo "=== QEMU Minimal System Booted ==="
echo "Welcome to the minimal QEMU environment"
exec /bin/sh
EOF
chmod +x init
find . | cpio -H newc -o | gzip > ../initramfs.cpio.gz
cd ..

4. 启动QEMU虚拟机

回到内核源码目录，执行以下命令启动虚拟机：

cd linux-6.1.38
qemu-system-arm \
  -M vexpress-a9 \
  -m 256M \
  -kernel arch/arm/boot/zImage \
  -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \
  -initrd ../busybox-1.36.1/initramfs.cpio.gz \
  -append "console=ttyAMA0 rdinit=/init" \
  -nographic

验证方法与判定标准

启动后，QEMU窗口（或当前终端）应显示内核引导日志，最终出现类似以下内容：

...
Freeing unused kernel memory: 1024K
Run /init as init process
=== QEMU Minimal System Booted ===
Welcome to the minimal QEMU environment
/ #

当看到/ #提示符时，说明系统已成功引导。此时可输入以下命令验证基本功能：

/ # uname -a
/ # ls /dev
/ # cat /proc/meminfo

判定标准：

系统能够引导至shell提示符/ #；
uname -a能显示Linux内核版本信息；
/dev目录下能看到设备节点（devtmpfs已挂载）；
/proc/meminfo能显示内存信息。

满足以上条件，即表示QEMU最小系统环境搭建成功，可用于后续驱动调试实验。退出QEMU时，输入poweroff -f或按Ctrl+A然后按X。

QEMU最小系统架构示意

常见问题排查

内核编译失败：确认交叉编译工具链已安装，且CROSS_COMPILE环境变量正确。
启动后无输出：检查-append参数中的console=ttyAMA0是否与vexpress平台匹配；确认dtb文件路径正确。
initramfs无法挂载：确认init脚本具有可执行权限（chmod +x init），且cpio归档命令在_install目录内执行。
退出QEMU：使用Ctrl+A X组合键强制退出，或在客户机内执行poweroff -f。

至此，QEMU最小系统环境搭建完成，该环境可作为后续驱动调试实验的基础平台。