📚 课程目录第2章 QEMU ARM Versatile Express启动

2. QEMU ARM Versatile Express启动

任务说明

本案例使用QEMU模拟ARM Versatile Express（vexpress-a9）开发板，启动Linux内核并挂载根文件系统，最终进入可交互的shell。需要准备内核镜像、设备树文件与根文件系统镜像，通过QEMU命令行完成启动，并验证系统可正常执行命令。

环境准备

宿主机需安装QEMU（含ARM支持）与交叉编译工具链。以下命令在Ubuntu/Debian系统上执行：

sudo apt-get update
sudo apt-get install qemu-system-arm gcc-arm-linux-gnueabihf build-essential
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.123.tar.xz
tar -xf linux-5.15.123.tar.xz
cd linux-5.15.123

内核编译

vexpress开发板对应的默认配置为vexpress_defconfig，该配置已包含所需驱动与EXT4文件系统支持。编译命令如下：

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

编译完成后，生成的内核镜像位于arch/arm/boot/zImage，设备树文件位于arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb。

根文件系统制作

使用BusyBox构建最小根文件系统，包含shell与基础命令：

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-gnueabihf- defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j$(nproc)
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- install

安装完成后，在_install目录中补齐必要目录与设备节点，并打包为EXT4镜像：

cd _install
mkdir -p proc sys dev etc/init.d
cat > etc/init.d/rcS << 'EOF'
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs devtmpfs /dev
EOF
chmod +x etc/init.d/rcS
cd ..
dd if=/dev/zero of=rootfs.ext4 bs=1M count=64
mkfs.ext4 rootfs.ext4
mkdir -p /tmp/rootfs
sudo mount -o loop rootfs.ext4 /tmp/rootfs
sudo cp -a _install/* /tmp/rootfs/
sudo umount /tmp/rootfs

QEMU启动

执行以下命令启动模拟系统：

qemu-system-arm \
  -M vexpress-a9 \
  -m 512M \
  -kernel linux-5.15.123/arch/arm/boot/zImage \
  -dtb linux-5.15.123/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \
  -drive file=rootfs.ext4,format=raw \
  -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" \
  -nographic

参数说明：-M指定机器型号，-kernel加载内核镜像，-dtb加载设备树，-drive挂载根文件系统镜像，-append传递内核启动参数，-nographic将串口重定向到当前终端。

验证方法

启动后观察串口输出，内核应完成初始化并挂载根文件系统。当出现Please press Enter to activate this console提示时，按回车键进入shell。执行以下命令验证系统状态：

uname -a
cat /proc/meminfo | head -3
ls /bin

判定标准：

内核启动日志无Kernel panic或VFS: Unable to mount root fs错误；
uname -a输出包含armv7l与Linux字样；
/proc/meminfo显示约512MB内存；
ls /bin能列出BusyBox提供的命令。

预期输出示例

启动成功后，串口终端应显示类似以下内容（具体日志因内核版本而异）：

...
VFS: Mounted root (ext4 filesystem) on device 179:0.
Freeing unused kernel memory: 1024K
Run /sbin/init as init process
...
Please press Enter to activate this console
/ # uname -a
Linux (none) 5.15.123 #1 SMP ARMv7l GNU/Linux
/ #

以上输出为根据内核启动流程与给定配置可唯一推出的预期结果，实际日志以运行为准。