【源码】基于QEMU模拟器的嵌入式系统开发教程

项目简介

本项目是一个基于QEMU模拟器的嵌入式系统开发教程。硬件平台上，裸机项目采用ARM Cortex - A7 32位内核、带有GPU的博通BCM2836芯片（树莓派2B同款硬件），Linux项目使用ARM Versatile Express开发板。项目旨在记录开发者的技术学习过程，为想要进行实际嵌入式项目开发的人提供参考，避免搭建环境的繁琐，实现开箱即用，方便通过阅读源码和注释理解原理。

项目的主要特性和功能

1. 硬件模拟：借助QEMU模拟器模拟多种嵌入式硬件，如树莓派2B同款的BCM2836芯片、ARM Versatile Express开发板，提供通用便捷的开发环境，无需购买昂贵实体开发板。
2. 多阶段项目覆盖：包含裸机项目、RTOS项目（未开始）、Linux项目。裸机项目有汇编boot、串口打印等功能；Linux项目可从源码编译运行U - Boot、Linux和根文件系统。
3. 硬件测试用例丰富：提供raspi3 - tutorial硬件测试用例，涵盖空程序验证、串口通信、CPU与GPU邮箱通信、SD卡读写、屏幕图像和文字输出、异常中断测试等功能，便于开发者熟悉和验证编译环境与硬件功能。
4. 详细的技术资料：提供QEMU模拟器、树莓派、BCM2836芯片等详细介绍文档，以及完整的环境安装步骤和丰富参考资料，帮助开发者深入了解相关技术和解决开发问题。

安装使用步骤

1. 准备工作

需Linux或者Windows MinGW等环境，推荐在Windows下用VMware虚拟机安装Ubuntu。首次使用Linux，不建议摸索Windows下的MinGW环境，因其安装软件较麻烦。

2. 安装Linux环境

可选择以下方式： - 在Windows下安装MSYS2、Cygwin或使用Git自带的精简版MSYS2 + MinGW64。若有朋友已安装好相关工具，可拷贝其安装文件夹使用。 - 安装VMware Player虚拟机，在虚拟机中安装Ubuntu系统。若有朋友已安装好相关工具，可拷贝其系统文件夹。 - 使用双系统或准备一台装了Linux的电脑。

3. 用QEMU模拟器运行树莓派

QEMU可在Windows或Linux下安装，参考相关教程进行安装和配置，如QEMU仿真树莓派1和3B - 保姆级教程等。

4. 编译树莓派程序

5. 完整的环境安装步骤（以Windows下的MSYS2环境为例）

5.1 安装MSYS2

下载msys2 - x86_64 - 20221028.exe，参考使用msys2打造优雅的开发环境进行安装，安装目录不能有空格、中文。安装后将国外镜像地址换成国内镜像地址，配置环境变量，在PATH中增加一行D:\msys64\usr\bin。

5.2 MSYS2中安装QEMU

在MSYS2中通过pacman - S mingw - w64 - x86_64 - qemu命令安装QEMU，查看是否安装成功可进入cd /mingw64/bin/ 然后./qemu - system - arm.exe --version查看版本号。

5.3 MSYS2中安装32位和64位ARM交叉编译工具

在MSYS2中使用pacman - S mingw - w64 - x86_64 - arm - none - eabi - gcc和pacman - S mingw - w64 - x86_64 - arm - none - eabi - gdb命令安装32位交叉编译工具和GDB调试工具。若需要64位ARM的交叉编译工具，可从Linaro软件中下载并配置环境变量。同时，使用pacman - S make命令安装make工具。

5.4 用现成的程序从QEMU运行树莓派

从https://gitee.com/mirrors_bztsrc/raspi3 - tutorial/tree/master/0A_pcscreenfont 下载编译好的树莓派程序，使用命令/mingw64/bin/qemu - system - aarch64 - M raspi3b - kernel ~/1_raspi/01_run/kernel8.img - d in_asm运行，可看到QEMU窗口显示hello world。

5.5 交叉编译工具编译程序，并在树莓派QEMU模拟中运行

从mirrors_bztsrc/raspi3 - tutorial下载演示64位ARM树莓派裸机编程的仓库，修改Makefile和自动运行配置，使其适配msys64。配置环境变量，进入msys64 raspi3 - tutorial源码目录，使用make命令编译，make run命令运行程序。

6. Linux编程（若要进行Linux编程，建议在Ubuntu下进行）

6.1 编译U - Boot并在QEMU中运行

下载最新版本的U - Boot官方源码，如v2023.01 - rc2，在Ubuntu系统（如VMware Player Ubuntu18.04）中安装相关依赖库，配置交叉编译环境变量，使用make vexpress_ca9x4_defconfig和make - j4命令编译U - Boot，编译完成后使用qemu - system - arm - M vexpress - a9 - m 256 - kernel u - boot --nographic命令运行。

6.2 编译Linux kernel

在Linux环境（如Ubuntu）中下载最新的Linux kernel源码，如v6.1 - rc6，配置交叉编译环境变量，使用make vexpress_defconfig和make zImage dtbs - j4命令编译，安装过程中遇到报错需安装相应依赖库，编译完成后使用qemu - system - arm - M vexpress - a9 - m 256M - nographic - kernel zImage - dtb vexpress - v2p - ca9.dtb命令运行。

6.3 Busybox生成文件系统需要的系统应用程序和制作根文件系统

从官网下载最新的BusyBox发布版本，如busybox - 1.35.0.tar.bz2 ，配置交叉编译环境变量，使用make menuconfig命令进行配置，开启静态编译，使用make - j4和make install命令编译安装。制作根文件系统，创建虚拟磁盘、格式化、挂载、拷贝文件、创建设备节点等，最后使用qemu - system - arm - M vexpress - a9 - m 256M - nographic - kernel zImage - dtb vexpress - v2p - ca9.dtb - sd rootfs.img - append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" 命令运行。

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