《Linux内存管理：实验驱动的深度探索》【附录】【实验环境搭建 1】【Qemu 运行 linux 6.0.9】

1. 为什么

为什么我们会选择 使用 QEMU、BusyBox 和 Linux 内核搭建一个 ARM64 (AArch64) 的模拟环境?

1. QEMU 提供 ARM64 硬件模拟

• QEMU 是一个强大的开源虚拟化/仿真工具，支持多种 CPU 架构（如 x86、ARM、RISC-V 等）。

• 可以使用 qemu-system-aarch64 来模拟一个 ARM64 设备，并且可以指定不同的 SoC、内存、设备等。

• 允许在 x86_64 主机上运行 ARM64 架构的 Linux 系统，无需真实 ARM64 硬件。

2. Linux Kernel 提供操作系统支持

• 可以编译支持 ARM64 的 Linux 内核，并将其用于 QEMU 启动。

• Linux 内核提供基本的设备驱动、进程管理、文件系统支持等功能，使得模拟环境能够正常运行。

3. BusyBox 提供轻量级用户空间工具

• BusyBox 是一个精简的 UNIX 工具集合，适用于嵌入式系统和轻量级 Linux 发行版。

• 提供基本的 Shell（ash）、文件操作命令（ls、cp、mv）、进程管理（ps、kill）等工具，使得 Linux 系统可用。

• 由于 BusyBox 占用资源少，非常适合 QEMU 这种模拟环境。

4. QEMU + BusyBox + Linux Kernel 的典型使用场景

• 嵌入式 Linux 开发：测试和开发 ARM64 设备的 Linux 发行版。

• 驱动开发：在不依赖实际 ARM64 硬件的情况下测试和调试驱动。

• 系统移植：在 QEMU 上搭建 ARM64 运行环境，测试软件兼容性。

• 教育与研究：学习 ARM64 架构、Linux 内核和嵌入式开发。

2. 实践

宿主机：Ubuntu 22.04 （推荐不低于Ubuntu 20.04）

软件	版本	官网
Linux Kernel	6.0.9	https://kernel.org
BusyBox	1.35.0	https://busybox.net
QEMU	7.2.0-rc1	https://www.qemu.org

1. 交叉工具链安装

mkdir qemu_linux_6.0.9_arm64

sudo apt-get install gcc
sudo apt-get install g++

sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu
sudo apt-get install g++-aarch64-linux-gnu

2. linux 6.0.9 源码下载编译

1. 下载源码并解压

axel -n 100 https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.0.9.tar.xz

tar xvf linux-6.0.9.tar.xz

2. 进入解压后的目录，开始配置内核

make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- ARCH=arm64 O=build menuconfig -j16

Device Drivers > Block devices
	  <*>   RAM block device support
        (16)    Default number of RAM disks (NEW)
        (65536) Default RAM disk size (kbytes)

• 选择 RAM block device support
• Default RAM disk size (kbytes) 设置为 65536

3. 编译内核

make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- ARCH=arm64 O=build INSTALL_PATH=build/arch/$ARCH/boot -j16

报错一：

../certs/extract-cert.c:21:10: fatal error: openssl/bio.h: 没有那个文件或目录
   21 | #include <openssl/bio.h>


# 解决办法
sudo apt install libssl-dev

• 查看编译后的结果

# 查看 编译后的结果
file build/arch/arm64/boot/Image 


# 信息显示当前为 arm64 架构的 执行镜像， 使用小端模式
build/arch/arm64/boot/Image: Linux kernel ARM64 boot executable Image, little-endian, 4K pages

3. BusyBox

1.BusyBox 源码下载和编译

axel -n 100 https://busybox.net/downloads/busybox-1.35.0.tar.bz2

tar xvf busybox-1.35.0.tar.bz2 

2. 配置

make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- ARCH=arm64 menuconfig -j16

• 注意如下选项

Settings
	  [*] Build static binary (no shared libs)

3. 编译

make CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- ARCH=arm64 install -j16

• 查看编译后的结果

file _install/bin/busybox


_install/bin/busybox: ELF 64-bit LSB executable, ARM aarch64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=4070758d3e8d681e8a29b50adcaf9795f40169ec, for GNU/Linux 3.7.0, stripped

4. 制作根文件系统

在内核编译我们选择的是initrd方式的RamDisk，编写脚本自动为我们制作根文件系统。

#!/bin/bash

MOUNT_DIR=mnt
CURR_DIR=`pwd`

rm initrd.ext4
dd if=/dev/zero of=initrd.ext4 bs=1M count=64
mkfs.ext4 initrd.ext4

mkdir -p $MOUNT_DIR
mount initrd.ext4 $MOUNT_DIR
cp -arf busybox-1.35.0/_install/* $MOUNT_DIR

cd $MOUNT_DIR
mkdir -p etc dev mnt proc sys tmp mnt etc/init.d/

echo "proc /proc proc defaults 0 0" > etc/fstab
echo "tmpfs /tmp tmpfs defaults 0 0" >> etc/fstab
echo "sysfs /sys sysfs defaults 0 0" >> etc/fstab

echo "#!/bin/sh" > etc/init.d/rcS
echo "mount -a" >> etc/init.d/rcS
echo "mount -o remount,rw /" >> etc/init.d/rcS
echo "echo -e \"Welcome to ARM64 Linux\"" >> etc/init.d/rcS
chmod 755 etc/init.d/rcS

echo "::sysinit:/etc/init.d/rcS" > etc/inittab
echo "::respawn:-/bin/sh" >> etc/inittab
echo "::askfirst:-/bin/sh" >> etc/inittab
chmod 755 etc/inittab

cd dev
mknod console c 5 1
mknod null c 1 3
mknod tty1 c 4 1

cd $CURR_DIR
umount $MOUNT_DIR
echo "make initrd ok!"

保存后添加执行权限，执行时需要使用sudo权限。

介绍一下这个脚本的实现和功能：

• 使用 dd 和 initrd.ext4 制作一个空的64M的ext4格式的文件系统；
• mount这个文件系统，然后拷贝busybox编译的文件进去；
• 创建Linux的关键的标准层级目录 Filesystem Hierarchy Standard (FHS)
• 创建 /etc/fstab，这是mount自动挂载配置文件，可参考：mount命令及/etc/fstab文件详解
• 创建 /etc/init.d/rcS，这是文件系统的初始化脚本
• 创建 /etc/inittab，init进程会解析inittab文件
• 关于rcS和inittab可以参考嵌入式系统开发——文件系统中inittab文件、rcS文件、fstab文件、profile文件详解

5. qemu

1. 下载 qemu 源码

axel -n 100 https://download.qemu.org/qemu-7.2.0-rc1.tar.xz

tar xvf qemu-7.2.0-rc1.tar.xz

2. 编译ARM64架构的QEMU

cd qemu-7.2.0-rc1
mkdir build
cd build

# 配置
../configure --target-list=aarch64-softmmu

# 编译
make -j16


# 查看编译产物
file aarch64-softmmu/qemu-system-aarch64

aarch64-softmmu/qemu-system-aarch64: symbolic link to ../qemu-system-aarch64

查看QEMU支持的machine和cpu方法如下：

cd qemu-7.2.0-rc1/build/aarch64-softmmu
./qemu-system-aarch64 -M help      # 查看支持的machine
./qemu-system-aarch64 -cpu help    # 查看支持的CPU

3. 运行我们的内核

QEMU的virt machine默认CPU是cortex-a15，这是一个32位CPU。选择ARMv8的64位CPU可用cortex-a57。

前面的准备工作完成后，既可以启动虚拟机，编写脚本：
我们是ARM64位程序，选择cortex-a57架构

#!/usr/bin/sh

qemu-7.2.0-rc1/build/aarch64-softmmu/qemu-system-aarch64 \
    -nographic \
    -M virt \
    -cpu cortex-a57 \
    -smp 2 \
    -m 1G \
    -kernel linux-6.0.9/build/arch/arm64/boot/Image \
    -append "nokaslr root=/dev/ram init=/linuxrc console=ttyAMA0 console=ttyS0" \
    -initrd initrd.ext4

运行后就可以看到正常启动进入console了

说明：上面append选项用来给内核传递命令行参数，nokaslr 表示关闭地址随机化，方便gdb调试内核。

QEMU官方文档：

Welcome to QEMU’s documentation! — QEMU documentation

想退出qemu, 直接杀死即可

#!/usr/bin/sh

killall qemu-system-aarch64