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QEMU模拟ATF启动

qq_16106195 2024-03-22 原文

QEMU模拟ATF启动

通过qemu模拟ATF的启动，即启动流程为：
bl1
bl2
bl31
bl33
kernel

其中bl33为uboot。

Qemu

  1. apt方式下载

    # 不推荐以apt-get方式安装，版本较低
# 后续启动kernel可能失败
sudo apt-get install qemu
# 查看ARM64平台版本
qemu-system-aarch64 --version

  2. 源码安装

    去官网下载最新的版本，这里下载qemu-7.1.0，并解压

    # 下载
wget https://download.qemu.org/qemu-7.1.0.tar.xz
# 解压
xz -d qemu-7.1.0.tar.xz
tar xvf qemu-7.1.0.tar

  3. 相关库安装

    sudo apt-get install libcap-dev
sudo apt-get install pkg-config
sudo apt-get install zlib1g-dev libglib2.0-dev
sudo apt-get install libpixman-1-dev
sudo apt install python3-pip
pip3 install --user meson

    # ninja
sudo apt-get install re2c
git clone https://github.com/ninja-build/ninja.git
cd ninja && ./configure.py --bootstrap  
sudo cp ./ninja /usr/bin/
ninja --version

  4. 问题解决

    • virtio-9p (virtfs) on Linux requires libcap-ng-devel and libattr-devel

      wget https://launchpad.net/ubuntu/+archive/primary/+sourcefiles/libcap-ng/0.7.7-3.1/libcap-ng_0.7.7.orig.tar.gz
cd libcap-ng-0.7.7
./autogen.sh
./configure
make
sudo make install

  5. 编译安装

    ./configure --target-list=x86_64-softmmu,x86_64-linux-user,arm-softmmu,arm-linux-user,aarch64-softmmu,aarch64-linux-user --enable-kvm
make -j16
sudo make install
# 查看版本
qemu-system-aarch64 --version

U-boot

  1. 下载uboot

    git clone https://source.denx.de/u-boot/u-boot.git

  2. 编译uboot

    export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- 
make qemu_arm64_defconfig
make -j16

  3. uboot位置

    ./u-boot.bin

Kernel

  1. 下载kernel

    进入官网，下载稳定版本的，这里下载linux-5.19.6.tar.xz，并解压

    # 下载
https://www.kernel.org/
# 解压
xz -d linux-5.19.6.tar.xz
tar xvf linux-5.19.6.tar

  2. 编译kernel

    export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make defconfig
make -j16

  3. Image位置

    ./arch/arm64/boot/Image

Rootfs

  1. 下载buildroot

    进入官网，下载稳定版本，这里下载buildroot-2022.05.2.tar.xz，并解压

    # 下载
https://buildroot.org/download.html
# 解压
xz -d xz -d buildroot-2022.05.2.tar.xz
tar xvf buildroot-2022.05.2.tar

  2. 配置

    make ARCH=arm64 menuconfig

    如出现Unable to find the ncurses libraries or the required header files，需要安装以下库

    sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev

    • Target Options

      Target Architecture：AArch64（little endian）

      Target Architecture Variant：cortex-A53

      其他默认不变。

    • Toolchain

      这里让buildroot自己去下载适配的工具链

    • System configuration

      这里默认不变

    • Filesystem images

      ext2/3/4 root filesystem：y

      • ex2/3/4 variant：ext4

  3. 编译

    注意不能-j进行多核编译

    sudo make

ATF

  1. 下载ATF

    git clone https://git.trustedfirmware.org/TF-A/trusted-firmware-a.git

  2. 编译

    export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make PLAT=qemu all DEBUG=1

    TIPS：默认调试版本日志等级为40（INFO），发布版本中为20（NOTICE），可加LOG_LEVEL=50参数开启VERBOSE日志。

  3. bin文件位置

    build/qemu/debug

    生成bl1.bin，bl2.bin，bl31.bin等文件

启动

新建qemu_test文件夹，并进入。

  1. qemu启动u-boot

    qemu-system-aarch64 \
     -M  virt \
     -cpu cortex-a53 \
     -smp 2 \
     -m 2048M \
     -kernel ../u-boot-master/u-boot \
     -nographic

    TIPS：

    解决qemu启动输出参数较多，添加启动选项保存到配置文件中，如下

    -writeconfig qemu-test.conf

    下次启动时，直接加载该配置文件即可

    qemu-system-aarch64 –readconfig qemu-test.conf

    退出qemu，按住Ctrl+A，松开后再输入X即可。

  2. qemu启动kernel

    qemu-system-aarch64 \
     -M virt \
     -cpu cortex-a53 \
     -smp 2 \
     -m 2048M \
     -kernel ../linux-5.19.6/arch/arm64/boot/Image \
     -append "console=ttyAMA0 root=/dev/vda" \
     -nographic

    这里由于缺少根文件系统rootfs，会打印end Kernel panic - not syncing: VFS: Unable to mount root fs on unknown-block(0,0)。

  3. qemu启动rootfs（kernel）

    qemu-system-aarch64 \
     -M virt \
     -cpu cortex-a53 \
     -smp 2 \
     -m 2048M \
     -kernel ../linux-5.19.6/arch/arm64/boot/Image \
     -drive file=../buildroot-2022.05.2/output/images/rootfs.ext4,if=none,id=blk1,format=raw \
     -device virtio-blk-device,drive=blk1 \
     -append "console=ttyAMA0 root=/dev/vda" \
     -nographic

    使用root的password登陆进去。

  4. qemu通过u-boot启动kernel

    uboot下载kernel镜像和设备数dtb有两种方式：

    • 可以配置uboot的网络，使用tftp方式下载
    • 使用半主机semihosting的方式加载

    我们这里使用后者，但是需要编译uboot时，在configs/qemu_arm64_defconfig中添加以下配置CONFIG_SEMIHOSTING=y。重新编译后，运行：

    qemu-system-aarch64 \
     -M  virt \
     -cpu cortex-a53 \
     -smp 2 \
     -m 2048M \
     -kernel ../u-boot-master/u-boot \
     -semihosting-config enable=on,target=native \
     -nographic

    然后通过semihosting方式添加kernel

    smhload ../linux-5.19.6/arch/arm64/boot/Image

    最后设置bootargs并启动内核

    setenv bootargs " console=ttyAMA0 root=/dev/vda"
booti 0x40000000 - 0x43000000

    TODO：这里没有添加成功smhload命令

  5. qemu通过ATF启动u-boot

    拷贝bl1.bin、bl2.bin、bl31.bin到当前目录下，拷贝u-boot.bin到当前目录下并重命名为bl33.bin

    cp ../arm-trusted-firmware-2.7.0/build/qemu/debug/*.bin ./
cp ../u-boot-master/u-boot.bin ./bl33.bin

    qemu-system-aarch64 \
    -nographic -machine virt,secure=on \
    -cpu cortex-a53 \
    -smp 2 -m 2048 \
    -d unimp \
    -bios bl1.bin \
    -semihosting-config enable=on,target=native

    注意：qemu默认使用FIP方式加载，原始镜像存在memmap中，如果memmap没有镜像，会打印Firmware Image Package header check failed.FIP校验头失败。然后就会使用半主机的方式读取镜像Using Semi-hosting IO，直接半主机方式读取原始镜像到内存地址中（实际上是通过读文件的方式），即不会在校验FIP方式的头这些，因此如果需要FIP方式加载，需要将镜像事先加载到memmap中。

    可以使用gdb的restore命令用来将文件中的数据加载到内容中，使用方法如下，详见第5点

    restore file binary start_addr end_addr

  6. qemu通过gdb调试目标镜像

    在启动qemu时添加-s –S选项。

    -S：表示QEMU虚拟机会冻结CPU,直到远程的GDB输入相应控制命令
    　　-s：表示在1234端口接受GDB的调试连接，其与-gdb tcp::1234参数相同

    qemu-system-aarch64 \
    -nographic -machine virt,secure=on \
    -cpu cortex-a53 \
    -smp 2 -m 2048 \
    -d unimp \
    -bios bl1.bin \
    -semihosting-config enable=on,target=native -s -S

    启动GDB，apt-get安装的交叉工具链没有gdb（可以安装gdb-multiarch的gdb），我们这里使用自己下载的工具链。在另一窗口下通过gdb从atf的bl1开始启动：

    ~/toolchain/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin/aarch64-none-linux-gnu-gdb ../arm-trusted-firmware-2.7.0/build/qemu/debug/bl1/bl1.elf

    gdb通过tcp方式attach到qemu的目标板上

    target remote localhost:1234

    就开始调试了，执行N，C，B等gdb命令。

    TIPS1：默认ATF编译时开优化，需要打开调试

    CFLAGS='-O0 -gdwarf-2'
make PLAT=qemu all DEBUG=1

    TIPS2：默认我们开始使用的是bl1的符号表，因此如果要调试bl2，bl31，kernel等，需要在gdb中添加对应的符号表，如下：

    add-symbol-file ../arm-trusted-firmware-2.7.0/build/qemu/debug/bl2/bl2.elf

  7. qemu使用FIP方式加载ATF

    编译生成FIP包，需要指定BL33镜像的位置，默认会生成fip.bin

    export ARCH=arm64
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make PLAT=qemu BL33=../u-boot-master/u-boot.bin all fip DEBUG=1 LOG_LEVEL=50

    下面的命令在build/qemu/debug目录下执行。

    启动qemu

    qemu-system-aarch64 \
    -nographic -machine virt,secure=on \
    -cpu cortex-a53 \
    -smp 2 -m 2048 \
    -d unimp \
    -bios bl1.bin \
    -semihosting-config enable=on,target=native -s -S

    启动gdb调试

    ~/toolchain/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin/aarch64-none-linux-gnu-gdb bl1/bl1.elf

    • 连接目标板

      target remote localhost:1234

    • 加载fip.bin到内存

      restore fip.bin binary 0x00040000

      这里的开始地址和最大大小就是qemu平台配置的

      #define PLAT_QEMU_FIP_BASE		0x00040000
#define PLAT_QEMU_FIP_MAX_SIZE		0x00400000

    • 全速运行

      c

    如果开启VERBOSE打印，可以看到每个镜像加载时会打印如下内容

    VERBOSE: FIP header looks OK.
VERBOSE: Using FIP

参考

  1. 利用Qemu-4.0虚拟ARM64实验平台
  2. 从零开始搭建qemu调试环境
QEMUATFspanclasstokenarm开发

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