Day 7 · QEMU 跑起来¶

预计时长：2 小时类型：实验为主 前置条件：完成 Day 1–6，已成功交叉编译内核

做什么¶

让交叉编译的 ARM 内核在 QEMU 中完整启动，理解从 zImage/Image 到 shell 的全过程。PenguinLab 项目提供了统一的 QEMU 启动脚本和 rootfs 构建脚本，本节将综合使用它们。

结束时你应该： - 能用一条命令启动 ARM32 / ARM64 内核 - 看懂内核启动日志的关键节点 - 能用 GDB 远程调试内核代码

要了解什么¶

1. QEMU 在嵌入式开发中的角色¶

QEMU 在嵌入式 Linux 开发中有三个核心价值：

快速验证：无需真机即可验证内核配置和驱动修改
调试能力：通过 GDB 远程调试内核代码（单步跟踪 start_kernel）
快速迭代：从修改代码到看到结果，无需刷写固件

局限性： - QEMU virt 是虚拟平台，外设为 VirtIO 通用设备，不能测试硬件特定驱动 - 无法验证真实时序和性能 - 某些子系统（如 DMA engine、特定中断控制器）行为可能不同

2. ARM32 vs ARM64 在 QEMU 中的差异¶

特性	ARM32 (vexpress-a9)	ARM64 (virt)
内核镜像	zImage（压缩）	Image（未压缩）
DTB	需要 `-dtb` 参数	QEMU 自动生成（可选）
串口	ttyAMA0 (PL011)	ttyAMA0 (PL011)
defconfig	vexpress_defconfig	defconfig
推荐用途	imx6ull 开发对照	通用 ARM64 开发/学习

3. 最小 rootfs 的构成¶

一个能让内核启动到 shell 的最小 initramfs 需要： - BusyBox：提供 sh、ls、cat 等基本命令 - /init 脚本：内核启动后第一个执行的用户态程序 - 挂载点：/proc、/sys、/dev

PenguinLab 的 scripts/rootfs-minimal-maker.sh 自动完成 BusyBox 交叉编译和 rootfs 打包。

4. QEMU virt machine 与真实硬件对比¶

特性	QEMU virt	Rockchip RK3399	说明
CPU	cortex-a72	2×A72 + 4×A53	可模拟 A72 大核
串口	ttyAMA0 (PL011)	ttyS2 (UART2)	设备节点不同
网络	virtio-net	r8169/fec	VirtIO 通用驱动
存储	virtio-blk	dw-mmc/EMMC	虚拟块设备
GPIO	virtio-gpio	rk gpio	驱动接口不同

关键区别： - virt machine 是虚拟平台，外设都是 VirtIO 通用设备 - 真实开发板有专用外设（GPU、NPU、专用 GPIO 控制器） - 内核启动到shell 阶段之前，流程基本一致 - 适合学习核心子系统（调度器、内存管理、驱动框架），不适合 BSP 特定代码

练习¶

练习 1：编译 ARM64 内核 + rootfs¶

# 1. 配置并编译 ARM64 内核
ARCH=aarch64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- \
  LINUX_DEFCONFIG=defconfig \
  ./scripts/linux-action-scripts.sh config_and_build

# 2. 编译 BusyBox 并制作最小 rootfs
ARCH=aarch64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- \
  ./scripts/rootfs-minimal-maker.sh

# 3. 验证产物
ls out/build_latest_arm64/arch/arm64/boot/Image
ls out/rootfs_arm64/

说明：linux-action-scripts.sh 会将 aarch64 映射为内核的 arm64 架构，构建输出到 out/build_latest_arm64/。

练习 2：一键启动 QEMU¶

# 启动 ARM64 virt（默认配置）
./scripts/qemu-run.sh run

成功的话，你会看到内核启动日志滚动，最终进入 BusyBox ash shell：

/ #

退出 QEMU：按 Ctrl+A，松开后再按 X

[ ] 确认看到 Linux version 6.19.9 的启动日志
[ ] 确认进入了 BusyBox shell

练习 3：ARM32 vexpress 启动¶

# 1. 编译 ARM32 内核（vexpress）
LINUX_DEFCONFIG=vexpress_defconfig \
  ./scripts/linux-action-scripts.sh config_and_build

# 2. 编译 ARM32 rootfs
./scripts/rootfs-minimal-maker.sh

# 3. 启动 vexpress-a9
QEMU_ARCH=arm QEMU_MACHINE=vexpress-a9 ./scripts/qemu-run.sh run

[ ] 对比 ARM32 和 ARM64 的启动日志差异
[ ] 注意 ARM32 需要 DTB 文件，ARM64 virt 不需要手动指定

练习 4：理解启动日志¶

在 QEMU shell 中执行：

# 查看 boot 日志
dmesg | head -50

找到这些关键节点：

日志关键字	含义
`Linux version 6.19.9`	内核版本和编译信息
`Memory: ... available`	物理内存初始化完成
`CPU: ...`	CPU 检测和特性
`clk: ...`	时钟子系统初始化
`NET: Registered PF_INET`	网络协议栈注册
`VFS: Mounted rootfs`	根文件系统挂载
`Freeing unused kernel memory`	释放 init 段内存（内核初始化结束）

[ ] 记录内核从启动到 shell 的秒数（看日志时间戳）
[ ] 找到 start_kernel 是在哪一行打印的
[ ] 找到 init 进程启动的日志行（搜索 Run /init 或 Starting init）

练习 5：自定义内核启动参数¶

# 开启全部调试输出
QEMU_KERNEL_CMDLINE="console=ttyAMA0,115200 debug ignore_loglevel" \
  ./scripts/qemu-run.sh run

# 安静模式（只看关键信息）
QEMU_KERNEL_CMDLINE="console=ttyAMA0 quiet" ./scripts/qemu-run.sh run

# 最大调试（含早期启动信息）
QEMU_KERNEL_CMDLINE="console=ttyAMA0,115200 earlyprintk=serial,ttyAMA0 debug loglevel=10" \
  ./scripts/qemu-run.sh run

[ ] 用 quiet 模式启动，对比正常模式的日志行数

练习 6：网络与 QEMU 交互¶

# 启用 user-mode 网络（端口转发 2222→22）
QEMU_NET=on ./scripts/qemu-run.sh run

# 在 QEMU shell 中配置网络：
ifconfig eth0 10.0.2.15
ping -c 3 10.0.2.2   # ping QEMU 虚拟网关（即 host）

user-mode 网络：QEMU 内置的 SLIRP 网络栈，无需 root 权限，不需要 TAP/bridge 配置。适合开发调试，性能较低。

练习 7：GDB 远程调试内核（高级）¶

# 终端 1：启动 QEMU，等待 GDB 连接（-s 监听 1234 端口，-S 启动时暂停）
QEMU_EXTRA_OPTS="-s -S" ./scripts/qemu-run.sh run

# 终端 2：启动 GDB
aarch64-linux-gnu-gdb third_party/linux/vmlinux

GDB 命令：

(gdb) target remote :1234          # 连接 QEMU
(gdb) break start_kernel           # 在 start_kernel 设断点
(gdb) continue                     # 继续执行，会在 start_kernel 停下
(gdb) bt                           # 查看调用栈
(gdb) list                         # 查看源码
(gdb) next                         # 单步（不进入函数）
(gdb) step                         # 单步（进入函数）
(gdb) print init_task              # 查看内核变量

[ ] 在 start_kernel 设置断点，查看完整调用栈
[ ] 单步执行到 setup_arch，观察架构初始化流程
[ ] 尝试在 rest_init 设断点（这是内核初始化的最后阶段）

提示：如果 vmlinux 不在 third_party/linux/ 下，检查构建输出目录 out/build_latest_arm64/vmlinux。

练习 8：QEMU monitor 命令¶

在 QEMU 运行时按 Ctrl+A，松开后按 C，进入 QEMU monitor：

(qemu) info version       # QEMU 版本
(qemu) info status        # 虚拟机状态
(qemu) info cpus          # CPU 信息
(qemu) info mem           # 内存映射
(qemu) info qtree         # 设备树
(qemu) info qdm           # 设备模型列表
(qemu) quit               # 退出

从 monitor 回到 guest shell：再按 Ctrl+A，松开后按 C。

[ ] 用 info qtree 查看 virt machine 的设备层级

项目脚本参考¶

qemu-run.sh 环境变量¶

变量	默认值	说明
`QEMU_ARCH`	aarch64	架构：`arm` 或 `aarch64`
`QEMU_MACHINE`	virt	机器类型：`virt`、`vexpress-a9`
`QEMU_CPU`	cortex-a72	CPU 型号
`QEMU_MEMORY`	1G	内存大小
`QEMU_SMP`	2	CPU 核数
`QEMU_NET`	off	网络：`on` 或 `off`
`KERNEL_IMAGE`	自动检测	内核镜像路径
`DTB_FILE`	自动检测	设备树文件（ARM32 需要）
`ROOTFS`	自动检测	initramfs 路径
`QEMU_KERNEL_CMDLINE`	`console=ttyAMA0,...`	内核启动参数
`QEMU_EXTRA_OPTS`	无	额外 QEMU 参数（如 `-s -S`）

常用启动组合速查¶

# ARM64 默认（推荐）
./scripts/qemu-run.sh run

# ARM64 4核 2G 内存
QEMU_MEMORY=2G QEMU_SMP=4 ./scripts/qemu-run.sh run

# ARM32 vexpress
QEMU_ARCH=arm QEMU_MACHINE=vexpress-a9 ./scripts/qemu-run.sh run

# 带网络 + GDB 调试
QEMU_NET=on QEMU_EXTRA_OPTS="-s -S" ./scripts/qemu-run.sh run

其他 QEMU 命令¶

# 查看所有支持的 machine 类型
qemu-system-aarch64 -M help

# 查看支持的 CPU 类型
qemu-system-aarch64 -cpu help

# 查看所有支持的设备
qemu-system-aarch64 -device help

延伸阅读¶

资料	具体位置	说明
QEMU 速查手册	`document/qemu-reference.md`	完整的 QEMU 命令、网络、GDB 参考
QEMU 官方文档	https://www.qemu.org/docs/master/system/target-arm.html	ARM 系统模拟官方文档
内核文档	`Documentation/admin-guide/kernel-parameters.rst`	全部内核启动参数参考
《Linux 内核设计与实现》Robert Love	第 16 章	内核调试技术