Build, chạy nhân Linux trong QEMU ARM

Mục lục

Chạy một bản Linux tối giản trên Qemu ARM

Bài này sẽ làm một ví dụ để chỉ ra sự liên quan giữa
các thành phần của một hệ thống Linux thông qua
việc build, chạy Kernel trên board vexpress-a9 mô phỏng bằng Qemu.

Đó là Kernel, Root file system, Busybox, Init.

1. “Chém” chút về quá trình khởi động của Linux

  • Về cơ bản, quá trình khởi động Linux có 2 giai đoạn.
    Giai đoạn đầu là load kernel lên RAM và chạy
    Giai đoạn thứ hai là kernle sẽ tự động mount hệ thống file
    rồi các ứng dụng trên hệ thống file được mount.
    Bất cứ bản Linux nào, dù lớn, dù bé đều thì tối thiểu phải có 2 giai đoạn ở trên.

  • Để chạy Linux trên các board sử dụng chip ARM, ta cần 2 điều kiện
    Thứ nhất, kernel hỗ trợ board.
    Thứ hai, ta phải có hoặc tạo file device tree chứa thông tin
    các device mà kernel có thể truy cập được khi kernel chạy

2. Chuẩn bị môi trường

Ubuntu 16.04 LTS hoặc các môi trường Linux tương tự và tương đối mới
Giả sử ta sẽ thao tác một thư mục tên có tên qemu_arm_test trong HOME

3. Tải về

  • Linux kernel bản stable mới nhất
    Vào trang http://www.kernel.org/, rồi tải bản stable mới nhất
    Hoặc lấy link rồi sử dụng wget như sau:
$ wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.10.8.tar.xz
  • Busybox bản stable mới nhất
    Vào trang http://busybox.net, rồi tải bản stable mới nhất
    Hoặc lấy link rồi sử dụng wget như sau:
$ wget http://busybox.net/downloads/busybox-1.26.2.tar.bz2

4. Cài đặt

  • Cài đặt cross-compiler chạy trên Linux, build code cho ARM
    Có rất nhiều loại Toolchain dành cho ARM mà chúng ta có thể cài trên Linux.
    Danh sách có thể tham khảo tại đây.
    Ở đây chúng ta sẽ sử dụng Linaro (ARM) vì cài đặt khá dễ dàng trên Ubuntu.
    Câu lệnh như sau:
$sudo add-apt-repository ppa:linaro-maintainers/toolchain  
$sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

Sau khi cài đặt xong, ta có thể thấy các command sau:
arm-linux-gnueabi-gcc, arm-none-eabi-gcc

  • Cài đặt Qemu ARM để mô phỏng board vexpress-a9
    Qemu thì quá nổi tiếng rồi, một phần mềm máy ảo là nền tảng cho hầu hết các công
    nghệ ảo phần cứng ngày nay.
$sudo apt-get install qemu qemu-system-arm

Để khởi động thử board vexpress-a9

$qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512

Nếu lên được một màn hình windows rồi tắt là ok, chứng tỏ các tham số là tạm ổn.
Chỉ là máy chưa biết chạy cái gì thôi.

5. Biên dịch

Ta sẽ tiến hành build kernel rồi Busybox

5.1 Biên dịch Kernel từ MainStream

  • Giải nén kernel
$unxz linux-4.10.8.tar.xz  
$tar -xvf linux-4.10.8.tar
  • Cấu hình và build kernel bằng Toolchain ta đã cài ở trên
$cd linux-4.10.8  
$make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- vexpress_defconfig  
$make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- all

Khi khi quá trình build kết thúc, bạn sẽ thấy nhân được tạo trong
đường dẫn linux-4.10.8/arch/arm/boot/zImage.
Chốc nữa ta sẽ khởi động bằng zImage đó.

5.2 Biên dịch Busybox từ MainStream

  • Giải nén
$bzip2 -d -k busybox-1.26.2.tar.bz2
  • Cấu hình và build Busybox bằng Toolchain đã cài ở trên
    Sử dụng cấu hình mặc định
$cd busybox-1.26.2  
$make ARCH=arm CROSS_COMPLIE=arm-linux-gnueabi- defconfig

Chúng ta sẽ không sử dụng shared library (tức là không có run-tim loader-linker)
vì thế phải sửa cấu hình build của Busybox để chỉ hỗ trợ buildstatic thôi.

$make ARCH=arm CROSS_COMPLIE=arm-linux-gnueabi- menuconfig

Chú ý là, có thể phải cài thư viện libcurses-dev thì mới chạy được
giao diện cấu hình.

Sau đó chỉnh sửa ở đường dẫn sau:
Busybox Settings > Build Options > Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

Sau đó build Busybox bằng câu lệnh sau:

$make ARCH=arm CROSS_COMPLIE=arm-linux-gnueabi- install

Kết quả build sẽ nằm ở thư mục _install.
Nội dung thư mục này sẽ như sau:

_install$ ls  
bin linuxrc sbin usr

6. Tạo file system chứa Busybox

Như đã nói ở trên, ta cần một file system để chứa ứng dụng phía user-space.
Ít nhất phải có init program, là chương trình đầu tiên mà kernel sẽ chạy.
Process của chương trình này luôn là 1, và cha của mọi tiến trình trong Linux.

Vậy, một file system tối thiệu liệu cần những gì.
Thật may mắn, kết quả sau khi build Busybox đã cho ta gần như đủ 1 file system rồi.
Tuy nhiên, ta cần một vài file cấu hình cho init proram nữa.

Được dẫn của init program trong file system có thể được chỉ định trong tham
số khởi động kernel.Nếu không được chỉ định thì nó sẽ tìm theo thức tự sau:
Theo source code từ kernel/init/main.c:990

if (!try_to_run_init_process("/sbin/init") ||  
!try_to_run_init_process("/etc/init") ||  
!try_to_run_init_process("/bin/init") ||  
!try_to_run_init_process("/bin/sh"))

Busybox là một tập các utility của Linux, nó cũng có một init program nằm ở /sbin/init luôn. Ta có thể xem trong nội dung thư mục _install* ở trên.

Trong bài này, ta sẽ tham khảo ví dụ tạo file system của Busybox cho đĩa mềm (floppy disk).
Cụ thể sẽ làm như sau:
Tại thư mục source của Busybox:

$cd examples/bootfloopy  
$ls  
bootfloppy.txt etc mkrootfs.sh quickstart.txt  
display.txt mkdevs.sh mksyslinux.sh syslinux.cfg

Ta sẽ sử dụng thư mục etc và thư mục _install (được tạo khi build Busybox)
để tạo file system.

Đầu tiên, tạo thư mục chứa nội dung toàn bộ file system:

$mkdir rootfs_content  
$cp -fR busybox-1.26.2/examples/etc rootfs_content  
$cp -fR busybox-1.26.2/_install/* rootfs_content  
$ls rootfs_content  
bin etc linuxrc sbin usr

Ta sẽ tạo thêm một vài thư mục phụ nữa:

$cd rootfs_content  
$mkdir dev home mnt proc root sys tmp var

Cuối cùng ta có cấu trúc thư mục như sau:

├── bin  
├── dev  
├── etc  
├── home  
├── linuxrc -> bin/busybox  
├── mnt  
├── proc  
├── root  
├── sbin  
├── sys  
├── tmp  
├── usr  
└── var

Ta cần sửa một chút file cấu hình của init program.
Nó nằm ở /etc/inittab, sửa nội dung thành như sau:

::sysinit:/etc/init.d/rcS  
::respawn:-/bin/sh  
::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r

Giờ ta sẽ tạo file system từ thư mục rootfs_content ở trên.
Đầu tiên, tạo một file system ext3 trống:

$dd if=/dev/zero of=BusyBoxRootFS.ext3 bs=1M count=32  
$mkfs.ext3 BusyBoxRootFS.ext3

Sau đó, mount file system vừa tạo trong file BusyBoxRootFS.ext3
vào để tạo nội dung cho nó (nhớ phải có tham số -o nha):

$sudo mount -t ext3 BusyBoxRootFS.ext3 tmpfs/ -o loop  
$cp -fR rootfs_content/* tmpfs/

Cuối cùng là umount nó:

$umount tmpfs

Giờ file hệ thống chứa các ứng dụng user-space nằm trong file system bên trong file BusyboxRootFS.ext3 rồi.

7. Chạy

Ta kiểm tra lại những thức đã làm trước khi chạy
qemu-system-arm : đã cài
kernel : đã build
file system : đã tạo

Giờ ta sẽ chạy, câu lệnh như sau:

$qemu-system-arm -M vexpress-a9 \  
-dtb linux-4.10.8/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \  
-kernel linux-4.10.8/arch/arm/boot/zImage \  
-append "root=/dev/mmcblk0 console=ttyAMA0" \  
-sd BusyBoxRootFS.ext3 \  
-serial stdio

QEMU

Trên cửa sổ dòng lệnh sẽ hiện ra terminal của máy Qemu:

Cùng với một màn hình có chim cánh cụt:

Ta kiểm tra máy đang chạy bằng

#uname -a  
#cat /proc/cpuinfo

Sẽ thấy máy chạy là ARM, và phiên bản nhân là 4.10.8 (mới nhất)

8. Tham khảo

  1. Learning from you blog - https://learningfromyoublog.wordpress.com/
  2. Free Embedded - https://learningfromyoublog.wordpress.com/
  3. Busybox - https://www.busybox.net/
  4. BusyBox simplifies embedded Linux systems - https://www.ibm.com/developerworks/library/l-busybox/
  5. Linux stable - https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git/
  6. QEMU System ARM - https://qemu.weilnetz.de/doc/qemu-doc.html#ARM-System-emulator