ubuntu24.04上使用qemu+buildroot+uboot+linux+tftp+nfs模拟搭建vexpress-ca9嵌入式linux开发环境

1 准备工作

1.1 安装依赖工具

sudo apt-get update && sudo apt-get install build-essential git bc flex libncurses5-dev libssl-dev device-tree-compiler

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1.2 安装arm交叉编译工具链

sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf

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安装之后，在终端输入arm-linux- gnueabihf- 后按TAB键，出现下列命令，表示安装成功。

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1.3 安装qemu-system-arm

sudo apt install qemu-system-arm

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安装完毕后，在终端输入: qemu- 后按TAB键，弹出下列命令证明安装成功。
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2 u-boot配置编译

2.1 下载u-boot

wget http://ftp.denx.de/pub/u-boot/u-boot-2018.03.tar.bz2

2.2 配置u-boot

解压并进入u-boot。

tar -xvf u-boot-2023.10.tar.bz2 && cd u-boot-2023.10

使用vexpress-ca9x4的默认配置进行配置。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_ca9x4_defconfig

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2.3 修改u-boot

qemu模拟开发板，无法将u-boot环境变量固化到flash，所以每次启动需要重新设置环境变量，为了方便可以将相关环境变量写死在源码里，具体为include/configs/vexpress_common.h中的CFG_EXTRA_ENV_SETTINGS宏。

修改define CFG_EXTRA_ENV_SETTINGS 如下。其中10.211.55.10为QEMU模拟的开发板的IP，10.211.55.100为宿主系统ubuntu24.04的IP，需要根据实际环境IP进行修改。

#define CFG_EXTRA_ENV_SETTINGS \"ipaddr=10.211.55.10\0" \"serverip=10.211.55.100\0" \"bootcmd=tftp 0x60003000 uImage; \tftp 0x61000000 vexpress-v2p-ca9.dtb; \bootm 0x60003000 - 0x61000000\0" \"bootargs=root=/dev/nfs rw \nfsroot=10.211.55.100:/nfs/rootfs,nfsvers=4 init=/linuxrc \ip=10.211.55.10 console=ttyAMA0\0"

2.4 编译u-boot

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8

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编译成功后，会在当前目录生成u-boot。

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3 linux内核配置编译

3.1 下载linux内核

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.14.2.tar.xz

3.2 配置linux内核

解压并进入linux内核主目录。

tar -xvf linux-6.14.2.tar.xz && cd linux-6.14.2

3.2.1 使用vexpress-ca9开发板默认配置。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- vexpress_defconfig

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3.2.2 关键自定义配置

使用menuconfig进行自定义配置。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

启用 VirtIO 网络

Device Drivers  ---> Network device support  ---> Virtio network driver

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启用 NFS 客户端

File systems  ---> Network File Systems  ---> NFS client support

把能选的client版本v2、v3、v4等都选了。

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选中Root file system on NFS

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支持自动挂载devtmpfs到/dev

Device Drivers  ---> Generic Driver Options  ---> Automount devtmpfs at /dev, after the kernel mounted the rootfs

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不选中Automount devtmpfs at /dev, after the kernel mounted the rootfs，后续buildroot制作的根文件系统无法生成/dev/ttyAMA0节点，导致无法进行系统，报下面的错误。

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3.3 编译linux内核

编译u-boot的内核镜像，需要指定LOADADDR=0x60003000（即uboot通过tftp加载uImage的地址)，以及生成的镜像格式为uImage.

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- LOADADDR=0x60003000 uImage dtbs -j8

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编译完成后，会在下面路径生成zImage内核镜像和dtb设备树文件。

arch/arm/boot/uImage          # 内核镜像
arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca9.dtb  # 设备树

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将uImage和vexpress-v2p-ca9.dtb拷贝到tfp服务器工作目录/tftpboot下，tftpboot在地5.2章节进行说明。

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4 配置编译buildroot

4.1 下载buildroot

wget https://buildroot.org/downloads/buildroot-2024.02.tar.gz

4.2 配置buildroot

解压并进入buildroot主目录。

tar -xvf buildroot-2024.02.tar.gz && cd buildroot-2024.02

4.2.1 使用vexpress-ca9默认配置

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- qemu_arm_vexpress_defconfig

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4.2.2 关键自定义配置

使用menuconfig进行自定义配置。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

文件系统

Filesystem images  ---> ext2/3/4 root filesystem---> ext2/3/4 variant

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mdev支持

System configuration  ---> dev management ---> Dynamic using devtmpfs + mdev

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nfs-utils

Target packages  ---> Filesystem and flash utilities  ---> nfs-utils---> NFSv4/NFSv4.1

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4.3 编译根文件系统

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8

编译完成后，会生成根文件镜像

output/images/rootfs.ext4  # ext4格式镜像

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5 宿主机上配置tftp服务器

5.1 安装tftp服务器

sudo apt-get install tftpd-hpa

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5.2 设置tftp服务器工作目录

sudo mkdir -p /tftpboot && sudo chmod -R 777 /tftpboot

在这里插入图片描述

5.3 配置tftp服务

sudo vi /etc/default/tftpd-hpa

修改配置如下：

TFTP_DIRECTORY="/tftpboot"
TFTP_OPTIONS="-l -c -s"

在这里插入图片描述

修改保存配置文件后，重启tftp服务使配置生效。

sudo systemctl restart tftpd-hpa

5.4 验证tftp服务

在tftp服务器目录创建一个测试文件，在其他文件夹下通过tftp get这个问题，get成功则说明tftp服务配置成功。

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6 宿主机上配置NFS服务器

6.1 安装nfs服务

sudo apt-get install nfs-kernel-server

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6.2 配置nfs服务

6.2.1 配置nfs根文件系统

创建rootfs文件夹

sudo mkdir -p /nfs/rootfs

拷贝根文件系统到rootfs文件夹

讲buildroot制作的rootfs拷贝到/nfs/rootfs文件夹。

sudo mount -t ext4 /home/cat/work/drv/buildroot-2024.02/output/images/rootfs.ext4 /mnt
sudo cp -rp /mnt/* /nfs/rootfs
sudo umount  /mnt

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6.2.2 修改nfs服务配置文件

sudo vi /etc/exports  # 配置内容：
/nfs/rootfs *(rw,sync,no_root_squash,no_subtree_check,insecure)

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注意，一定要加上no_root_squash，否则后面使用nfs加载根文件系统后，重复弹出让输用户名和密码，进不去系统，如下：在这里插入图片描述

修改好exports文件后，执行

source /exports

使配置生效，然后重启nfs服务。

sudo systemctl restart nfs-kernel-server

6.3 验证nfs服务是否生效

使用如下命令将/nfs/rootfs挂载到/mnt，如果挂载成功则表示生效。

sudo mount -t nfs 127.0.0.1:/nfs/rootfs /mnt/

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7 使用qemu模拟vexpress-ca9开发板

7.1 创建网桥

创建网桥用于开发板和ubuntu宿主机通信。

创建 /etc/netplan/01-netcfg.yaml配置文件，内容如下：

network:version: 2renderer: networkdethernets:enp0s5:  #替换为你的物理网卡名（用 `ip a` 查看）dhcp4: nobridges:br0:interfaces: [enp0s5]dhcp4: no# 如果使用静态 IP：addresses: 10.211.55.100/24 #u-boot指定的serverip# gateway4: 192.168.1.1# nameservers:#   addresses: [8.8.8.8, 1.1.1.1]

然后执行下面的命令，执行上面的配置

sudo netplan apply

然后执行

ip addr show br0

确认网桥是否生效。

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7.2 使用qemu启动脚本启动开发板

#!/bin/bash# 随机生成 TAP 接口名（格式：tap-<随机4位16进制>）
TAP_IF="tap-$(openssl rand -hex 2 | cut -c1-4)"
BRIDGE_IF="br0"  # 宿主机桥接接口名
USER=$(whoami)# 创建 TAP 接口并加入桥接
echo "Creating TAP interface: $TAP_IF"
sudo ip tuntap add dev $TAP_IF mode tap user $USER
sudo ip link set $TAP_IF up
sudo ip link set $TAP_IF master $BRIDGE_IF# 启动 QEMU（传递 TAP 接口名给 U-Boot）
echo "Starting QEMU with U-Boot..."
sudo qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel u-boot -net nic -net tap,ifname=$TAP_IF,script=no,downscript=no -nographic# QEMU 退出后自动清理 TAP 接口
echo "Cleaning up TAP interface: $TAP_IF"
sudo ip link set $TAP_IF down
sudo ip tuntap del dev $TAP_IF mode tap

保存为qemu.sh脚本，该脚本用于启动模拟开发板，其中u-boot第2节的u-boot镜像。该脚本动态创建TAP设备，可以实现启动多个开发板。