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嵌入式程式設計中使用qemu能夠做什麼？嵌入式程式設計中使用qemu能夠做什麼？

嵌入式程式設計中使用qemu能夠做什麼？

  • 1.前言
  • 2.嵌入式的裸機或RTOS程式設計
  • 3.利用qemu網絡程式設計研究
  • 4.嵌入式圖形開發
  • 5.進行嵌入式Linux的開發
  • 6.小結

1.前言

嵌入式開發的過程中，很多時間都是要和硬體裝置打交道，通過程式控制硬體的具體行為，這些往往是單片機延續下來的開發模式，在目前複雜的嵌入式系統中，很多都需要借助設計模式來進行開發，比如檔案系統，網絡，圖形，算法等等，這些如果能夠利用軟體模拟器進行開發，可以大大的減少上闆調試的時間。減少硬體連接配接的煩惱，在家也能随時分析軟體代碼。

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在實際項目的開發過程中，qemu也非常的有用，例如當進行網絡程式設計時，往往都會直接使用socket程式設計，其上層接口符合POSIX接口，這樣上層應用的開發和底層驅動便可以很簡單的分離出來，将工作細節進行合理的劃分。而當進行嵌入式GUI程式設計設計時，也可以通過framebuffer，來進行各種界面的設計。同時，如果想新學習一款嵌入式程式設計語言，或者深入了解一些處理器的架構方面的知識，通過裸機程式設計，直接到qemu上運作也能夠非常友善的進行探究工作。

嵌入式程式設計中使用qemu能夠做什麼？嵌入式程式設計中使用qemu能夠做什麼？

下面舉出一些qemu實際好用的應用來進行詳細的描述。

2.嵌入式的裸機或RTOS程式設計

qemu的是指令翻譯進行的，是以可以根據實際的需求進行相應的裸機開發和學習，比如語言學習，嵌入式C語言，嵌入式RUST語言，等等項目。一些github上的好用學習型的項目也會對qemu進行支援，用RUST語言在arm上的程式設計，即使手上沒有很好的硬體的條件，也能夠去學習RUST語言在嵌入式程式設計上的使用。

針對arm的程式設計，qemu也可以模拟出許多的架構出來，通過對這些架構的學習和掌握，可以加快對架構程式設計的了解。

./qemu-system-arm -M virt -cpu ?
Available CPUs:
  arm1026
  arm1136
  arm1136-r2
  arm1176
  arm11mpcore
  arm926
  arm946
  cortex-a15
  cortex-a7
  cortex-a8
  cortex-a9
  cortex-m0
  cortex-m3
  cortex-m33
  cortex-m4
  cortex-m55
  cortex-m7
  cortex-r5
  cortex-r5f
  max
  pxa250
  pxa255
  pxa260
  pxa261
  pxa262
  pxa270-a0
  pxa270-a1
  pxa270
  pxa270-b0
  pxa270-b1
  pxa270-c0
  pxa270-c5
  sa1100
  sa1110
  ti925t

複制

然而嵌入式開發往往會和硬體打交道，qemu也提供了不同類别的硬體，比如flash，網卡，sd卡，中斷，序列槽等等，這些對于學習不同的體系架構，也有着非常關鍵的作用。

比如學習cortex-m3或者aarch64程式設計，采用qemu，運作自己寫的裸機代碼，能夠非常友善的進行各種實驗。

在進行rtos的開發過程中，經常會采用qemu作為調試工具，進行龍芯、樹莓派、riscv相關的開發和驗證工作。在rtos中，比較關鍵的是上下文的切換，通過對寄存器資訊的儲存和恢複，另外就是中斷的處理，能夠很好的了解架構的底層程式設計方式。

以前的時候，也做過aarch64上的qemu程式設計，也是最開始基于qemu，然後慢慢的移植到樹莓派上面，因為外設一緻，代碼層面不用改變，直接可以将qemu運作通過的固件放到樹莓派的sd卡中也一樣能夠正常的運作。

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上圖是在qemu的

rt-thread/bsp/raspberry-pi/raspi3-64

中編譯的固件在qemu上的運作效果，基本上完成對aarch64體系架構中的棧幀、中斷、mmu的支援，以及外設部分SD卡、圖形、序列槽、mbox的支援。該固件也可以直接放到樹莓派硬體的sd卡中運作，其效果和在qemu效果一樣。

除此之外，我也在qemu的支援上做了一些擴充開發，比如在riscv的生态支援上對gd32的rv-star在中科院軟體研究所的基礎上做了一些研究，同時對nuclei的各種處理器系列做了适配。這樣對于軟體層面的驗證更加有用，比如去運作一下nuclei-sdk，或者對于RISCV的V擴充的支援的nmsis的支援。

qemu-system-riscv64 -M nuclei_n,download=ilm -cpu nuclei-nx600fdp -nodefaults -nographic -serial stdio -kernel CMSIS/nmsis_release/NMSIS/DSP/Examples/RISCV/riscv_matrix_example/dsp_example.elf

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這樣可以進行相關的dsp的驗證工作。因為

nmsis

是基于arm的

cmsis

在riscv上的一份移植，其中實作了許多的加速運算的demo，比如矩陣運算，卷積，圖像處理等等，這些指令同樣也可以在nuclei qemu中計算出正确的結果。

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由于對riscv的p擴充和v擴充的支援，使得其行為和實際硬體闆子無差異。在qemu做算法優化和研究也是非常值得去嘗試的。雖然qemu是用軟體去模拟真實計算結果，但是從指令集的優化層面上來說，當功能邏輯實作正确後再移植到闆子上做性能測試，這才是高效的處理方法。

在支援baremetal程式設計和rtos程式設計方面，nuclei-sdk也做了一些工作，可以更加好的觀察分析軟體的具體行為。

qemu-system-riscv32 -M nuclei_n,download=ilm -cpu nuclei-n201 -nodefaults -nographic -serial stdio -kernel application/rtthread/msh/msh.elf
Nuclei SDK Build Time: May 31 2021, 11:48:18
Download Mode: ILM
CPU Frequency 168290222 Hz

 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     3.1.3 build May 31 2021
 2006 - 2019 Copyright by rt-thread team
Hello RT-Thread!
msh >
msh >ps
thread   pri  status      sp     stack size max used left tick  error
-------- ---  ------- ---------- ----------  ------  ---------- ---
tshell     6  ready   0x000000d8 0x00001000    10%   0x0000000a 000
tidle      7  ready   0x00000078 0x00000200    23%   0x00000020 000
main       2  suspend 0x000000b8 0x00000400    17%   0x00000013 000
msh >

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也可以支援其他的rtos，例如下面的ucosii和freertos等等。

ucosii的運作效果如下：

qemu-system-riscv32 -M nuclei_n,download=ilm -cpu nuclei-n201 -nodefaults -nographic -serial stdio -kernel application/ucosii/demo/demo.elf
Nuclei SDK Build Time: May 31 2021, 11:49:45
Download Mode: ILM
CPU Frequency 182521692 Hz
Start ucosii...
create start task success
start all task...
task3 is running... 1
task2 is running... 1
task1 is running... 1
task3 is running... 2
task2 is running... 2
task3 is running... 3
task2 is running... 3
task1 is running... 2
task3 is running... 4
task2 is running... 4
task3 is running... 5
task2 is running... 5

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freertos的運作效果如下：

qemu-system-riscv32 -M nuclei_n,download=ilm -cpu nuclei-n201 -nodefaults -nographic -serial stdio -kernel application/freertos/demo/demo.elf
Nuclei SDK Build Time: May 31 2021, 11:49:45
Download Mode: ILM
CPU Frequency 232205516 Hz
Before StartScheduler
Enter to task_1
task1 is running 0.....
Enter to task_2
task2 is running 0.....
timers Callback 0
timers Callback 1
task1 is running 1.....
task2 is running 1.....
timers Callback 2
timers Callback 3
task1 is running 2.....
task2 is running 2.....

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利用qemu作為底層研究将會非常的高效。同時，善于借助gdb等調試工具，将能夠非常容易的找到問題出現的點。

3.利用qemu網絡程式設計研究

由于qemu的網絡可以直接連接配接主機的網絡，對這方面的研究可以從網絡協定棧，網絡的上層應用程式設計等等進行研究。例如去研究lwip協定棧的實作等等。

我寫過一個qemu上的e1000網卡裝置的驅動，針對于qemu riscv64的virt版本。

https://github.com/bigmagic123/rt-thread/tree/riscv_virt_network

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針對rt-thread的qemu riscv的virt64版本，可以進行如下的設定。

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其中其底層的驅動為e1000，為qemu提供了網絡資料的收發、以及網絡資料包的接收中斷服務。

借助rt-thread上适配的lwip驅動程式，可以非常容易的實作上層網絡程式設計應用。

比如借助rt-thread的IOT軟體包

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使能一些例子

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最後可以測試一下web的通信情況。

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當然，上述這個例子隻是一個非常簡單網絡程式設計的示範，其中socket的程式設計部分實際上是通用的，無論是arm架構、mips架構或者riscv架構，借助qemu的好處在于可以采用一個架構平台，進行協定棧或者上層開發後，可以無縫的移植到自己的真實的闆子上，非常友善進行整體業務的聯調。

對于qemu riscv64 virt平台，整個系統從底層的virtio或者e1000的網卡裝置提供資料的收發、中斷消息機制之外，rt-thread也通過提供lwip協定棧的支援，這樣整個網絡鍊路才是比較合理的。開發起來也比較的友善。

在物聯網子產品的開發方面，采用qemu，也可以不用rt-thread，直接裸機驅動virt上的e1000網卡驅動，然後借助對寄存器的讀寫操作，移植其他的網絡協定棧，進而實作網絡資料的收發工作，網絡程式設計的上層對接阿裡雲、騰訊雲等雲伺服器，非常容易的實作業務的程式設計，同時調試方面，qemu的gdb調試功能也是非常的強大，也可以dump出記憶體進行ram parse分析。

4.嵌入式圖形開發

因為嵌入式程式設計的實作，也會多少涉及到圖形程式設計，當接上LCD屏後，其中的顯示驅動對上層應用暴露出來的實際上是一塊顯存，通過對顯存的讀寫，flush進行lcd的圖像更新。

在圖像程式設計方面，qemu也提供了顯示視窗。這種顯示視窗可以為gui相關的開發工作帶來很多便捷。

關于嵌入式圖像程式設計，可以參考

rt-thread\bsp\raspberry-pi\raspi3-64

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相關的bsp，隻需要完善顯示程式即可。

可以尋找一張bmp的圖檔，圖檔大小為800x480的圖檔。

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利用Image2Lcd的工具進行圖像轉換成數組。

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最後将數組程式編譯到程式代碼中，将該數組放到顯存中即可。

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一切準備就緒後，就能夠進行顯示器的開發了。

#define LCD_BUF_SIZE  (800 * 480)
extern unsigned char gImage_1[];

void lcd_test()
{
    struct rt_device *lcd;
    struct rt_device_graphic_info *test_lcd_info;

    test_lcd_info = rt_malloc(sizeof( struct rt_device_graphic_info));
    //找到lcd    lcd = (struct rt_device *)rt_device_find("lcd");
    rt_kprintf("lcd get info:\n");
    rt_device_control(lcd, RTGRAPHIC_CTRL_GET_INFO, test_lcd_info);
    rt_kprintf("lcd width is %d\n", test_lcd_info->width);
    rt_kprintf("lcd height is %d\n", test_lcd_info->height);
    rt_kprintf("lcd bpp is %d\n", test_lcd_info->bits_per_pixel);

    rt_memcpy(test_lcd_info->framebuffer, &gImage_1[0], LCD_BUF_SIZE*4);
    //重新整理圖檔
    rt_device_control(lcd, RTGRAPHIC_CTRL_RECT_UPDATE, NULL);
    rt_thread_delay(20);
}

複制

如果要進行觸摸操作，qemu也進行了基本的支援，隻需移植相關的底層驅動即可進行開發工作，非常的高效和友善。

5.進行嵌入式Linux的開發

進行Linux開發工作，如果深入去學習某一個裝置的開發，當然少不了不斷的對Linux的核心部分進行編譯和下載下傳，這是一個十分耗時的工作，如果隻是進行應用程式的開發，可能感覺不到許多的差别，但是一旦涉及到Linux核心的分析，頻繁的下載下傳也會浪費大量的時間。

當使用qemu後，這種問題将會得到很好的解決，采用qemu進行核心層面的裁剪，進行核心層面子產品化的驗證工作後，再進行移植，讓其變得更加通用，不僅僅針對這個項目有效，而且也為自己積累了很多經驗。

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從分析linux的loader，分析Linux的驅動架構，記憶體管理，多核管理等等，都能夠非常友善進行調試工作。

在實際硬體裝置沒有穩定之前，對軟體項目進行評估，qemu是非常好用的工具。

6.小結

接觸很多軟體開發工作中，使用qemu确實能夠在一定程度上節省時間，提高軟體調試與分析的效率。

用軟體模拟硬體的操作行為，本質上來說和實際的硬體操作差別不大，因為在嵌入式程式設計中，最底層的指令集的行為已經在qemu中實作的很好了，硬體模拟方面，qemu也大緻能夠模拟操作寄存器後，處理器的行為，這些在對qemu的底層支援和學習的過程中已經進行了大量的實驗和研究。

了解qemu的使用，會對嵌入式軟體原理有着更加深刻的了解，從更大的層面上來說，虛拟化的行為本來就是一種很好的解決方案，去設計一個嵌入式軟體方案，去示範一個底層軟體，或者節約下載下傳調試時間，開發嵌入式上層業務系統軟體的功能層面來說，qemu都是值得去研究和使用的工具。

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