ARM仿真开发环境——QEMU虚拟化平台搭建

QEMU, ARM 2.8k 约 14 分钟 -- 次

一、QEMU虚拟化平台

1.1 为什推荐QEMU

在嵌入式与操作系统开发领域，ARM 架构凭借其高性能与低功耗的显著优势，已成为现代计算设备的核心技术基础——从物联网传感器、智能手机、汽车电子，到数据中心服务器，ARM 无处不在。

然而，许多开发者在学习 ARM 体系与操作系统开发时会遇到很多问题，第一个拦在面前的障碍往往不是代码本身，而是开发环境。翻开任何一本嵌入式书籍，前几章几乎都在教你买板子、接串口、装驱动、配烧录工具。还没碰到一行代码，时间和精力已经耗去大半。

一块主流的ARM开发板，再加上电源、串口线、SD卡、JTAG调试器……整套下来，还没开始学，钱包先瘦了一圈。对于学生和刚入行的工程师来说，这不是一个可以轻松做出的决定。

真实开发板当然有它不可替代的价值，但在源码学习和原理分析这个阶段，它的短板明显：

  • 开发板成本高昂：一块功能完整的 ARM 开发板动辄数百上千元
  • 调试环境复杂：需要配置 JTAG 调试器、串口线、电源等一系列硬件
  • 实验破坏性风险：误操作可能导致硬件损坏，试错成本极高
  • 平台绑定性强，环境难以复现和共享：代码往往与特定开发板深度耦合，难以迁移

QEMU是一个开源的全系统模拟器，它可以模拟完整的ARM处理器以及外设，让代码以为自己运行在一块真实的硬件上。更重要的是，QEMU内置了GDB调试桩——这意味着你可以在U-Boot执行第一条指令之前就断下来，逐条指令单步执行，实时观察每一个寄存器、每一块内存的变化。这种调试深度，即便是价格不菲的JTAG调试器也很难轻松做到。

QEMU几乎完美地解决了上述所有问题：

维度 真实开发板 QEMU
成本 数百至数千元 免费
环境搭建 串口、电源、烧录工具 一条命令启动
编译→运行周期 分钟级 秒级
调试能力 依赖JTAG，门槛高 内置GDB Server，直接单步
环境一致性 因人而异 完全可复现
状态快照 不支持 支持存档/恢复

1.2 为什么选择mcimx6ul-evk

选择mcimx6ul-evk（NXP i.MX6UltraLite EVK）作为QEMU的目标机器，原因有三：

  1. i.MX6UL资料生态好。大量中文教程、开发板、培训课程都基于这颗芯片，社区资料丰富，遇到问题容易找到答案。
  2. QEMU对i.MX6UL的支持相对完善。与 I.MX6ULL Mini 使用相同的 SoC。CPU核心（Cortex-A7）、中断控制器（GIC）、定时器（GPT/EPIT）、UART等关键外设均已建模，足以支撑U-Boot从上电到引导内核的完整流程。
  3. U-Boot主线对i.MX6UL的支持成熟稳定。我们可以直接使用U-Boot官方源码，无需依赖厂商私有的BSP补丁，最大程度保证代码的通用性和可读性。

二、安装QEMU

主机系统：Ubuntu24.04

QEMU版本：QEMU-10.2.1

交叉编译工具链：gcc-arm-none-eabi

调试器（GDB）：GDB是一个强大的调试工具，可以与QEMU配合使用

2.1. 使用apt-get命令安装

大多数 Linux 发行版已经为 QEMU（或 KVM）提供了二进制包。Ubuntu可以使用下面命令安装：

sduo apt-get install qemu-system

这种方式安装的QEMU版本一般不是最新的，Ubuntu20.04提供的QEMU版本为4.2.1，Ubuntu24.04提供的QEMU版本为8.2.2。

如果需要更新的版本的话，需要采用下载源码本地编译安装的办法。

2.2 QEMU源码安装

（1）下载源码

QEMU官网下载地址：https://www.qemu.org/download/

qemu所有releases版本下载地址：https://download.qemu.org/

终端使用命令下载：

wget https://download.qemu.org/qemu-10.2.1.tar.xz

解压命令：tar xvJf qemu-9.2.2.tar.xz [-C 指定路径]

git克隆下载QEMU

git clone https://gitlab.com/qemu-project/qemu.git

（2）安装编译依赖
参考文档：https://wiki.qemu.org/Hosts/Linux

必要依赖：

  • git， 版本管理器
  • glib2.0-dev，这会自动包含 zlib1g-dev
  • libfdt-devel
  • Python3 pip、tomli、setuptools 和 wheel
  • Flex（词法分析器生成器） Bison（语法分析器生成器）

对于Ubuntu， 所有必要的额外软件包都可以如下安装：

sudo apt update
sudo apt-get install git build-essential libglib2.0-dev libfdt-dev libpixman-1-dev zlib1g-dev ninja-build python3-pip python3-setuptools python3-tomli python3-wheel bison flex

推荐额外依赖：

  • git-email，用于发送补丁
  • libsdl2-dev （libsdl2-devel），基于 SDL 的图形用户界面需要
  • libgtk-3-dev （gtk3-devel），用于简单的 UI 而不是 VNC
  • libvte-dev （vte291-devel），用于通过 GTK 接口访问 QEMU 监视器和串行/控制台设备
  • libcapstone-dev （capstone-devel），用于反汇编 CPU 指令

上述列表远非完整。为了最大化代码覆盖，应尽可能启用 QEMU 功能。 运行configure时，你应该会看到很多行是“YES”，只有少数几行是“NO”。

对于Ubuntu， 大多数推荐的额外软件包以实现最大代码覆盖，可以安装如下：

sudo apt-get install git-email
sudo apt-get install libaio-dev libbluetooth-dev libcapstone-dev libbrlapi-dev libbz2-dev
sudo apt-get install libcap-ng-dev libcurl4-gnutls-dev libgtk-3-dev
sudo apt-get install libibverbs-dev libjpeg8-dev libncurses5-dev libnuma-dev
sudo apt-get install librbd-dev librdmacm-dev
sudo apt-get install libsasl2-dev libsdl2-dev libseccomp-dev libsnappy-dev libssh-dev
sudo apt-get install libvde-dev libvdeplug-dev libvte-2.91-dev libxen-dev liblzo2-dev
sudo apt-get install valgrind xfslibs-dev libssl-dev
sudo apt-get install libnfs-dev libiscsi-dev

注意：

qemu9.0之后的版本要求： 

glib>=2.66
python>=3.8
Ubuntu20.04在不升级glib和python3的情况下可以安装较新的9.0.x版本
查看glib版本：pkg-config --modversion glib-2.0

（3）编译

1. 进入qemu源码目录
2. mkdir build
3. cd build
4. ../configure --target-list=arm-softmmu
# --target-list=arm-softmmu 表示只编译 ARM 全系统模拟器，跳过大量不需要的目标(如x86_64,aarch64等)
# 不使用 --target-list，会编译安装各种平台的Qemu模拟器（aarch64，riscv64等）
# 不指定 --prefix，一般会安装到 /usr/local
5. make -j$(nproc)

make完成后，如果不想安装，可以在build路径下使用./qemu-system-arm执行qemu。

注意：Ubuntu24.04下，使用默认configure，在make时可能会遇到下面错误：

...
during RTL pass: vartrack
../linux-user/linuxload.c: In function ‘memcpy_to_target’:
../linux-user/linuxload.c:24:1: internal compiler error: Segmentation fault
...
Please submit a full bug report, with preprocessed source (by using -freport-bug).
Please include the complete backtrace with any bug report.
See <file:///usr/share/doc/gcc-13/README.Bugs> for instructions.
ninja: build stopped: subcommand failed.
make: *** [Makefile:170: run-ninja] Error 1

这是 GCC 13 自身崩溃了（Internal Compiler Error，简称 ICE）。Ubuntu 24.04 默认搭载的 gcc-13 在特定优化级别下编译某些代码时会触发这个已知 bug。

解决方法可以是升级GCC到14；或者最省事的方法是指定目标只编译arm，也不会触发编译sh4eb-linux-user目标报错。

（4）安装
make运行结束后使用以下命令安装：
sudo make install

检查qemu版本：
qemu-system-arm --version

查看支持的开发板
qemu-system-arm -M help

2.3 删除QEMU

源码编译安装的qemu需要手动卸载：

可执行文件默认放在/usr/local/bin 
库文件默认存放在/usr/local/libexec
共享文件默认存放在/usr/local/share 
文档在 /usr/local/share/doc/qemu/

卸载源码只需将上面四个目录中相关文件或者目录删除

sudo rm -rf /usr/local/bin/qemu-* 
sudo rm -rf /usr/local/libexec/qemu-bridge-helper 
sudo rm -rf /usr/local/share/qemu
sudo rm -rf /usr/local/share/doc/qemu

三、交叉编译工具安装

在一种计算机环境中运行的编译程序，能编译出在另外一种环境下运行的代码，我们就称这种编译器支持交叉编译，这个编译过程就称为交叉编译。

简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。这里需要注意的是所谓平台，实际上包含两个概念：体系结构（Architecture）和操作系统（Operating System）。同一个体系结构可以运行不同的操作系统；同样，同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。

要进行交叉编译，我们需要在主机平台上安装对应的交叉编译工具链，然后用这个交叉编译工具链编译我们的源代码，最终生成可在目标平台上运行的代码。例如适用于ARM平台的交叉编译工具链arm-linux-gcc（arm-none-eabi-gcc）。

3.1 apt-get命令安装

使用 Ubuntu 自带的 apt 工具安装 gcc-arm-none-eabi。

sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

安装完成后，输入命令获取版本号。

arm-none-eabi-gcc --version

为什么选 arm-none-eabi 而不是 arm-linux-gnueabihf？

  • arm-none-eabi：面向裸机（bare-metal）开发，不依赖任何操作系统的 C 库
  • arm-linux-gnueabihf：面向 Linux 应用开发，依赖 glibc

所以做裸机开发，选择前者。

这种方法安装的工具链不包含arm-none-eabi-gdb调试工具，建议去官网下载手动安装。

3.2 手动下载安装

Arm GNU 工具链下载 – Arm 开发者](https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads)
下载之后解压到指定目录：

sudo mkdir /opt/tool
sudo tar -jxf gcc-arm-none-eabi-xxxx-x86_64-linux.tar.bz2 -C /opt/tool/

添加到环境变量：

export PATH=$PATH:/opt/tool/gcc-arm-none-eabi-xxxx/bin

命令 “PATH=$PATH:路径”可以把这个路径加入环境变量，但是退出这个命令行窗口就失效了。

永久有效配置如下：

在/home/用户名下/.bashrc文件末尾中添加下面的内容：
export PATH=$PATH:/opt/tool/gcc-arm-none-eabi-xxxx/bin，然后保存。

最后执行：source .bashrc 使其生效。

输入命令获取版本号：arm-none-eabi-gcc –version，验证安装成功。

3.3 gdb调试工具

我们可以使用工具链自带的gdb来调试代码。

下面推荐一个好用的gdb工具：gdb-multiarch

sudo apt install gdb-multiarch

使用方法：

gdb-multiarch --tui u-boot

(gdb) set architecture arm
(gdb) target remote localhost:1234

至此，开发环境和交叉编译工具链配置等相关准备工作已完成。

使用下面的命令可以在qemu运行我们的裸机程序：

qemu-system-arm -M mcimx6ul-evk -cpu cortex-a7 -m 512M -kernel u-boot

QEMU 帮我们屏蔽了这些硬件初始化的复杂性，让我们可以专注于理解核心概念。等我们对 ARM 体系结构有了足够的理解后，再去攻克这些硬件细节，就会轻松很多。

文章作者 STUDYWITHIOT
文章链接 https://uscxi.github.io/2026/03/01/ARM/ARM仿真开发环境_QEMU虚拟化平台搭建/
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