22-QEMU 实验总览

22.1 为什么 QEMU 能替代开发板

书上需要的能力	真实开发板	QEMU 对应
启动一个 ARM/x86 内核	烧写 SD 卡/UART	-kernel Image -append ...
串口控制台	UART 转 USB	-nographic + console=ttyAMA0
字符设备/平台设备	板载外设	platform_device + simple-bus
I²C 总线与芯片	硬件 I²C + EEPROM	i2c-stub 、virtio-i2c
SPI 总线与芯片	硬件 SPI + Flash	spi-gpio + gpio-sim 、virtio-spi
GPIO	板载 GPIO	gpio-sim 、gpio-virtuser、virtio-gpio
中断控制器	GIC/PLIC	QEMU virt 内置 GIC/PLIC
网络	板载网卡	virtio-net
块设备	eMMC/NAND	virtio-blk、-drive
USB 主机	USB 控制器	-device qemu-xhci
USB 设备（Gadget）	USB 从控制器	dummy_hcd + configfs
DMA	板载 DMA	dmatest、阅读 dw-dma
时钟/电源管理	PMIC	QEMU virt 的 cpufreq/cpuidle 有限支持
内核源码级调试	JTAG	-s -S + gdbstub

结论 ：除了少数"真机才有"的细节（真实时序、电压、EMC）， 书上的每一个知识点都能在 QEMU 上复现。

22.2 环境准备

22.2.1 宿主依赖

sudo apt update
sudo apt install -y \
  build-essential git bc bison flex libssl-dev libelf-dev libncurses-dev \
  pahole cpio rsync kmod udev \
  qemu-system-x86 qemu-system-arm qemu-utils \
  gdb gdb-multiarch device-tree-compiler \
  busybox-static e2fsprogs dosfstools \
  i2c-tools spi-tools gpiod libgpiod-dev \
  python3 perl tar xz-utils

版本建议 ：QEMU ≥ 8.0（virtio-gpio/virtio-spi 需要较新版本）。

qemu-system-x86_64 --version
qemu-system-x86_64 -device help | grep -E 'virtio|i2c|spi|gpio|usb'
qemu-system-aarch64 -machine virt -device help | grep -E 'virtio|spi|gpio'

22.2.2 环境变量（所有实验共用）

export KSRC=~works/study/linux-7.2.5
export KBUILD=~works/study/build/linux-7.2.5-x86_64
export KBUILD_ARM=~works/study/build/linux-7.2.5-arm64
export LAB=~works/study/qemu-lab
mkdir -p "$LAB"

注意 ：构建产物一律放到源码树之外 （O=），保持源码树干净， 也便于同时保留 x86_64 和 arm64 两套配置。

22.3 编译内核

22.3.1 x86_64（主力实验平台）

mkdir -p "$KBUILD"

# 1. 基础配置
make -C "$KSRC" O="$KBUILD" x86_64_defconfig

# 2. 合并 KVM guest 配置（串口/virtio 等）
"$KSRC/scripts/kconfig/merge_config.sh" -O "$KBUILD" \
    "$KBUILD/.config" "$KSRC/kernel/configs/kvm_guest.config"

# 3. 合并调试配置（可选，但强烈建议学习期打开）
"$KSRC/scripts/kconfig/merge_config.sh" -O "$KBUILD" \
    "$KBUILD/.config" "$KSRC/kernel/configs/debug.config"

# 4. 应用并交互调整
make -C "$KSRC" O="$KBUILD" olddefconfig
make -C "$KSRC" O="$KBUILD" menuconfig

# 5. 编译
make -C "$KSRC" O="$KBUILD" -j"$(nproc)"

产物：

文件	说明
$KBUILD/arch/x86/boot/bzImage	可引导内核
$KBUILD/vmlinux	带符号的内核（GDB 用）
$KBUILD/System.map	符号表
$KBUILD/.config	最终配置

22.3.2 arm64（总线/设备树实验平台）

mkdir -p "$KBUILD_ARM"
make -C "$KSRC" O="$KBUILD_ARM" ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- virt.config
make -C "$KSRC" O="$KBUILD_ARM" ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- menuconfig
make -C "$KSRC" O="$KBUILD_ARM" ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- -j"$(nproc)" Image dtbs

内核自带 arch/arm64/configs/virt.config ，专为 QEMU virt 机器准备， 是最省事的起点。

产物 ：$KBUILD_ARM/arch/arm64/boot/Image、.../dts/.../*.dtb。

22.3.3 必开的实验配置项

# 基础
CONFIG_MODULES=y
CONFIG_MODULE_UNLOAD=y
CONFIG_DEVTMPFS=y
CONFIG_DEVTMPFS_MOUNT=y
CONFIG_TMPFS=y
CONFIG_PROC_FS=y
CONFIG_SYSFS=y
CONFIG_DEBUG_FS=y
CONFIG_CONFIGFS_FS=y

# 调试
CONFIG_DYNAMIC_DEBUG=y
CONFIG_FTRACE=y
CONFIG_KALLSYMS_ALL=y
CONFIG_DEBUG_INFO=y
CONFIG_GDB_SCRIPTS=y
CONFIG_MAGIC_SYSRQ=y

# 文件系统共享
CONFIG_9P_FS=y
CONFIG_NET_9P=y
CONFIG_NET_9P_VIRTIO=y

# 虚拟设备
CONFIG_VIRTIO_PCI=y
CONFIG_VIRTIO_BLK=y
CONFIG_VIRTIO_NET=y
CONFIG_VIRTIO_CONSOLE=y
CONFIG_VIRTIO_INPUT=y

# 总线实验
CONFIG_I2C=y
CONFIG_I2C_CHARDEV=y
CONFIG_I2C_STUB=m
CONFIG_EEPROM_AT24=m
CONFIG_REGMAP_I2C=y
CONFIG_SPI=y
CONFIG_SPI_SPIDEV=y
CONFIG_SPI_GPIO=y
CONFIG_GPIO_SIM=m
CONFIG_GPIO_VIRTUSER=m

# USB 实验
CONFIG_USB_GADGET=y
CONFIG_USB_DUMMY_HCD=y
CONFIG_USB_CONFIGFS=y
CONFIG_USB_CONFIGFS_ACM=y
CONFIG_USB_CONFIGFS_MASS_STORAGE=y
CONFIG_USB_CONFIGFS_F_FS=y
CONFIG_USB_MON=y

22.4 制作 initramfs（最简 rootfs）

initramfs 是最简单、最可靠的 QEMU rootfs：一个 cpio 归档，内核启动后解到 tmpfs。

mkdir -p "$LAB/initramfs"/{bin,sbin,etc,proc,sys,dev,tmp,lib,root}
cd "$LAB/initramfs"

# 用静态 busybox 提供所有基本命令
cp /bin/busybox bin/
for cmd in sh ls cat mount umount echo dmesg modprobe insmod rmmod \
           mkdir mknod sleep ps ifconfig ip mdev find grep head tail \
           printf dd hexdump vi; do
    ln -sf busybox "bin/$cmd"
done

cat > init <<'EOF'
#!/bin/sh
mount -t proc  none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs none /dev 2>/dev/null
mount -t tmpfs none /tmp
mount -t debugfs none /sys/kernel/debug 2>/dev/null
mount -t configfs none /sys/kernel/config 2>/dev/null
echo "=== initramfs booted: $(uname -r) ==="
exec /bin/sh
EOF
chmod +x init

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > "$LAB/initramfs.cpio.gz"

验证：

qemu-system-x86_64 -kernel "$KBUILD/arch/x86/boot/bzImage" \
  -initrd "$LAB/initramfs.cpio.gz" \
  -append "console=ttyS0 rdinit=/init" \
  -nographic -no-reboot

22.5 启动脚本（x86_64）

cat > "$LAB/run-x86.sh" <<'EOF'
#!/bin/bash
set -e
KSRC=~works/study/linux-7.2.5
KBUILD=~works/study/build/linux-7.2.5-x86_64
LAB=~works/study/qemu-lab
DISK=$LAB/disk.img

[ -f "$DISK" ] || truncate -s 256M "$DISK"

qemu-system-x86_64 \
  -m 1G -smp 2 \
  -kernel "$KBUILD/arch/x86/boot/bzImage" \
  -initrd "$LAB/initramfs.cpio.gz" \
  -append "console=ttyS0 root=/dev/ram rdinit=/init loglevel=7" \
  -drive file="$DISK",format=raw,if=virtio \
  -netdev user,id=n0 -device virtio-net-pci,netdev=n0 \
  -device qemu-xhci,id=xhci \
  -device usb-kbd,bus=xhci.0 \
  -nographic -no-reboot "$@"
EOF
chmod +x "$LAB/run-x86.sh"

常用附加参数（按需加到脚本或命令行）：

参数	用途
-s -S	开放 gdbstub 并在启动时暂停（第 21 章）
-smp 4	4 核（SMP/热插拔实验）
-device virtio-gpio-pci	虚拟 GPIO（若 QEMU 支持）
-device virtio-i2c-pci	虚拟 I²C
-device usb-storage,...	USB 存储
-virtfs local,path=$SHARE,mount_tag=host0,security_model=none	9p 共享目录
-dtb my.dtb	自定义设备树（arm64）

22.6 启动脚本（arm64 / 设备树）

cat > "$LAB/run-arm64.sh" <<'EOF'
#!/bin/bash
set -e
KSRC=~works/study/linux-7.2.5
KBUILD=~works/study/build/linux-7.2.5-arm64
LAB=~works/study/qemu-lab

qemu-system-aarch64 \
  -machine virt,dumpdtb="$LAB/virt.dtb" \
  -cpu cortex-a57 -smp 2 -m 1G \
  -kernel "$KBUILD/arch/arm64/boot/Image" \
  -initrd "$LAB/initramfs.cpio.gz" \
  -append "console=ttyAMA0 rdinit=/init loglevel=7" \
  -netdev user,id=n0 -device virtio-net-pci,netdev=n0 \
  -nographic -no-reboot "$@"
EOF
chmod +x "$LAB/run-arm64.sh"

# 反编译 QEMU 生成的设备树（第 18 章实验）
dtc -I dtb -O dts -o "$LAB/virt.dts" "$LAB/virt.dtb"

22.7 知识点 → QEMU 手段总表

章	知识点	QEMU 手段	关键命令/文件
1	Hello World 模块	任意 guest	insmod hello.ko、dmesg
1	LED 驱动	gpio-sim / gpio-leds	/sys/class/leds/
2	硬件基础	QEMU 参数	-m、-smp、info mtree
3	内核编译	O= 构建	make -C $KSRC O=$KBUILD
4	内核模块	外部模块	make -f $KDIR/Makefile M=$PWD
5	设备文件/udev	devtmpfs	/dev/、mdev
6	字符设备	任意 guest	cdev、/dev/globalmem
7	并发控制	-smp 4	mutex/spinlock
8	阻塞/非阻塞 IO	任意 guest	poll/epoll
9	异步通知/AIO	任意 guest	SIGIO、io_uring
10	中断与时钟	QEMU 定时器	/proc/interrupts
11	内存与 IO	ioremap、DMA	/proc/iomem
12	驱动架构	platform/simple-bus	/sys/bus/platform/
13	块设备	virtio-blk	-drive if=virtio
14	网络设备	virtio-net	ip link、ping
15	I²C	i2c-stub 、virtio-i2c	i2cdetect、/dev/i2c-0
16	USB	qemu-xhci + dummy_hcd	lsusb、configfs
17	SPI	spi-gpio+gpio-sim	/dev/spidev0.0
18	设备树	-machine virt,dumpdtb=	/proc/device-tree/
19	电源管理	QEMU cpufreq/cpuidle	/sys/.../cpufreq/
20	芯片级移植	QEMU virt	clk_summary、gpioinfo
21	调试	-s -S + gdbstub	hbreak、lx-dmesg

22.8 完整实验：从零到 I²C 读写

# ==== 宿主机 ====
export KSRC=~works/study/linux-7.2.5
export KBUILD=~works/study/build/linux-7.2.5-x86_64
export LAB=~works/study/qemu-lab

# 1. 编译内核（见 22.3.1）
# 2. 制作 initramfs（见 22.4）
# 3. 启动（见 22.5）
"$LAB/run-x86.sh"

# ==== guest 内 ====
modprobe i2c-stub chip_addr=0x50
modprobe i2c-dev
i2cdetect -l
i2cdetect -y 0
i2cset -y 0 0x50 0x00 0x11
i2cget -y 0 0x50 0x00
dmesg | tail

22.9 故障排查

症状	原因	解决
无任何输出	控制台名错	x86 用 ttyS0，arm64 用 ttyAMA0
VFS: Unable to mount root	无 rootfs	加 -initrd 和 rdinit=/init
Kernel panic - not syncing: No init found	init 路径错	检查 rdinit= 与 initramfs 里的 init
模块 insmod 报 Invalid module format	内核与模块版本/配置不一致	用同一 KBUILD 编译模块
modprobe 找不到模块	无 /lib/modules	用 insmod 绝对路径，或建 /lib/modules/$(uname -r)/
i2cdetect 报无设备	i2c-stub 未加载/总线号错	lsmod、i2cdetect -l
gpio-sim 无芯片	configfs 未挂/未 live	mount -t configfs，echo 1 > live
GDB 断点无效	KASLR	加 nokaslr，用 hbreak
GDB 符号不对	用了错误的 vmlinux	必须用同一 KBUILD 的 vmlinux
dummy_hcd 无 /sys/class/udc	配置未开	CONFIG_USB_DUMMY_HCD=y
QEMU 无 virtio-i2c	QEMU 版本旧	降级到 i2c-stub 方案
编译缺 pahole	BTF 需要	apt install pahole
bison/flex 缺失	配置解析需要	apt install bison flex
磁盘空间不足	构建产物大	只保留一套配置，或 make clean

调试启动问题的三板斧：

1. 加 earlycon（第 20.5 节）看最早输出。
2. 加 loglevel=7 ignore_loglevel 看全部日志。
3. 用 -s -S + GDB 单步（第 21.9 节）。

22.10 本章实验清单

实验	目的	关键观察
编译 x86_64 内核	掌握构建	bzImage/vmlinux
编译 arm64 内核	掌握交叉编译	Image/dtb
制作 initramfs	掌握 rootfs	guest 进入 shell
启动脚本	掌握 QEMU 参数	uname -r 正确
9p 共享目录	掌握文件交换	/mnt/host 可见
I²C 全流程	综合实验	i2cget 读到数据
gpio-sim	综合实验	gpioinfo 有芯片
dummy_hcd	综合实验	/sys/class/udc/
GDB 调试内核	综合实验	断点命中

22.11 总结

1. QEMU 可以替代开发板完成本书全部知识点，只有极少数真机细节例外。
2. 统一用 O= 外部构建，保持源码树干净，并可同时保留多套配置。
3. initramfs 是最简可靠的 rootfs：一个 cpio 归档 + 静态 busybox。
4. x86_64 用 x86_64_defconfig + kvm_guest.config；arm64 用 virt.config。
5. i2c-stub 、gpio-sim 、spi-gpio 、dummy_hcd 是四条"凭空造硬件"的关键路径。
6. -s -S + gdbstub 让内核调试达到源码级单步的水平。
7. 排错三板斧：earlycon、loglevel=7、GDB 单步。
8. 本章的启动脚本和配置片段可直接复制使用，是所有后续实验的基础设施。