1.前言嵌入式開發(fā)的過程中，很多時間都是要和硬件設備打交道，通過程序控制硬件的具體行為，這些往往是單片機延續(xù)下來的開發(fā)模式，在目前復雜的嵌入式系統(tǒng)中，很多都需要借助設計模式來進行開發(fā)，比如文件系統(tǒng)，網絡，圖形，算法等等，這些如果能夠利用軟件模擬器進行開發(fā)，可以大大的減少上板調試的時間。減少硬件連接的煩惱，在家也能隨時分析軟件代碼。

在實際項目的開發(fā)過程中，qemu也非常的有用，例如當進行網絡編程時，往往都會直接使用socket編程，其上層接口符合POSIX接口，這樣上層應用的開發(fā)和底層驅動便可以很簡單的分離出來，將工作細節(jié)進行合理的劃分。而當進行嵌入式GUI編程設計時，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編程語言，或者深入理解一些處理器的架構方面的知識，通過裸機編程，直接到qemu上運行也能夠非常方便的進行探究工作。

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編程

qemu的是指令翻譯進行的，所以可以根據實際的需求進行相應的裸機開發(fā)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進行支持，用RUST語言在arm上的編程，即使手上沒有很好的硬件的條件，也能夠去學習RUST語言在嵌入式編程上的使用。

針對arm的編程，qemu也可以模擬出許多的架構出來，通過對這些架構的學習和掌握，可以加快對架構編程的理解。

。/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

然而嵌入式開發(fā)往往會和硬件打交道，qemu也提供了不同類別的硬件，比如flash，網卡，sd卡，中斷，串口等等，這些對于學習不同的體系架構，也有著非常關鍵的作用。

比如學習cortex-m3或者aarch64編程，采用qemu，運行自己寫的裸機代碼，能夠非常方便的進行各種實驗。

在進行rtos的開發(fā)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(fā)和驗證工作。在rtos中，比較關鍵的是上下文的切換，通過對寄存器信息的保存和恢復，另外就是中斷的處理，能夠很好的理解架構的底層編程方式。

以前的時候，也做過aarch64上的qemu編程，也是最開始基于qemu，然后慢慢的移植到樹莓派上面，因為外設一致，代碼層面不用改變，直接可以將qemu運行通過的固件放到樹莓派的sd卡中也一樣能夠正常的運行。

上圖是在qemu的rt-thread/bsp/raspberry-pi/raspi3-64中編譯的固件在qemu上的運行效果，基本上完成對aarch64體系架構中的棧幀、中斷、mmu的支持，以及外設部分SD卡、圖形、串口、mbox的支持。該固件也可以直接放到樹莓派硬件的sd卡中運行，其效果和在qemu效果一樣。

除此之外，我也在qemu的支持上做了一些擴展開發(fā)，比如在riscv的生態(tài)支持上對gd32的rv-star在中科院軟件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適配。這樣對于軟件層面的驗證更加有用，比如去運行一下nuclei-sdk，或者對于RISCV的V擴展的支持的nmsis的支持。

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

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，其中實現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中計算出正確的結果。

由于對riscv的p擴展和v擴展的支持，使得其行為和實際硬件板子無差異。在qemu做算法優(yōu)化和研究也是非常值得去嘗試的。雖然qemu是用軟件去模擬真實計算結果，但是從指令集的優(yōu)化層面上來說，當功能邏輯實現正確后再移植到板子上做性能測試，這才是高效的處理方法。

在支持baremetal編程和rtos編程方面，nuclei-sdk也做了一些工作，可以更加好的觀察分析軟件的具體行為。

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， 1118

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 》

也可以支持其他的rtos，例如下面的ucosii和freertos等等。

ucosii的運行效果如下：

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， 1145

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

freertos的運行效果如下：

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， 1145

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.。。。。

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

3.利用qemu網絡編程

研究由于qemu的網絡可以直接連接主機的網絡，對這方面的研究可以從網絡協議棧，網絡的上層應用編程等等進行研究。例如去研究lwip協議棧的實現等等。

我寫過一個qemu上的e1000網卡設備的驅動，針對于qemu riscv64的virt版本。

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

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

其中其底層的驅動為e1000，為qemu提供了網絡數據的收發(fā)、以及網絡數據包的接收中斷服務。

借助rt-thread上適配的lwip驅動程序，可以非常容易的實現上層網絡編程應用。

比如借助rt-thread的IOT軟件包

使能一些例子

最后可以測試一下web的通信情況。

當然，上述這個例子只是一個非常簡單網絡編程的演示，其中socket的編程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臺，進行協議?；蛘呱蠈娱_發(fā)后，可以無縫的移植到自己的真實的板子上，非常方便進行整體業(yè)務的聯調。

對于qemu riscv64 virt平臺，整個系統(tǒng)從底層的virtio或者e1000的網卡設備提供數據的收發(fā)、中斷消息機制之外，rt-thread也通過提供lwip協議棧的支持，這樣整個網絡鏈路才是比較合理的。開發(fā)起來也比較的方便。

在物聯網模塊的開發(fā)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，然后借助對寄存器的讀寫操作，移植其他的網絡協議棧，從而實現網絡數據的收發(fā)工作，網絡編程的上層對接阿里云、騰訊云等云服務器，非常容易的實現業(yè)務的編程，同時調試方面，qemu的gdb調試功能也是非常的強大，也可以dump出內存進行ram parse分析。

4.嵌入式圖形開發(fā)

因為嵌入式編程的實現，也會多少涉及到圖形編程，當接上LCD屏后，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l(wèi)cd的圖像更新。

在圖像編程方面，qemu也提供了顯示窗口。這種顯示窗口可以為gui相關的開發(fā)工作帶來很多便捷。

關于嵌入式圖像編程，可以參考

rt-threadsp

aspberry-pi

aspi3-64

相關的bsp，只需要完善顯示程序即可。

可以尋找一張bmp的圖片，圖片大小為800x480的圖片。

利用Image2Lcd的工具進行圖像轉換成數組。

最后將數組程序編譯到程序代碼中，將該數組放到顯存中即可。

一切準備就緒后，就能夠進行顯示器的開發(fā)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（“l(fā)cd”）;

rt_kprintf（“l(fā)cd get info：

”）;

rt_device_control（lcd， RTGRAPHIC_CTRL_GET_INFO， test_lcd_info）;

rt_kprintf（“l(fā)cd width is %d

”， test_lcd_info-》width）;

rt_kprintf（“l(fā)cd height is %d

”， test_lcd_info-》height）;

rt_kprintf（“l(fā)cd bpp is %d

”， test_lcd_info-》bits_per_pixel）;

rt_memcpy（test_lcd_info-》framebuffer， &gImage_1［0］， LCD_BUF_SIZE*4）;

//刷新圖片

rt_device_control（lcd， RTGRAPHIC_CTRL_RECT_UPDATE， NULL）;

rt_thread_delay（20）;

}

如果要進行觸摸操作，qemu也進行了基本的支持，只需移植相關的底層驅動即可進行開發(fā)工作，非常的高效和方便。

5.進行嵌入式Linux的開發(fā)

進行Linux開發(fā)工作，如果深入去學習某一個設備的開發(fā)，當然少不了不斷的對Linux的內核部分進行編譯和下載，這是一個十分耗時的工作，如果只是進行應用程序的開發(fā)，可能感覺不到許多的差別，但是一旦涉及到Linux內核的分析，頻繁的下載也會浪費大量的時間。

當使用qemu后，這種問題將會得到很好的解決，采用qemu進行內核層面的裁剪，進行內核層面模塊化的驗證工作后，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。

從分析linux的loader，分析Linux的驅動框架，內存管理，多核管理等等，都能夠非常方便進行調試工作。

在實際硬件設備沒有穩(wěn)定之前，對軟件項目進行評估，qemu是非常好用的工具。

6.小結

接觸很多軟件開發(fā)工作中，使用qemu確實能夠在一定程度上節(jié)省時間，提高軟件調試與分析的效率。

用軟件模擬硬件的操作行為，本質上來說和實際的硬件操作區(qū)別不大，因為在嵌入式編程中，最底層的指令集的行為已經在qemu中實現的很好了，硬件模擬方面，qemu也大致能夠模擬操作寄存器后，處理器的行為，這些在對qemu的底層支持和學習的過程中已經進行了大量的實驗和研究。

理解qemu的使用，會對嵌入式軟件原理有著更加深刻的理解，從更大的層面上來說，虛擬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件方案，去演示一個底層軟件，或者節(jié)約下載調試時間，開發(fā)嵌入式上層業(yè)務系統(tǒng)軟件的功能層面來說，qemu都是值得去研究和使用的工具。

編輯：jq