嵌入式编程中为什么使用qemu？qemu的实际应用

单片机

1.前言

嵌入式开发的过程中，很多时间都是要和硬件设备打交道，通过程序控制硬件的具体行为，这些往往是单片机延续下来的开发模式，在目前复杂的嵌入式系统中，很多都需要借助设计模式来进行开发，比如文件系统，网络，图形，算法等等，这些如果能够利用软件模拟器进行开发，可以大大的减少上板调试的时间。减少硬件连接的烦恼，在家也能随时分析软件代码。
在实际项目的开发过程中，qemu也非常的有用，例如当进行网络编程时，往往都会直接使用socket编程，其上层接口符合POSIX接口，这样上层应用的开发和底层驱动便可以很简单的分离出来，将工作细节进行合理的划分。而当进行嵌入式GUI编程设计时，也可以通过framebuffer，来进行各种界面的设计。同时，如果想新学习一款嵌入式编程语言，或者深入理解一些处理器的架构方面的知识，通过裸机编程，直接到qemu上运行也能够非常方便的进行探究工作。
下面举出一些qemu实际好用的应用来进行详细的描述。
2.嵌入式的裸机或RTOS编程

qemu的是指令翻译进行的，所以可以根据实际的需求进行相应的裸机开发和学习，比如语言学习，嵌入式C语言，嵌入式RUST语言，等等项目。一些github上的好用学习型的项目也会对qemu进行支持，用RUST语言在arm上的编程，即使手上没有很好的硬件的条件，也能够去学习RUST语言在嵌入式编程上的使用。
针对arm的编程，qemu也可以模拟出许多的架构出来，通过对这些架构的学习和掌握，可以加快对架构编程的理解。
./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
然而嵌入式开发往往会和硬件打交道，qemu也提供了不同类别的硬件，比如flash，网卡，sd卡，中断，串口等等，这些对于学习不同的体系架构，也有着非常关键的作用。
比如学习cortex-m3或者aarch64编程，采用qemu，运行自己写的裸机代码，能够非常方便的进行各种实验。
在进行rtos的开发过程中，经常会采用qemu作为调试工具，进行龙芯、树莓派、riscv相关的开发和验证工作。在rtos中，比较关键的是上下文的切换，通过对寄存器信息的保存和恢复，另外就是中断的处理，能够很好的理解架构的底层编程方式。
以前的时候，也做过aarch64上的qemu编程，也是最开始基于qemu，然后慢慢的移植到树莓派上面，因为外设一致，代码层面不用改变，直接可以将qemu运行通过的固件放到树莓派的sd卡中也一样能够正常的运行。

上图是在qemu的rt-thread/bsp/raspberry-pi/raspi3-64中编译的固件在qemu上的运行效果，基本上完成对aarch64体系架构中的栈帧、中断、mmu的支持，以及外设部分SD卡、图形、串口、mbox的支持。该固件也可以直接放到树莓派硬件的sd卡中运行，其效果和在qemu效果一样。
除此之外，我也在qemu的支持上做了一些扩展开发，比如在riscv的生态支持上对gd32的rv-star在中科院软件研究所的基础上做了一些研究，同时对nuclei的各种处理器系列做了适配。这样对于软件层面的验证更加有用，比如去运行一下nuclei-sdk，或者对于RISCV的V扩展的支持的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
这样可以进行相关的dsp的验证工作。因为nmsis是基于arm的cmsis在riscv上的一份移植，其中实现了许多的加速运算的demo，比如矩阵运算，卷积，图像处理等等，这些指令同样也可以在nuclei qemu中计算出正确的结果。

由于对riscv的p扩展和v扩展的支持，使得其行为和实际硬件板子无差异。在qemu做算法优化和研究也是非常值得去尝试的。虽然qemu是用软件去模拟真实计算结果，但是从指令集的优化层面上来说，当功能逻辑实现正确后再移植到板子上做性能测试，这才是高效的处理方法。
在支持baremetal编程和rtos编程方面，nuclei-sdk也做了一些工作，可以更加好的观察分析软件的具体行为。
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 >
也可以支持其他的rtos，例如下面的ucosii和freertos等等。
ucosii的运行效果如下：
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, 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
freertos的运行效果如下：
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, 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.....
利用qemu作为底层研究将会非常的高效。同时，善于借助gdb等调试工具，将能够非常容易的找到问题出现的点。
3.利用qemu网络编程研究

由于qemu的网络可以直接连接主机的网络，对这方面的研究可以从网络协议栈，网络的上层应用编程等等进行研究。例如去研究lwip协议栈的实现等等。
我写过一个qemu上的e1000网卡设备的驱动，针对于qemu riscv64的virt版本。
https://github.com/bigmagic123/rt-thread/tree/riscv_virt_network
针对rt-thread的qemu riscv的virt64版本，可以进行如下的设置。

其中其底层的驱动为e1000，为qemu提供了网络数据的收发、以及网络数据包的接收中断服务。
借助rt-thread上适配的lwip驱动程序，可以非常容易的实现上层网络编程应用。
比如借助rt-thread的IOT软件包

使能一些例子

最后可以测试一下web的通信情况。

当然，上述这个例子只是一个非常简单网络编程的演示，其中socket的编程部分实际上是通用的，无论是arm架构、mips架构或者riscv架构，借助qemu的好处在于可以采用一个架构平台，进行协议栈或者上层开发后，可以无缝的移植到自己的真实的板子上，非常方便进行整体业务的联调。
对于qemu riscv64 virt平台，整个系统从底层的virtio或者e1000的网卡设备提供数据的收发、中断消息机制之外，rt-thread也通过提供lwip协议栈的支持，这样整个网络链路才是比较合理的。开发起来也比较的方便。
在物联网模块的开发方面，采用qemu，也可以不用rt-thread，直接裸机驱动virt上的e1000网卡驱动，然后借助对寄存器的读写操作，移植其他的网络协议栈，从而实现网络数据的收发工作，网络编程的上层对接阿里云、腾讯云等云服务器，非常容易的实现业务的编程，同时调试方面，qemu的gdb调试功能也是非常的强大，也可以dump出内存进行ram parse分析。
4.嵌入式图形开发

因为嵌入式编程的实现，也会多少涉及到图形编程，当接上LCD屏后，其中的显示驱动对上层应用暴露出来的实际上是一块显存，通过对显存的读写，flush进行lcd的图像更新。
在图像编程方面，qemu也提供了显示窗口。这种显示窗口可以为gui相关的开发工作带来很多便捷。
关于嵌入式图像编程，可以参考
rt-threadbspraspberry-piraspi3-64
相关的bsp，只需要完善显示程序即可。
可以寻找一张bmp的图片，图片大小为800x480的图片。

利用Image2Lcd的工具进行图像转换成数组。

最后将数组程序编译到程序代码中，将该数组放到显存中即可。

一切准备就绪后，就能够进行显示器的开发了。
#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 %dn", test_lcd_info->width);
rt_kprintf("lcd height is %dn", test_lcd_info->height);
rt_kprintf("lcd bpp is %dn", test_lcd_info->bits_per_pixel);

rt_memcpy(test_lcd_info->framebuffer, &gImage_1[0], LCD_BUF_SIZE*4);
//刷新图片
rt_device_control(lcd, RTGRAPHIC_CTRL_RECT_UPDATE, NULL);
rt_thread_delay(20);
}
如果要进行触摸操作，qemu也进行了基本的支持，只需移植相关的底层驱动即可进行开发工作，非常的高效和方便。
5.进行嵌入式Linux的开发

进行Linux开发工作，如果深入去学习某一个设备的开发，当然少不了不断的对Linux的内核部分进行编译和下载，这是一个十分耗时的工作，如果只是进行应用程序的开发，可能感觉不到许多的差别，但是一旦涉及到Linux内核的分析，频繁的下载也会浪费大量的时间。
当使用qemu后，这种问题将会得到很好的解决，采用qemu进行内核层面的裁剪，进行内核层面模块化的验证工作后，再进行移植，让其变得更加通用，不仅仅针对这个项目有效，而且也为自己积累了很多经验。

从分析linux的loader，分析Linux的驱动框架，内存管理，多核管理等等，都能够非常方便进行调试工作。
在实际硬件设备没有稳定之前，对软件项目进行评估，qemu是非常好用的工具。
6.小结

接触很多软件开发工作中，使用qemu确实能够在一定程度上节省时间，提高软件调试与分析的效率。
用软件模拟硬件的操作行为，本质上来说和实际的硬件操作区别不大，因为在嵌入式编程中，最底层的指令集的行为已经在qemu中实现的很好了，硬件模拟方面，qemu也大致能够模拟操作寄存器后，处理器的行为，这些在对qemu的底层支持和学习的过程中已经进行了大量的实验和研究。

理解qemu的使用，会对嵌入式软件原理有着更加深刻的理解，从更大的层面上来说，虚拟化的行为本来就是一种很好的解决方案，去设计一个嵌入式软件方案，去演示一个底层软件，或者节约下载调试时间，开发嵌入式上层业务系统软件的功能层面来说，qemu都是值得去研究和使用的工具。

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