Sbc qemu emulation

Introduction

Lorsque l'on n'a pas de SBC physique, on peut se tourner vers l'émulation pour faire des tests ! Attention cependant, les performances seront médiocres comme souvent avec l'émulation.

Nous allons utiliser l'émulateur Qemu pour émuler une architecture ARM et pouvoir exécuter une image de PI.

SBC et SoC

Les composants qui forment chacun des SBC va influer sur les performances, capacité, etc... et sont généralement rassemblés sous le nom de SoC. Le Raspberry PI utilise un SoC Broadcom BCM28XX alors que les autres SBC utilise un SoC AllWinner (H2, H3, A10, A20, etc...).

Le SoC peut être vu comme la compression de la carte mère, du CPU, de la RAM et du GPU. Le SBC et l'ajout, autour du SoC, des ports d'extension (USB, Ethernet, SD, etc...)

N'hésitez pas à lire le cours sur le matériel pour des explications plus poussées !

Le Raspberry... et les autres

Le Raspberry PI (et donc le SoC Broadcom BCM28XX) possède en plus du CPU ARM un GPU VideoCore alors que les SoC AllWinner possède un GPU Mali400 et jusque là pas de grosses différences sauf dans la phase de démarrage...

Le Raspberry PI, à l'inverse des autres SBC, n'amorce pas sa phase de démarre pas le biais de son CPU mais de son GPU !

Ci-dessous sont détaillés les phases de démarrage des différents SBC

Raspberry

Les autres

exécution du premier chargeur d'amorçage situé dans une ROM programmée en usine ce code s'exécute sur un petit processeur RISC du GPU ce code monte une partition FAT32 située sur la carte SD ce code n'initialise PAS le CPU ARM qui reste dans l'état RESET exécution du second chargeur d'amorçage situé sur la carte SD: bootcode.bin ce code s'exécute sur un petit processeur RISC du GPU il est chargé dans les 128Ko de cache L2 du GPU il initialise la RAM exécution du troisième chargeur d'amorçage situé sur la carte SD: start.elf ce code est le firmware du GPU il prend ses paramètres dans le fichier config.txt (arm_freq, gpu_freq, etc...) il sépare la RAM en deux parties distinctes (GPU et CPU) exécution du quatrième chargeur d'amorçage kernel.img le kernel démarre avec les paramètres du fichier cmdline.txt il relâche le RESET du CPU ce qui a pour effet de démarrer le système d'exploitation Après le démarrage du système d'exploitation, le code du GPU n'est pas déchargé de la RAM. En effet, start.elf n'est pas juste un firmware pour le GPU mais un système d'exploitation propriétaire appelé VideoCore OS (VCOS). Lorsque Linux nécessite un élément du GPU (caméra, 3D, etc...) il communique avec VCOS au travers du système de mail.

exécution du premier chargeur d'amorçage situé sur une ROM programmée en usine de 32 KiB appelée BROM (Boot ROM) la première partie de la BROM (0xffff0000) est le FEL (pour la programmation de la flash) la seconde partie de la BROM (0xffff4000) est le eGON.BRM (pour le boot de l'OS) eGON.BRM cherchera le noyau Linux (vmlinuz et initrd) sur les périphérique dans cet ordre: SD1 NAND (mémoire eMMC) SD2 SPI USB On peut observer le répertoire boot à partir d'une image et pour cela il faut: déterminer le début de la partition grâce à la commande fdisk monter la partition grâce à mount, l'offset est égale au nombre de secteur multiplié par la taille d'un secteur (ici 8192*512) lister les fichier grâce à ll

Pour émuler un Raspberry PI l'émulateur va devoir jouer le rôle du CPU ARM et du GPU alors que dans les autres cas, seulement le CPU sera nécessaire !

Utilisation de Qemu

Tout d'abord assurez-vous d'avoir téléchargé l'émulateur pour votre OS et modifié votre variable PATH pour y ajouter le répertoire d'installation de Qemu. Une fois installé, on peut mesurer le nombre d'architecture supportée par Qemu !

Ceux qui vont nous intéresser sont :

• qemu-system-arm pour les processeur ARM jusqu'à la V7 (32bits)
• qemu-system-aarch64 pour les processeur ARM V8+ (64bits)

Qemu s'utilise en ligne de commande avec certains paramètres dont voici les principaux:

• -M: pour spécifier le type de machine émulée;
• -m : pour spécifier la quantité de RAM
• -cpu : pour spécifier le type de CPU
• -nic : pour paramétrer la carte réseau
• -drive : pour spécifier un disque système
• -dtb : pour préciser l'arbre matériel (DeviceTree Binary)
• -kernel : pour préciser le noyau utilisé
• -initrd : pour spécifier le schéma de la RAM (initram FS)

Démarche pour émuler

Les SoC AllWinner

Imaginons que nous voulions émuler un SoC AllWinner H2+.
Cette carte utilise un SoC AllWinner H2+ et d'après la documentation de AllWinner le CPU est un ARM Cortex-A7 (32 bits):
Il ne nous reste plus qu'a trouver un SBC avec le même jeu d'instruction (ARMv7) équivalent dans Qemu:	# qemu-system-arm -M help Supported machines are: akita Sharp SL-C1000 (Akita) PDA (PXA270) ast2500-evb Aspeed AST2500 EVB (ARM1176) ast2600-evb Aspeed AST2600 EVB (Cortex A7) bast Simtec Electronics BAST (S3C2410A, ARM920T) borzoi Sharp SL-C3100 (Borzoi) PDA (PXA270) canon-a1100 Canon PowerShot A1100 IS cheetah Palm Tungsten|E aka. Cheetah PDA (OMAP310) collie Sharp SL-5500 (Collie) PDA (SA-1110) connex Gumstix Connex (PXA255) cubieboard cubietech cubieboard (Cortex-A9) emcraft-sf2 SmartFusion2 SOM kit from Emcraft (M2S010) highbank Calxeda Highbank (ECX-1000) imx25-pdk ARM i.MX25 PDK board (ARM926) integratorcp ARM Integrator/CP (ARM926EJ-S) kzm ARM KZM Emulation Baseboard (ARM1136) lm3s6965evb Stellaris LM3S6965EVB ...
On remarque que que des SBCs utilisent un CPU Cortex-A (cubieboard, ast2600-evb, ...) de la même famille que le Cortex-A7 et son donc 100% compatible (The ARM Cortex-A7 MPCore processor is fully compatible with other Cortex-A family of processors). Il ne reste plus qu'a télécharger l'image d'Armbian sur le site d'OrangePi et de la décompresser pour regarder le répertoire boot et notamment la partie dtd:
On remarque qu'une dtd existe pour le SBC cubieboard, c'est donc celui-ci que nous allons utiliser avec les fichiers vmlinuz et initrd qui vont avec ! Dans un répertoire décompressez les fichiers initrd, vmlinuz et dtd correspondant (grâce à 7zip si vous êtes sous Windows)
Vous pouvez créez un script bat avec le contenu suivant:	qemu-system-arm.exe ^ -M cubieboard -m 512 -cpu cortex-a7 ^ -dtb .\sun4i-a10-cubieboard.dtb ^ -kernel .\vmlinuz-5.4.20-sunxi ^ -initrd .\initrd.img-5.4.20-sunxi ^ -drive file=.\Armbian_20.02.1_Orangepizero_buster_current_5.4.20.img,format=raw,if=none,id=d1 ^ -device ide-hd,drive=d1 ^ -append "nosmp earlyprintk loglevel=8 earlycon=uart8250,mmio32,0x1c28000,115200n8 console=ttyS0 root=/dev/sda1" ^ -nographic -serial stdio -monitor none ^ -nic user,model=allwinner-emac,hostfwd=tcp::2222-:22
Reprenons dans l'ordre:	Option Signification -M cubieboard AllWinner H2+ / H3 -cpu cortex-a7 Cortex-a7 -m 512 512MB de RAM -dtb indique le fichier datatree -kernel indique le noyau Linux -initrd indique le fichier initram fs -drive indique le fichier image -append indique les paramètres du noyau -nographic -serial stdio -monitor none pas de sortie graphique mais plutôt série sur la sortie standard -nic user,model=allwinner-emac,hostfwd=tcp::5022-:22 carte réseau allwinner-emac avec redirection du port tcp 2222 local sur le port 22 de la machine émulée
Cela permet, après le temps à l'émulateur de démarrer le système, de pouvoir se logger.

Le Raspberry Pi

Pour le Raspberry Pi les choses ne sont pas aussi simple, comme le code du SoC Broadcom BCM28XX est propriétaire il faut donc trouver un équivalent libre qui va émuler le même comportement que le VideoCore OS. Heureusement que le modèle raspi3 sur Qemu fait cela ! Il ne reste plus qu'à récupérer le fichier kernel et DTD présent sur la première partition fat du fichier img
Une fois l'image du système d'exploitation téléchargée (ici Debian Buster) on peut créer un répertoire avec les fichiers suivants : le fichier du noyau qui vient du projet qemu-rpi-kernel (kernel8.img') le fichier DTD qui vient du projet qemu-rpi-kernel (bcm2710-rpi-3-b.dtb) le fichier img (2020-02-13-raspbian-buster-lite.img)
Enfin, on peut créer le fichier bat suivant: qemu-system-aarch64 ^ -M raspi3 ^ -m 1024 ^ -dtb .\bcm2710-rpi-3-b.dtb ^ -kernel .\kernel8.img ^ -drive file=.\2020-02-13-raspbian-buster-lite.img,format=raw,if=sd ^ -append "rw console=ttyAMA0 loglevel=8 root=/dev/mmcblk0p2 rootwait" ^ -serial stdio ^ -net user,hostfwd=tcp::2222-:22 pause	Reprenons dans l'ordre: Option Signification -M raspi3 SoC BCM28XX -m 1024 1024MB de RAM -dtb indique le fichier datatree -kernel indique le noyau Linux -drive indique le fichier image -append indique les paramètres du noyau -nographic -serial stdio -monitor none pas de sortie graphique mais plutôt série sur la sortie standard -net user,hostfwd=tcp::2222-:22 carte réseau avec redirection du port tcp 2222 local sur le port 22 de la machine émulée
Une fois l'émulateur démarré (avec quelques erreurs...) et que l'on s'est connecté (pi/raspberry) on découvre que l'on a pas de carte réseau ! Le modèle de SBC raspi3 de Qemu n'intègre pas la partie réseau (chip LAN9514) mais il est toutefois possible de récupérer la partie réseau en utilisant le SBC générique de Qemu (virt). Vous devrez cependant recompiler le noyau et régénérer le DTD pour les adapter au virt comme montré ici.	Raspbian GNU/Linux 10 raspberrypi ttyAMA0 raspberrypi login: pi Password: Last login: Wed May 13 08:18:53 BST 2020 on ttyAMA0 Linux raspberrypi 4.19.97-v8+ #1294 SMP PREEMPT Thu Jan 30 13:27:08 GMT 2020 aarch64 The programs included with the Debian GNU/Linux system are free software; the exact distribution terms for each program are described in the individual files in /usr/share/doc/*/copyright. Debian GNU/Linux comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent permitted by applicable law. pi@raspberrypi:~$ ip a 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000 link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00 inet 127.0.0.1/8 scope host lo valid_lft forever preferred_lft forever inet6 ::1/128 scope host valid_lft forever preferred_lft forever pi@raspberrypi:~$