我们常用的是使用buildroot、busybox、yocto进行构建arm嵌入式根文件系统，这种方式大家接触得应该都比较多了，构建也是比较简单，唯一得缺点是源得速度太慢了，有时候需要一天才能编译出来一个文件系统。

1. 下载ubuntu base包

我今天讲得是一个更简单得方法，从ubuntu-base进行构建，以ubuntu20.04为例，下载arm架构的ubuntu-base压缩包https://cdimage.ubuntu.com/ubuntu-base/releases/，可以看到有几类以后缀-armXX.tar.gz结尾的，它们的含义如下：

ubuntu-base-20.04.3-base–arm64.tar.gz 适用于64位arm架构，几乎所有ARMv8-A都是64位处理器，例如ARM Cortex-A53、 ARM Cortex-A57、ARM Cortex-A72、ARM Cortex-A73、RM_Cortex-A76等。
ubuntu-base-20.04.3-base-armhf.tar.gz 适用于32位带硬浮点arm处理器，hf(hard float)，即带有浮点单元 (FPU)，主要用于ARMv7-A，例如[ARM Cortex-A5、ARM Cortex-A7、ARM Cortex-A8、ARM Cortex-A9、ARM Cortex-A12、ARM Cortex-A15、ARM Cortex-A17。

压缩包25M左右，解压出来大概50多M，还是比较精简的，如果这个大小不能接受，就只能自己使用buildroot构建，经常用它来构建一个ramdisk. QSPIFlash就完全可以装下一个文件系统。

使用ubuntu-base的好处是，可以直接使用apt来安装你所需要的软件包，不需要一个一个的编译各种依赖环境。我们下载后解压可以看到，很多命令是没有的，基本的ifconfig，vim,file等命令都没有，当然实际运行环境是不需要这些软件包的。

如果你的嵌入式环境中没有网络，则我们可以直接在PC的Ubuntu中将需要的包通过apt安装好，再打包烧写到arm中。

下面讲一下具体方法：

2. 将ubuntu-base解压

将ubuntu-base包解压到准备的rootfs文件夹,这里为/mnt/ubuntu,下面命令根据实际情况更换

$sudo tar -xpvf ubuntu-base-20.04.3-base-armhf.tar.gz -C /mnt/ubuntu

3. 安装qemu arm模拟器环境，可以直接在x86_64中运行和调试应用

通过apt安装qemu

sudo apt-get install multistrap qemu qemu-user-static binfmt-support dpkg-cross

查看qemu版本

qemu-arm-static --version
qemu-arm version 2.11.1(Debian 1:2.11+dfsg-1ubuntu7.37)

Ubuntu自带的 QEMU 版本有点老（我的18.04 LTS 附带的 QEMU 2.11），如果需要新版本则需要自己编译安装，当前最新版本是QEMU 6.1.0；

wget https://download.qemu.org/qemu-6.1.0.tar.xz
tar xvJf qemu-6.1.0.tar.xz
mkdir build
cd build
../qemu-6.1.0/configure --static --prefix="$PWD/user_static" --target-list=arm-softmmu --disable-system

--disable-system不编译qemu-system-xx相关的程序，这里暂时不需要.

其中--target-list后面可以接不同的架构的qemu，比如arm-softmmu是针对arm平台的。aarch64-softmmu是针对arm64平台，也就是aarch64.

4. 安装binfmt

binfmt（Binary Format）是一个内核模块，它的用处如它的名字，通过二进制文件头来识别它的格式，从而指定用哪个解释器去启动——可以理解为二进制文件的hashbang（用处类似于在Python文件的第一行写上“#!/usr/bin/env python”）。有了它我们就可以像启动原生ELF一样启动一个ARM或其他任何QEMU支持的程序了。

sudo apt install qemu-user-binfmt
update-binfmts --display

安装这个包会依赖安装系统软件源中的qemu-user。我们用不到它，但装这个包的意义在于它包含了几个自动向内核注册QEMU binfmt的脚本，这样我们就不需要再手动指定我们的ARM可执行文件需要哪个路径下的QEMU来执行，非常方便。安装成功后在命令行中执行“update-binfmts –display”。

我们此时可以测试一下，临时将环境变量QEMU_LD_PREFIX设置为我们要chroot进去的根目录，然后运行ARM设备中提取出的ELF可执行文件，如果不报错就可以了。如下a.out是我编译的arm的hello world，这个程序可在我的测试设备上正常运行。

5. 如何在x86_64中调试arm程序?不用在开发板中调试

编辑hello.c测试程序

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("hello world!\r\n");
    return 0;
}

交叉编译arm程序

$ arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o a.out
$ file a.out             
a.out: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-armhf.so.3, for GNU/Linux 3.2.0, BuildID[sha1]=222b024ba166e297b1ceb1dc97a906259712bb60, with debug_info, not stripped

使用qemu在x86下运行arm程序

$ export QEMU_LD_PREFIX=/mnt/ubuntu
$ ./a.out

hello world!

不加QEMU_LD_PREFIX环境变量,则会出现找不到库的错误提示/lib/ld-linux-armhf.so.3: No such file or directory.

/mnt/ubuntu是ubuntu base包的解压路径,也就是arm rootfs的根目录.

在这里每次都需要设置QEMU_LD_PREFIX环境变量.我们是否可以模拟arm的文件系统环境?直接运行程序呢? 答案是肯定的.这也是我们在x86环境中构建根文件系统的原因.

复制QEMU程序

拷贝qemu-arm-static或者我们自己编译的最新版本到刚刚解压出来的目录/mnt/ubuntu/usr/bin/：

$sudo cp /usr/bin/qemu-arm-static /mnt/ubuntu/usr/bin

若是arm64则拷贝qemu-aarch64-static：

$sudo cp /usr/bin/qemu-aarch64-static /mnt/ubuntu/usr/bin

当我们启动为ARM或其他架构编译的应用程序时，系统会调用binfmts识别它的类型并调用之前注册的interpreter（如/usr/bin/qemu-aarch64）来“翻译”启动。在chroot下，依然会从这个路径中寻找。因此如果使用chroot 后[6 小点讲解]，这个路径下找不到QEMU，启动任何程序都会报错No such file or directory。这个报错会有很多歧义，因此一定要自己确认一下QEMU确实在rootfs的“/usr/bin”目录中。

以后拿到一个新的固件包，只需要解压到一个文件夹里，把对应架构的qemu拷贝进去，直接运行命令chroot即可。遇到需要调试的程序，我们通过运行qemu-arm -g 2331 /path/to/binary指定-g参数开启调试选项，也可以声明一个环境变量QEMU_GDB=2331，带上这个环境变量所启动的程序，都会自动开启GDB端口并等待调试器attach，调试起来是不是很方便呢？

6. chroot操作

方法1：使用原始的方法，来进入chroot环境

挂载和激活 /dev：通常激活 /dev 目录下设备的方式是在 /dev 目录挂载一个虚拟文件系统（比如 tmpfs），然后允许在检测到设备或打开设备时在这个虚拟文件系统里动态创建设备节点。这个通常是在启动过程中由 udev 完成。由于我们的ubuntu-base新系统还没有 udev，也没有被引导，有必要手动挂载和激活 /dev 这可以通过绑定挂载宿主机系统的/dev 目录来实现。绑定挂载是一种特殊的挂载模式，它允许在另外的位置创建某个目录或挂载点的镜像。运行下面的命令来实现：

sudo mount -v --bind /dev /mnt/ubuntu/dev

挂载虚拟文件系统:

sudo mount -vt devpts devpts /mnt/ubuntu/dev/pts -o gid=5,mode=620
sudo mount -vt proc proc /mnt/ubuntu/proc
sudo mount -vt sysfs sysfs /mnt/ubuntu/sys
sudo mount -vt tmpfs tmpfs /mnt/ubuntu/run
sudo cp /etc/resolve.conf /mnt/ubuntu/etc/

进入chroot环境：

chroot /mnt/ubuntu

我们可以编写一个bash脚本ch-mount.sh来完成挂载和后面的卸载操作

sudo bash ch-mount.sh -m ubuntu-rootfs/

ch-mount.sh的内容

#!/bin/bash
function mnt() {
    echo "MOUNTING"
    sudo mount -t proc /proc ${2}proc
    sudo mount -t sysfs /sys ${2}sys
    sudo mount -o bind /dev ${2}dev
    sudo mount -o bind /dev/pts ${2}dev/pts        
    sudo chroot ${2}
}
function umnt(){
    echo "UNMOUNTING"
    sudo umount ${2}proc
    sudo umount ${2}sys
    sudo umount ${2}dev/pts
    sudo umount ${2}dev
}
if ["$1" == "-m" ] && [ -n "$2" ] ;
then
    mnt $1 $2
elif ["$1" == "-u" ] && [ -n "$2" ];
then
    umnt $1 $2
else
    echo ""
    echo "Either 1'st, 2'nd or bothparameters were missing"
    echo ""
    echo "1'st parameter can be one ofthese: -m(mount) OR -u(umount)"
    echo "2'nd parameter is the full pathof rootfs directory(with trailing '/')"
    echo ""
    echo "For example: ch-mount -m/media/sdcard/"
    echo ""
    echo 1st parameter : ${1}
    echo 2nd parameter : ${2}
fi

卸载使用sudo bash ch-mount.sh -u ubuntu-rootfs/

方法2：使用arch-chroot

linux发行版archlinux提供了一个自动化chroot的脚本arch-chroot，包含自动配置DNS文件、自动挂载虚拟文件系统等操作，用来维护linux系统非常方便,chroot时无需挂载等操作直接执行：

sudo arch-chroot /mnt/ubuntu

arch-chroot是方法1的封装，除此之外有会对目标系统进行检测并预先配置.

经过上述步骤我们就进入chroot环境了.

更新源并安装需要的软件

修改/mnt/ubuntu/etc/apt/sources.list,修改之前做一个备份.

这里推荐使用中科大的源http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/

# 默认注释了源码镜像以提高 apt update 速度，如有需要可自行取消注释
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-updates main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-backports main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-security main restricted universe multiverse
# deb-src https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu-ports/ focal-security main restricted universe multiverse

首先更新资源列表，然后安装必备的软件包，根据自己的需求：

# sudo sudo命令 # ssh ssh的client和server # vim vim编辑器 # net-tools ifconfig，netstat，route，arp等 # ethtool ethtool命令，显示、修改以太网设置 # wireless-tools iwconfig等，显示、修改无线设置 # ifupdown ifup，ifdown等工具 # network-manager Network Manager服务和框架，高级网络管理 # iputils-ping ping和ping6 # rsyslog 系统log服务 # bash-completion bash命令行补全 # htop htop工具，交互式进程查看器

apt-get install\
  sudo \
  ssh \
  vim \
  net-tools \
  ethtool \
  wireless-tools \
  ifupdown \
  network-manager \
  iputils-ping \
  rsyslog \
  bash-completion \
  htop \
  --no-install-recommends

也可通过chroot直接执行某个命令，例如修改root密码,其中/mnt/ubuntu是我们的rootfs目录：

sudo chroot  /mnt/ubuntu  passwd

配置串口调试服务

制作的rootfs里，可能是不包含有串口登陆tty的,需要添加一个/etc/init/ttyPS0.conf文件才能从串口登陆。否则你会在串口看见KERNL的输出信息，但就是等不到登陆提示。

ttyPS0.conf，修改其内容如下：

echo "start on stopped rc or RUNLEVEL=[12345]" > /etc/init/ttyPS0.conf
echo "stop on runlevel [!12345]" >> /etc/init/ttyPS0.conf
echo "respawn" >> /etc/init/ttyPS0.conf
echo "exec /sbin/getty -L 115200 ttyPS0 vt102" >> /etc/init/ttyPS0.conf

准备打包前，清除文件系统中的一些缓存数据

sudo apt-get clean
sudo rm -rf var/cache/*
sudo rm -rf var/lib/apt/lists/*

7. 退出构建Core根文件系统

设置好Core根文件系统后，用exit命令退出chroot。

8. 打包做好的Core根文件系统

sudo tar –czvf ../ubuntu.tar.gz .

在根文件系统上一目录生成ubuntu.tar.gz的文档.

在Ubuntu X86_64中构建arm ubuntu rootfs和调试arm应用

1. 下载ubuntu base包

2. 将ubuntu-base解压

3. 安装qemu arm模拟器环境，可以直接在x86_64中运行和调试应用

4. 安装binfmt

5. 如何在x86_64中调试arm程序?不用在开发板中调试

6. chroot操作

7. 退出构建Core根文件系统

8. 打包做好的Core根文件系统

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