# Raspberry Pi Introduction

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## Raspberry Pi 3 基本介紹

## 使用 QEMU 模擬 Raspberry Pi
### 取得 QEMU
* 安裝 QEMU
* `$ sudo apt install qemu`

### 取得 Raspbian Image
* 下載 Raspbian disk image 的 zip 檔
* `$ wget https://downloads.raspberrypi.org/raspbian/images/raspbian-2018-11-15/2018-11-13-raspbian-stretch.zip`
* 解壓縮
* `$ unzip 2018-11-13-raspbian-stretch.zip`
* 解壓縮後的檔名為 `2018-11-13-raspbian-stretch.img`

### 取得 Raspberry Pi Kernel
由於 QEMU 和真實的 Pi 還是有些不同的，因此無法使用 2018-11-13-raspbian-stretch.zip 裡面提供的 kernel 來開機，需要自行編出 QEMU 用的 kernel
* 這邊我們使用了 [dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel](https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel) 所編譯好的 kernel 來作使用
* `$ curl https://raw.githubusercontent.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel/master/kernel-qemu-4.4.34-jessie --output kernel-qemu-4.4.34-jessie`

### 執行 QEMU

$ sudo qemu-system-arm                                \
  -kernel ./kernel-qemu-4.4.34-jessie                 \
  -append "root=/dev/sda2 panic=1 rootfstype=ext4 rw" \
  -hda 2018-11-13-raspbian-stretch.img                \
  -cpu arm1176                                        \
  -m 256                                              \
  -M versatilepb                                      \
  -no-reboot                                          \
  -serial stdio                                       \
  -net nic                                            \
  -net user                                           \
  -net tap,ifname=vnet0,script=no,downscript=no

## 使用 QEMU 模擬 Raspberry Pi 3
### 編譯 QEMU
由於使用 apt 工具安裝的 QEMU 並不支援 Pi 3，因此我們要自己手動編譯 2.12.0 版本的 QEMU
* 安裝相關工具
* `$ sudo apt install gcc build-essential automake gcc-arm-linux-gnueabihf`
* 下載 QEMU source code
* `$ wget https://download.qemu.org/qemu-2.12.0-rc3.tar.xz`
* 解壓縮
* `$ tar xvf qemu-2.12.0-rc3.tar.xz`
* 配置設定
* `$ cd qemu-2.12.0-rc3`
* `$ ./configure --target-list=arm-softmmu,aarch64-softmmu`
* 相關設定
* `--target-list`: 指令想要編譯的模擬器
* `--prefix`: 指定程式要安裝的路徑
* 其他設定與選項皆可從 `./configure --help` 得知
* 編譯及安裝
* `$ make -j$(nproc)`
* `$ make install`
* 設定路徑
* `$ echo "export PATH=$(pwd)/aarch64-softmmu:\$PATH" >> ~/.bashrc`
* `$ source ~/.bashrc`

### 取得 Raspbian Image
* 下載 Raspbian disk image 的 zip 檔
* `$ wget https://downloads.raspberrypi.org/raspbian/images/raspbian-2018-11-15/2018-11-13-raspbian-stretch.zip`
* 解壓縮
* `$ unzip 2018-11-13-raspbian-stretch.zip`
* 解壓縮後的檔名為 `2018-11-13-raspbian-stretch.img`

### 取得 Raspberry Pi Kernel
由於 QEMU 和真實的 Pi 還是有些不同的，因此無法使用 2018-11-13-raspbian-stretch.zip 裡面提供的 kernel 來開機，需要自行編出 QEMU 用的 kernel，而在這邊參考了 [dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel](https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel/tree/master/tools) 的編譯方式
* 下載 kernel source code
* `$ git clone git://github.com/raspberrypi/linux.git --branch raspberrypi-kernel_1.20180619-1 --single-branch --depth 1`
* 修正編譯上的錯誤
* 到 [dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel](https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel/tree/master/tools) 上取得 `linux-arm.patch`
* 打上 patch
* `$ cd linux`
* `$ patch -p1 < ./linux-arm.patch`
* 編譯 kernel
* 編譯 kernel7.img
* `$ KERNEL=kernel7`
* 初始化 config
* `$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- versatile_defconfig`
* 設定 config
* 到 [dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel](https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel/tree/master/tools) 上取得 `config_file` 和 `config_ip_tables`
* 添加 config
* ```SHELL
$ cat >> .config << EOF
CONFIG_CROSS_COMPILE="arm-linux-gnueabihf"
EOF

      * `$ cat ./config_file >> .config`
      * `$ cat ./config_ip_tables >> .config`
  * 開啟 menuconfig
    * `$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig`
  * 編譯 kernel 和 dtb
    * `$ make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bzImage dtbs`
* 設定路徑
  * `$ cd ..`
  * `$ cp linux/arch/arm/boot/zImage ./kernel7.img`
  * `$ cp linux/arch/arm/boot/dts/versatile-pb.dtb ./versatile-pb.dtb`

### 執行 QEMU
* 使用圖形介面

$ sudo qemu-system-arm \
-M versatilepb \
-cpu arm1176 \
-m 256 \
-hda 2018-11-13-raspbian-stretch.img \
-kernel kernel7.img \
-dtb versatile-pb.dtb \
-net nic \
-net user,hostfwd=tcp::5022-:22 \
--append "root=/dev/sda2 panic=1" \
-no-reboot

* 使用終端機介面

$ sudo qemu-system-arm \
-M versatilepb \
-cpu arm1176 \
-m 256 \
-hda 2018-11-13-raspbian-stretch.img \
-kernel kernel7.img \
-dtb versatile-pb.dtb \
-net nic \
-net user,hostfwd=tcp::5022-:22 \
--append "rw console=ttyAMA root=/dev/sda2 panic=1" \
-nographic \
-no-reboot

* Raspberry Pi 預設帳號密碼
  * 帳號︰`pi`
  * 密碼︰`raspberry`
* 離開 QEMU
  * `Ctrl-A + X`

## 如何除錯 Raspberry Pi 3 虛擬機器
### 掛載 image 檔
有時候想要不藉由開機，希望直接從外面改裡面的程式，故使用之
* 使用 `losetup` 設定 loop device
  * `$ losetup -P -f --show XXX.img`
* 查看 loop device 狀態
  * `$ losetup -l`

NAME SIZELIMIT OFFSET AUTOCLEAR RO BACK-FILE DIO LOG-SEC
/dev/loop0 0 0 0 0 XXX.img 0 512

* 掛載 image 檔
  * `$ mkdir one two`
  * `$ sudo mount -o loop /dev/loop0p1 ./one`
  * `$ sudo mount -o loop /dev/loop0p2 ./two`
* 若忘記掛載到哪裡了可以使用 `mount -l` 查看

### 使用 GDB 除錯
若發生進不去 OS 的情況 (e.g. Kernel panic, ...)，就需要藉由外部 debugger 找尋錯誤
* 說明︰QEMU 內建了一個 GDBServer，可與外部的 GDB 進行一個遠端的除錯，其中藉由 ip:port 網路方式或藉由串列 /dev/ttyS* 的方式來進行工作
* 如何使用
  * 在 `qemu-system-*` 後面添加 `-S -gdb tcp::1234`
  * 使用 `arm-linux-gnueabihf-gdb -q` 進入 GDB
  * 輸入 `(gdb) target remote localhost:1234` 即可

## 參考資料
* [Linux 電腦第一次玩就上手：Raspberry Pi 3 入門套裝開箱](https://www.techapple.com/archives/17045)
* [第一次玩樹莓派就上手 - Raspberry PI 3 model B 新手上路](https://leonxlin.pixnet.net/blog/post/329986608)
* [Maker入門手冊－Raspberry Pi 3 安裝及環境建置](http://blog.tibame.com/?p=3016)
* [樹莓派 Raspberry Pi 3 介紹與使用](https://lrs.itsa.org.tw/pluginfile.php/23381/mod_resource/content/1/學習手冊-單元一_樹莓派%20Raspberry-Pi3%20介紹與使用.pdf)

---

* [QEMU 编译安装](https://www.cnblogs.com/BinBinStory/p/7618303.html)
* [从源码编译 Qemu 的流程及简述](http://blog.jcix.top/2017-01-09/qemu_compiling/)
* [QEMU 2.10.1 编译安装](https://blog.csdn.net/candcplusplus/article/details/78320602)

---

* [Raspbian "stretch" for Raspberry Pi 3 on QEMU
](https://github.com/wimvanderbauwhede/limited-systems/wiki/Raspbian-%22stretch%22-for-Raspberry-Pi-3-on-QEMU)
* [Debian "buster" for Raspberry Pi 3 on QEMU](https://github.com/wimvanderbauwhede/limited-systems/wiki/Debian-%22buster%22-for-Raspberry-Pi-3-on-QEMU)
* [使用 qemu 虚拟机运行树莓派(linux kernel 4.9)](https://blog.csdn.net/talkxin/article/details/79505826)
* [Qemu kernel for emulating Rpi on QEMU](https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel)
* [RPI3 QEMU](https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?t=195565)
* [Debian on QEMU’s Raspberry Pi 3 model](https://translatedcode.wordpress.com/2018/04/25/debian-on-qemus-raspberry-pi-3-model/)
* [Using QEMU to emulate a Raspberry Pi](https://blog.agchapman.com/using-qemu-to-emulate-a-raspberry-pi/)
* [使用 qemu 來模擬 Raspberry Pi](http://guildwar23.blogspot.com/2012/11/qemu-raspberry-pi.html)

---

* [How can I mount a Raspberry Pi Linux distro image ?](https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/13137/how-can-i-mount-a-raspberry-pi-linux-distro-image)

---

* [樹莓派 Raspberry Pi 編譯 Linux 核心（Kernel）步驟教學](https://blog.gtwang.org/iot/raspberry-pi-compile-linux-kernel)
* [wimvanderbauwhede / limited-systems](https://github.com/wimvanderbauwhede/limited-systems)
* [Chapter 2. Compiling a kernel - Kernel config options for kgdb](https://www.kernel.org/doc/htmldocs/kgdb/CompilingAKernel.html)
* [Debugging the Linux Kernel](http://ownyourbits.com/2018/05/09/debugging-the-linux-kernel/)
* [LDD3 - Chapter 4. Debugging Techniques](http://static.lwn.net/images/pdf/LDD3/ch04.pdf)
* [gdbserver remote debug 測試](https://kezeodsnx.pixnet.net/blog/post/31901130)
* [編譯 linux 0.11，並且使用 QEMU + GDB 調試 kernel](https://wwssllabcd.github.io/blog/2012/08/03/compile-linux011/)
* [使用 QEMU 和 GDB 调试 Linux 内核](https://consen.github.io/2018/01/17/debug-linux-kernel-with-qemu-and-gdb/)
* [Debugging linux kernel with GDB and QEMU](https://yulistic.gitlab.io/2018/12/debugging-linux-kernel-with-gdb-and-qemu/)
* [Linux kernel 調試](https://www.binss.me/blog/how-to-debug-linux-kernel/)