Émulation Debian Raspberry Pi OS 64 bits sur un hôte amd64 - Qemu - carte rpi3

Création : Hôte : Debian Buster / 10.5, invités : images arm64 pour RaspBerry 3 et RaspBerry 4 : Debian RaspBerry unofficial Buster 10.5

L'objectif est de tester l'émulation sur un PC amd64 des OS Debian RaspBerry Pi 3 & 4 64 bits en utilisant la carte (model) qemu rpi3. La méthode utilisée est reprise de https://github.com/wimvanderbauwhede/limited-systems/wiki/Debian-%22buster%22-for-Raspberry-Pi-3-on-QEMU.Elle fait appel pour l'amorçage aux noyaux et DTBs (Device Tree Blob) extraits des images

Le téléchargement et l'extraction des noyaux de l'image sont identiques à ceux décrits dans Émulation Debian RaspBerry Pi OS 64 bits sur un hôte amd64 - Qemu - carte virt

Sommaire

Installation

On suppose qemu installé pour l'architecture arm 64 bits (aarch64)

$ qemu-system-aarch64 --version
QEMU emulator version 5.0.0 (Debian 1:5.0-14~bpo10+1)
Copyright (c) 2003-2020 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

Vérifier la présence du modèle rpi3

$ qemu-system-aarch64 -machine help |grep raspi
raspi2               Raspberry Pi 2B
raspi3               Raspberry Pi 3B

La carte rpi3 n'est pas documentée à ce jour sur le site qemu : voir https://qemu.readthedocs.io/en/latest/system/target-arm.html#board-specific-documentation

Téléchargement des images

Télécharger Debian Buster Raspberry Pi3 et Pi4 depuis https://raspi.debian.net/

$ wget https://raspi.debian.net/verified/20200831_raspi_3.img.{xz,sha256.asc}

$ wget https://raspi.debian.net/verified/20200909_raspi_4.img.{xz,sha256.asc}

Les images sont mises à disposition par Debian Gunnar Wolf / gwolf, mainteneur Debian. Rechercher l'empreinte de sa clé à partir https://nm.debian.org/public/people/ puis https://nm.debian.org/person/gwolf/

$ gpg --keyserver keyring.debian.org --recv-keys 4D14050653A402D73687049D2404C9546E145360

Vérifier la signature des checksums et la checksum des fichiers images compressés

$ gpg --verify 20200909_raspi_3.xz.sha256.asc
$ sha256sum -c 20200831_raspi_3.xz.sha256.asc

$ gpg --verify 20200909_raspi_4.xz.sha256.asc
$ sha256sum -c 20200909_raspi_4.xz.sha256.asc

Décompresser les images

$ unxz 20200831_raspi_3.img.xz
$ unxz 20200909_raspi_4.img.xz

Image RaspBerry Pi 3

Extraction du noyau

Établir les boucles de périphériques associées aux partitions de l'image et monter la partition racine (partition 2) en /mnt et la partition de boot (partition 1) en /mnt/boot/firmware (pour cette opération, les points de montage sont indifférents)

$ sudo losetup -P /dev/loop93 20200831_raspi_3.img
$ sudo mount /dev/loop93p2 /mnt
$ suod mount /dev/loop93p1 /mnt/boot/firmare

Recopier le noyau, les DTB (Device tree binaries), la ligne de commande

$ cp /mnt/boot/initrd* /mnt/boot/vmlinuz ./
$ cp /mnt/boot/firmware/cmline.txt /mnt/boot/firmware/*.dtb ./

Démonter les partitions et boucles

$ sudo umount /mnt/boot/firmware /mnt
$ sudo losetup -d /dev/loop93

Récapitulatif du contenu du répertoire courant

$ ls -l
total 1130696
-rw-r--r-- 1 philippe philippe 1572864000 oct.   5 16:16 20200831_raspi_3.img
-rw-r--r-- 1 philippe philippe        367 août  31 19:52 20200831_raspi_3.xz.sha256.asc
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      13617 oct.   5 16:14 bcm2837-rpi-3-a-plus.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      13469 oct.   5 16:14 bcm2837-rpi-3-b.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      13661 oct.   5 16:14 bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      13457 oct.   5 16:14 bcm2837-rpi-cm3-io3.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe        123 oct.   5 16:15 cmdline.txt
-rw-r--r-- 1 philippe philippe   24839400 oct.   5 16:12 initrd.img-4.19.0-10-arm64
-rw-r--r-- 1 philippe philippe   18759536 oct.   5 16:12 vmlinuz-4.19.0-10-arm64

$ cat cmdline.txt 
console=tty0 console=ttyS1,115200 root=LABEL=RASPIROOT rw elevator=deadline fsck.repair=yes net.ifnames=0 cma=64M rootwait

Notes :

la ligne de commande du système a été extraite pour information seulement et ne sera pas utilisée dans l'émulation
il y a une erreur dans la ligne de commande du système console=ttyS1 doit être remplacé par console=ttyA1

Lancement de l'émulation

La carte Raspberry Pi 3 est équipée d'un processeur Arm Cortex A53 et de 1 GB de RAM. Ces informations sont fournies dans les options -cpu et -m de la commande qemu. La commande est passée sous forme de script pour raison de simplicité

#!/usr/bin/env bash

RASPI=20200831_raspi_3.img
VMLINUZ=vmlinuz-4.19.0-10-arm64
INITRD=initrd.img-4.19.0-10-arm64
DTB=bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb 

qemu-system-aarch64 \
    -kernel $PWD/$VMLINUZ \
    -initrd $PWD/$INITRD \
    -dtb $DTB \
    -M raspi3 -m 1024 \
    -serial stdio \
    -append "rw earlycon=pl011,0x3f201000 console=ttyAMA0 loglevel=8 root=/dev/mmcblk0p2 fsck.repair=yes net.ifnames=0 rootwait memtest=1" \
    -drive file=$RASPI,format=raw,if=sd \
    -no-reboot

exit

Utilisation

Redimensionner l'image à une puissance de deux avant de lancer l'émulation pour éviter une erreur au démarrage du script

$ qemu-img resize 20200831_raspi_3.img -f raw 4G

Lancer le script :

Si la commande d'émulation a été lancée sans l'option -serial stdio, sélectionner dans la fenêtre de l'émulateur, l'affichage (serial0)
Si la commande a été lancée avec l'option -serial stdio, les entrées sorties sont redirigées vers la console courante d'où a été lancée la commande
A l'invite de login, utiliser "root", sans mot de passe

Le système fonctionne correctement

# uname -a
Linux rpi3-20200831 4.19.0-10-arm64 #1 SMP Debian 4.19.132-1 (2020-07-24) aarch64 GNU/Linux

# lsblk -f
NAME FSTYPE LABEL UUID                                 FSAVAIL FSUSE% MOUNTPOINT
mmcblk0
│                                                                     
├─mmcblk0p1
│    vfat   RASPIFIRM
│                 8FBE-F858                             235.9M    21% /boot/firm
└─mmcblk0p2
     ext4   RASPIROOT
                  1b9125ba-e961-40bf-a9db-75f20fa8d9fa  525.9M    48% /

# free -h
              total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:          929Mi        44Mi       820Mi       3.0Mi        64Mi       817Mi
Swap:            0B          0B          0B

Mais pas d'interface réseau

# ip link
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00

Il n'est donc pas possible de mettre à jour le système ou d'ajouter des programmes ....

Image RaspBerry Pi 4

Dans l'attente d'un modèle rpi4 (!), on teste le modèle rpi3

Extraction du noyau (id RaspBerry Pi 3)

Établir les boucles de périphériques associées aux partitions de l'image et monter la partition racine (partition 2) en /mnt et la partition de boot (partition 1) en /mnt/boot/firmware (A noter que pour cette opération, les points de montage sont indifférents), puis recopier les fichiers noyaux etc...

$ sudo losetup -P /dev/loop99 20200909_raspi_4.img 
$ sudo mount /dev/loop99p2 /mnt
$ sudo mount /dev/loop99p1 /mnt/boot/firmware/

$ cp /mnt/boot/initrd.img* /mnt/boot/vmlinuz* ./ 
$ cp /mnt/boot/firmware/cmdline.txt ./

$ ls -l
total 1269792
-rw-r--r-- 1 philippe philippe 1572864000 oct.   5 18:32 20200909_raspi_4.img
-rw-r--r-- 1 philippe philippe        367 oct.   5 14:45 20200909_raspi_4.xz.sha256.asc
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      23119 oct.   5 18:32 bcm2711-rpi-4-b.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      13990 oct.   5 18:32 bcm2837-rpi-3-a-plus.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      14250 oct.   5 18:32 bcm2837-rpi-3-b.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      14622 oct.   5 18:32 bcm2837-rpi-3-b-plus.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe      13624 oct.   5 18:32 bcm2837-rpi-cm3-io3.dtb
-rwxr-xr-x 1 philippe philippe        115 oct.   5 18:32 cmdline.txt
-rw-r--r-- 1 philippe philippe   28172439 oct.   5 18:31 initrd.img-5.8.0-1-arm64
-rw-r--r-- 1 philippe philippe   22421360 oct.   5 18:31 vmlinuz-5.8.0-1-arm64

$ cat cmdline.txt
console=tty0 console=ttyS1,115200 root=LABEL=RASPIROOT rw elevator=deadline fsck.repair=yes net.ifnames=0 rootwait

Démonter les points de montage et les boucles

$ sudo umount /mnt/boot/firmware /mnt
$ sudo losetup -d /dev/loop99

Lancement de l'émulation

La carte Raspberry Pi 4 est équipée d'un processeur Broadcom BCM2711, quad-core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit et de 2, 4 ou 8 GB de RAM. Dans ce qui suit, on affectera 1GB à l'émulation comme pour le rpi3

#!/usr/bin/env bash

RASPI=20200909_raspi_4.img
VMLINUZ=vmlinuz-5.8.0-1-arm64
INITRD=initrd.img-5.8.0-1-arm64
DTB=bcm2711-rpi-4-b.dtb

qemu-system-aarch64 \
    -kernel $PWD/$VMLINUZ \
    -initrd $PWD/$INITRD \
    -dtb $DTB \
    -M raspi3 -m 1024 \
    -serial stdio \
    -append "rw earlycon=pl011,0x3f201000 console=ttyAMA0 loglevel=8 root=/dev/mmcblk0p2 fsck.repair=yes net.ifnames=0 rootwait memtest=1" \
    -drive file=$RASPI,format=raw,if=sd \
    -no-reboot

exit

Redimensionner l'image à une puissance de deux avant de lancer l'émulation pour éviter une erreur au démarrage du script

$ qemu-img resize 20200831_raspi_3.img -f raw 4G

L'amorçage échoue ! Le modèle rpi3 ne convient pas pour l'image RaspBerry 4

[    0.000000] Kernel panic - not syncing: Attempted to kill the idle task!
[    0.000000] ---[ end Kernel panic - not syncing: Attempted to kill the idle task! ]---
qemu-system-aarch64: terminating on signal 2