如何建立虛擬 SD card

#2020/04/20 改版

如何建立虛擬 SD card


0. 目標：建立一個 sdcard.img，將其分割為二個分割區

part1: 80 M
part2: 920 M

並將第一個分割區以 vfat 方式格式化，第二個分割區以 ext4 方式格式化，而且兩個分割區都要能掛載。


1. 使用 dd 指令建立 1G 之 sdcard.img

dd if=/dev/zero of=sdcard.img bs=1M count=1024

作完後之輸出如下所示：

1024+0 records in
1024+0 records out
1073741824 bytes (1.1 GB) copied, 17.8515 s, 60.1 MB/s

我們可以使用 file 及 hexdump 這兩個指令來檢視 sdcard.img，其操作如下：

file sdcard.img

其輸出為：

sdcard.img: data

hexdump sdcard.img

其輸出為：

0000000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

*

40000000

以上輸出表示此檔案之內容為 00 (也就是 ASCII 表中之 Null 字元)，其位址從 0x0000000 一直至 0x40000000 也就是 1G。

到此為止，我們已完成一個空的 sdcard.img。接著我們要使用 losetup 來連接此檔案至 /dev/loop0 裝置以便進行分割及格式化。

2. 使用 losetup 指令

要使用 losetup 指令，請先切換至 root 權限，我們先看目前是否有 /dev/loop 裝置，其指令如下所示：

# losetup -a

理論上目前沒有任何輸出。接著請執行底下指令將 /dev/loop0 與 sdcard.img 「連接」在一起。

# losetup /dev/loop0 sdcard.img

此時我們即將 sdcard.img 「連接」至 /dev/loop0 這個裝置。

3. 使用 fdisk 分割 /dev/loop0

將第一個分割區切成 80 MB

將第二個分割區切成剩下空間 (920 MB)

作完後將分割區狀況存入並退出 fdisk，我們可以執行底下指令來觀看 /dev/loop0 狀態。

fdisk -lu /dev/loop0

其輸出如下所示：

# fdisk -lu /dev/loop0
Disk /dev/loop0: 1 GiB, 1073741824 bytes, 2097152 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0xa5e072a5

Device       Boot  Start     End Sectors  Size Id Type
/dev/loop0p1        2048  165887  163840   80M  b W95 FAT32
/dev/loop0p2      165888 2097151 1931264  943M 83 Linux

在存分割表 (w 指令)時如果出現底下訊息要將 /dev/loop0 與 sdcard.img 分離，再重新連接才可以繼續往下作。

Command (m for help): w
The partition table has been altered!

Calling ioctl() to re-read partition table.

WARNING: Re-reading the partition table failed with error 22: 不適用的引數.
The kernel still uses the old table. The new table will be used at
the next reboot or after you run partprobe(8) or kpartx(8)
Syncing disks.

** 使用 losetup 將 /dev/loop0 與 sdcard.img 分離 **

# losetup -d /dev/loop0

我們可以執行 losetup -a 來看是否已解除連接。若要重新連接請執行以下指令：

# losetup /dev/loop0 sdcard.img

連接完可以執行

fdisk -lu /dev/loop0

來觀察其輸出是否如上所示。

4. 格式化/掛載/解掛/解除連結

4.1 格式化與掛載

我們統一將第 1 個分割區格式化為 fat 格式，第 2 個分割區格式化為 ext4 格式以便 u-boot 載入系統核心並掛載 rootfs。在格式化前我們需注意每一個分割區的 sector 數目，例如第 1 個分割區的 Sectors 為 163840，而第 2 個分割區則為 1931264。這兩個數字將分別應用在格式化上，但是在格式化前，我們要將第 1 個分割區連接至 /dev/loop1，第 2 個分割區連接至 /dev/loop2，請執行底下指令連接 /dev/loop1：

losetup -o `expr 2048 \* 512` /dev/loop1 /dev/loop0

接著再執行底下指令連接 /dev/loop2：

losetup -o `expr 165888 \* 512` /dev/loop2 /dev/loop0

上述指令都有使用到 expr 這個命令，expr 可以拿來作簡單的四則運算，例如：

expr 1 + 1 其輸出為 2
expr 2 - 1 其輸出為 1

但若要進行乘法的話必須使用 \* 而非 *，因為 * 是特殊字元。

expr 2 * 3 -> expr: 格式錯誤
expr 2 \* 3 -> 6

至於除法範例如下：

expr 6 / 2 -> 2
expr 6 / 4 -> 1 (沒有餘數)

`expr a \* b` 表示「傳回」 a * b 之值。

當我們要連接 /dev/loop1 (第 1 個分割區) 及 /dev/loop2 (第 2 個分割區)時，必須跳過相對應的 offset，這個 offset 就由 expr 來替我們作運算。當 /dev/loop1 及 /dev/loop2 都連接上時，我們可以執行：

losetup -a

此時會出現底下輸出，告訴我們 /dev/loop1 及 /dev/loop2 都完成連接。

/dev/loop0: [0805]:2540233 (/home/herman/qemu_image/arm/sdcard.img)
/dev/loop1: [0005]:1312 (/dev/loop0), offset 32256
/dev/loop2: [0005]:1312 (/dev/loop0), offset 90478080

接著我們即可真正對 /dev/loop1 及 /dev/loop2 進行格式化：

mkfs.msdos -s 2 /dev/loop1 81920

mkfs.ext4 /dev/loop2 965632    -> 此指令不用，以免 u-boot 無法掛載

mkfs.ext4 -O ^metadata_csum,^64bit /dev/loop2  -> 改用這個指令來分割虛擬 sdcard

格式化完畢後我們可以進行掛載以便待會複製檔案，我們統一掛載至

/mnt/sdcard1 及 /mnt/sdcard2 目錄。

Q: 若以上兩個目錄不存在，該如何建立 ?

mkdir -p /mnt/sdcard1 /mnt/sdcard2


建好目錄後可以進行掛載，指令如下：

mount /dev/loop1 /mnt/sdcard1
mount /dev/loop2 /mnt/sdcard2

我們可以執行 df -h 來檢查是否有正確掛載，其輸出如下：

檔案系統              Size  Used Avail Use% 掛載點
/dev/loop1             87M     0   87M   0% /mnt/sdcard1
/dev/loop2            919M   18M  855M   2% /mnt/sdcard2

接下來，我們可以針對虛擬 SDCARD 開始複製檔案以便使用 Qemu 開機模擬。

4.2 解掛

4.2.1 解掛目錄

# umount /mnt/sdcard1 /mnt/sdcard2

4.2.2 解掛 loop，注意：順序要跟掛 loop 反過來作。

# losetup -d /dev/loop2
# losetup -d /dev/loop1
# losetup -d /dev/loop0

檢查是否完全解開：

# losetup -a

5. 植入 bootloader、kernel 以及 rootfs

5.1 bootloader 所需檔案

MLO
u-boot
u-boot.bin
u-boot.img
uEnv.txt        -> 開機設定檔

5.2 kernel 所需檔案

uImage

請將上述檔案複製至 /mnt/sdcard1 目錄


5.3 如何建立 rootfs

Q: 請問什麼是 rootfs ?
a. 最簡單的作法：將 qemu 中的 rootfs 拿來改，但是要記得瘦身。

b. 另一個簡單的作法：拿現成的來用，網路上有一位高手叫 Robert Nelson，
他所提供的下載網址在：


http://rcn-ee.net/deb/minfs/

目前最新的下載檔案是：

http://rcn-ee.net/deb/minfs/wheezy/debian-7.7-minimal-armel-2014-11-10.tar.xz
c. 修改 rootfs

要將 rootfs 植入 /mnt/sdcard2 中請完成底下工作：

c.1 將 rootfs 存入 /mnt/sdcard2
c.2 將核心模組存入 /mnt/sdcard2/lib/modules 目錄
c.3 修改設定檔，修改內容如下：

c.3.a 將 /etc/inittab 存入 /mnt/sdcard2/etc 中，並將最後一行改為
T2:23:respawn:/sbin/getty -L ttyO2 115200 vt102

c.3.b 將 /mnt/sdcard2/etc/fstab 修改如下：
proc             /proc proc defaults           0 0
/dev/mmcblk0p2   /     auto errors=remount-ro  0 1
/dev/mmcblk0p1   /boot auto defaults           0 0

c.3.c 將 /mnt/sdcard2/etc/network/interfaces 修改如下：
auto lo
iface lo inet loopback

auto eth0
iface eth0 inet dhcp

c.3.d 將 /etc/sdcard2/etc/hostname 修改如下：
leenix

c.3.e 將 /etc/resolv.conf 修改如下：
nameserver 8.8.8.8

6. 當所有檔案完成複製後，我們必須將 sdcard.img 解除掛載及解除連接，請執行以下指令：

umount /mnt/sdcard1 /mnt/sdcard2 -> 先解除目錄掛載

losetup -d /dev/loop2   -> 再依順序解除 loop 連接，請依後進先出的原則來解除
losetup -d /dev/loop1
losetup -d /dev/loop0   -> 至此全部解除連接，我們可以執行

losetup -a 來確認。


7. 測試虛擬 sdcard.img

當我們都完成檔案複製後，我們可以使用 qemu 來測試所完成之虛擬 sdcard.img，測試指令如下：

 qemu-system-arm -M beagle -m 512 -nographic -sd ./test.img -clock unix \
        -device usb-mouse -device usb-kbd \
        -usb -device usb-net,netdev=mynet -netdev user,id=mynet