Qemu 详解与 ARM 虚拟机搭建指南

1. Qemu 是什么？

Qemu（Quick Emulator）是一款开源的机器模拟器和虚拟化工具，支持多种硬件架构（如 x86、ARM、PowerPC 等）。它的核心功能包括：

• 动态指令翻译：将不同架构的指令实时翻译为本机指令（如将 ARM 指令翻译为 x86 指令）。

• 全系统模拟：模拟完整的计算机硬件环境（CPU、内存、外设等），允许运行未经修改的操作系统。

• 虚拟化加速：与 KVM（Kernel-based Virtual Machine）结合时，能直接利用硬件虚拟化技术（如 Intel VT-x、AMD-V），提供接近物理机的性能。

2. Qemu 的两种模式

1. 用户模式（User Mode）：

   • 功能：运行跨架构的单个程序（如 ARM 程序在 x86 主机上执行）。

   • 原理：动态翻译目标程序的指令集，无需模拟整个操作系统。

   • 示例：在 x86 主机上直接运行 ARM 架构的 hello_world 程序：

     qemu-arm ./hello_world

2. 系统模式（System Mode）：

   • 功能：模拟完整的计算机系统（如 CPU、内存、硬盘、网络等）。

   • 应用：运行完整的操作系统（如 Ubuntu ARM 版），适合开发、测试和调试。

   • 性能优化：结合 KVM 时，可启用硬件虚拟化加速。

3. 为什么需要 ARM 模拟系统？

• 跨平台开发：在 x86 主机上开发和测试 ARM 软件（如嵌入式系统、IoT 设备程序）。

• 成本与便捷性：无需购买物理 ARM 设备，即可调试和验证系统。

• 兼容性测试：验证软件在不同架构下的行为。

4. Qemu 能做什么？适合哪些场景？

• 跨架构程序运行：直接运行不同指令集的程序。

• 操作系统开发：模拟完整的硬件环境，调试内核或驱动程序。

• 虚拟化：创建轻量级虚拟机（需 KVM 支持）。

• 教育与研究：学习计算机体系结构或操作系统原理。

5. 在 Ubuntu 16.04 搭建 ARM 虚拟机的步骤

以下以模拟 ARM vexpress-a9 开发板为例：

1. 安装 Qemu 及依赖

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-arm gcc-arm-linux-gnueabihf

2. 准备 ARM 系统镜像

• 下载内核和根文件系统：

  wget https://files.kernel.org/pub/linux/utils/boot/qemu/vexpress/zImage
  wget https://files.kernel.org/pub/linux/utils/boot/qemu/vexpress/vexpress-v2p-ca9.dtb
  wget https://downloads.openwrt.org/releases/19.07.1/targets/armvirt/32/openwrt-armvirt-32-rootfs-ext4.img.gz
  gunzip openwrt-armvirt-32-rootfs-ext4.img.gz

3. 启动 ARM 虚拟机

qemu-system-arm \
  -M vexpress-a9 \
  -m 512M \
  -kernel zImage \
  -dtb vexpress-v2p-ca9.dtb \
  -append "root=/dev/mmcblk0 console=ttyAMA0" \
  -drive file=openwrt-armvirt-32-rootfs-ext4.img,format=raw,if=sd \
  -nographic

• 参数说明：

  • -M vexpress-a9: 模拟 ARM vexpress-a9 开发板。

  • -m 512M: 分配 512MB 内存。

  • -kernel 和 -dtb: 指定内核和设备树文件。

  • -drive: 加载根文件系统镜像。

  • -nographic: 禁用图形界面，直接使用终端。

4. 登录虚拟机

启动后输入用户名 root（无密码），进入 ARM 虚拟系统。

6. 编写并运行 HelloWorld 程序

1. 交叉编译 ARM 程序

在主机上编写 hello.c：

#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, ARM World!\n");
  return 0;
}

编译为 ARM 可执行文件：

arm-linux-gnueabihf-gcc -static hello.c -o hello

2. 将程序传输到虚拟机

• 方法 1：通过虚拟 SD 卡：

  1. 将 hello 复制到根文件系统镜像：

     sudo mount openwrt-armvirt-32-rootfs-ext4.img /mnt
     sudo cp hello /mnt/root/
     sudo umount /mnt

  2. 在虚拟机中运行：

     ./hello

• 方法 2：通过网络传输：

  1. 在虚拟机中启动 SSH 服务。

  2. 使用 scp 从主机传输文件：

     scp hello root@虚拟机IP:/root/

总结

通过 Qemu 的系统模式，开发者可以在 x86 主机上低成本地模拟完整的 ARM 环境，极大方便了嵌入式开发和跨平台测试。结合交叉编译工具链，能够快速验证程序在目标架构上的行为。