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QEMU

QEMU 是一個開源的 machine emulator 與 virtualizer，可以在不同 CPU 架構之間執行程式，也可以模擬一台完整的電腦。 例如，我們可以在 x86-64 Linux 上執行 ARM64 Linux 程式，或啟動包含 ARM64 CPU、記憶體與虛擬周邊設備的完整系統。

QEMU 最常見的兩種使用模式是 user mode 與 system mode。選擇時的關鍵在於：我們只需要執行某個程式，還是需要一個包含 kernel 與周邊設備的完整系統。

執行架構

flowchart TB
    subgraph UserMode[QEMU user mode]
        direction TB
        App1[Guest architecture application]
        QemuUser[QEMU instruction translation<br/>and syscall translation]
        HostKernel1[Host Linux kernel]
        HostHardware1[Host hardware]
        App1 --> QemuUser --> HostKernel1 --> HostHardware1
    end

    subgraph SystemMode[QEMU system mode]
        direction TB
        App2[Guest application]
        GuestKernel[Guest kernel]
        QemuSystem[QEMU CPU, memory<br/>and device emulation]
        HostKernel2[Host operating system]
        HostHardware2[Host hardware]
        App2 --> GuestKernel --> QemuSystem --> HostKernel2 --> HostHardware2
    end

User mode 只翻譯 guest 程式的 CPU 指令，程式發出 system call 時，QEMU 會將它轉換後交給 host Linux kernel 處理。 System mode 則會提供虛擬 CPU、記憶體與周邊設備，guest kernel 會像在真實機器上一樣管理這些資源。

User mode 與 system mode 比較

項目 User mode System mode
模擬範圍 單一 Linux userspace 程式 完整機器與作業系統
Guest kernel 不需要，使用 host kernel 需要自行提供
周邊設備 不模擬 可模擬 disk、network、serial port 等設備
啟動速度 快，直接執行目標程式 慢，需要完成 boot process
環境準備 目標程式與所需 libraries Kernel、root filesystem 與虛擬硬體設定
隔離性 程式仍共用 host kernel Guest 有獨立 kernel
常見用途 交叉架構測試、binary analysis、fuzzing OS 開發、driver 測試、firmware 與 embedded system 模擬
常用指令 qemu-aarch64、qemu-arm、qemu-riscv64 qemu-system-aarch64、qemu-system-arm、qemu-system-x86_64

如果只是要測試不同 CPU 架構的 Linux command-line 程式，user mode 通常比較簡單。 當目標依賴特定 kernel、driver、啟動流程或周邊設備時，才需要使用 system mode。

User mode 實作

以 x86-64 Ubuntu host 執行 ARM64 Linux 程式為例，先安裝 QEMU user mode 與 ARM64 cross compiler：

sudo apt update
sudo apt install qemu-user gcc-aarch64-linux-gnu

建立一個簡單的 C 程式，並將檔案存為 hello.c：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    puts("Hello from ARM64");
    return 0;
}

使用 ARM64 cross compiler 產生 statically linked ELF，再交給 qemu-aarch64 執行：

aarch64-linux-gnu-gcc -static hello.c -o hello-aarch64
file hello-aarch64
qemu-aarch64 ./hello-aarch64

執行結果如下：

Hello from ARM64

Static linking 會將所需 library 放入 binary，因此 QEMU 不需要另外尋找 ARM64 shared libraries。 如果要執行 dynamically linked binary，可以用 -L 指定目標架構的 library root：

aarch64-linux-gnu-gcc hello.c -o hello-aarch64-dynamic
qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu ./hello-aarch64-dynamic

QEMU user mode 也可以透過 -strace 顯示 guest 程式發出的 system calls，適合用來理解程式行為或追查執行問題：

qemu-aarch64 -strace ./hello-aarch64

System mode 實作

System mode 需要準備與目標架構相容的 kernel 與 root filesystem。先安裝 ARM system emulator：

sudo apt update
sudo apt install qemu-system-arm

QEMU 可以模擬多種 machine，下列指令可以查看 ARM64 支援的 machine 與 CPU：

qemu-system-aarch64 -machine help
qemu-system-aarch64 -cpu help

virt 是 QEMU 提供的通用 ARM virtual platform，適合啟動 Linux，不對應某一塊真實開發板。

下載 Alpine Linux kernel 與 rootfs

這裡使用 Alpine Linux 官方提供的 ARM64 netboot files：

  • vmlinuz-virt：適用於 virtual machine 的 ARM64 Linux kernel。
  • initramfs-virt：開機初期使用的 root filesystem，包含建立系統環境所需的 init scripts 與基本工具。

下列 URL 使用 latest-stable，可以自動取得最新的 stable release：

mkdir qemu-alpine
cd qemu-alpine

curl --fail --location \
  --output vmlinuz-virt \
  https://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/latest-stable/releases/aarch64/netboot/vmlinuz-virt

curl --fail --location \
  --output initramfs-virt \
  https://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/latest-stable/releases/aarch64/netboot/initramfs-virt

如果需要可重現的開發環境，應將 URL 中的 latest-stable 改為固定版本，避免 kernel 與 userspace 在新版本發布後改變。

啟動 Alpine Linux

Alpine netboot initramfs 會使用 DHCP 取得 IP，再從官方 repository 下載基礎套件與 modloop-virt。因此 QEMU 需要提供虛擬網路卡與 user-mode network backend：

qemu-system-aarch64 \
  -machine virt \
  -cpu cortex-a57 \
  -m 1024 \
  -nographic \
  -kernel vmlinuz-virt \
  -initrd initramfs-virt \
  -append "console=ttyAMA0 ip=dhcp alpine_repo=https://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/latest-stable/main modloop=https://dl-cdn.alpinelinux.org/alpine/latest-stable/releases/aarch64/netboot/modloop-virt" \
  -netdev user,id=net0 \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0

第一次啟動時需要等待套件與 kernel modules 下載完成。看到下列訊息就代表已經成功進入 Alpine Linux：

Welcome to Alpine Linux

Kernel 6.x.x-virt on aarch64 (/dev/ttyAMA0)
localhost login:

輸入帳號 root 即可登入，預設不需要密碼。登入後可以確認 guest 的 CPU 架構與 kernel：

uname -m
uname -a
cat /etc/alpine-release

這個範例的 rootfs 建立在 RAM 中，適合快速練習 QEMU system mode，但重新啟動後不會保留修改。如果需要 persistent storage，可以另外建立 virtual disk，再在 guest 中使用 setup-alpine 安裝系統。

主要參數的用途如下：

  • -machine virt：使用 QEMU ARM virtual platform。
  • -cpu cortex-a57：選擇要模擬的 CPU model。
  • -m 1024：分配 1024 MiB guest memory。
  • -nographic：不開啟圖形視窗，將 serial console 連接到當前 terminal。
  • -kernel：直接載入 Linux kernel image。
  • -initrd：載入開機初期使用的 initramfs。
  • -append：傳遞 kernel command line，設定 serial console、DHCP、package repository 與 kernel module image。
  • -netdev 與 -device：建立 user-mode network backend 與 virtio network device。

在 -nographic 模式中，可以按 Ctrl-A 後再按 X 結束 QEMU。

加速方式

QEMU 可以透過 dynamic binary translation 模擬不同的 CPU 架構，但速度通常比直接執行慢。 如果 guest 與 host 使用相同 CPU 架構，Linux 上可以搭配 KVM，讓大部分 guest instructions 直接由真實 CPU 執行：

qemu-system-x86_64 -enable-kvm ...

KVM 是 virtualization，主要用在 guest 與 host CPU 架構相同的情況；當兩者架構不同時，仍然需要 QEMU 進行 instruction translation。