QEMU(Quick EMUlator)学习

QEMU介绍

QEMU (Quick EMUlator) 是一个开源的虚拟化软件和硬件仿真器，它能实现完整系统仿真或进程级仿真。QEMU 的用途广泛，可以用来运行不同体系结构的程序，测试操作系统和驱动程序，开发嵌入式系统，甚至作为云计算平台的一部分。以下是 QEMU 的一些主要特性和使用示例。

QEMU 的主要特性

1. 全系统仿真 (System Emulation):

• 仿真整个计算机系统，包括 CPU、存储器、硬盘、网络设备等。
• 支持多种架构，如 x86、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC 等。

2. 用户模式仿真 (User Mode Emulation):

• 仿真单个用户模式进程，可以运行不同架构的程序，而无需完整操作系统的仿真。

3. 加速模式:

• 与 KVM (Kernel-based Virtual Machine) 结合使用，可以利用硬件虚拟化特性，大幅提升性能

4. 设备仿真:

• 支持多种虚拟设备，如网络接口、存储设备、图形设备等。
  

QEMU 的安装

在大多数 Linux 发行版中，可以使用包管理器安装 QEMU：
Ubuntu / Debian:

sudo apt-get install qemu qemu-kvm

CentOS / Fedora:

sudo yum install qemu-kvm

QEMU 选项总结

• -m : 指定虚拟机内存大小，例如 -m 4G。
• -smp : 指定虚拟机 CPU 数量，例如 -smp 4。
• -drive file=,format=: 指定磁盘映像及其格式。
• -net : 配置网络设备。
• -cdrom : 指定光盘镜像文件。
• -boot : 指定启动顺序，例如 -boot d 从光盘启动。
• -enable-kvm: 启用 KVM 硬件加速。
• -cpu : 指定 CPU 模型和功能集。
• -device : 添加虚拟或物理设备。
  

使用 QEMU 进行系统仿真

以下是如何使用 QEMU 仿真一个简单的 x86 系统的示例。

1. 下载操作系统镜像

首先，下载一个操作系统镜像。例如，可以下载一个 Ubuntu 的 ISO 镜像：

wget https://releases.ubuntu.com/20.04/ubuntu-20.04.6-desktop-amd64.iso

2. 创建一个虚拟硬盘

使用 QEMU 创建一个虚拟硬盘文件：

qemu-img create -f qcow2 ubuntu.qcow2 20G

3. 启动虚拟机

使用 QEMU 启动虚拟机，并从 ISO 镜像启动：

qemu-system-x86_64 -m 4G 
-cdrom ubuntu-20.04.6-desktop-amd64.iso 
-hda ubuntu.qcow2 
-boot d

在这个命令中：

• qemu-system-x86_64：指定仿真 x86_64 架构的系统。
• -m 4G：分配 4 GB 内存给虚拟机。
• -cdrom ubuntu-20.04.6-desktop-amd64.iso：指定 ISO 镜像文件作为 CD-ROM。
• -hda ubuntu.qcow2：指定虚拟硬盘文件。
• -boot d：从 CD-ROM 启动。
  

4. 安装操作系统

QEMU 启动后，会加载 ISO 镜像，像在物理机上那样进行操作系统安装。

使用 QEMU 进行用户模式仿真

QEMU 还可以用于用户模式仿真，即仿真单个用户进程。以下是一个简单的示例：

1. 编写一个简单的 C 程序

编写一个简单的 C 程序 hello.c：

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

2. 编译程序

假设我们要在 ARM 架构上运行这个程序，可以使用交叉编译工具链进行编译：

arm-linux-gnueabi-gcc -o hello-arm hello.c

3. 使用 QEMU 运行程序

使用 QEMU 的用户模式仿真来运行这个 ARM 程序：

qemu-arm hello-arm

QEMU 将仿真 ARM CPU 并执行程序，输出 Hello, QEMU!。

使用 QEMU 进行更高级的系统仿真

1. 通过网络启动虚拟机

QEMU 支持通过网络启动虚拟机。这在构建无盘工作站或测试网络引导配置时非常有用。
准备 TFTP 服务器和网络引导文件： 首先，您需要设置一个 TFTP 服务器并准备网络引导文件。以下示例基于 Ubuntu：
安装 TFTP 服务器：

sudo apt-get install tftpd-hpa

配置 TFTP 服务器：
编辑 /etc/default/tftpd-hpa，确保以下内容：

TFTP_OPTIONS="--secure --create"
TFTP_DIRECTORY="/srv/tftp"
RUN_DAEMON="yes"
OPTIONS="-l -s /srv/tftp"

启动 TFTP 服务器：

sudo systemctl restart tftpd-hpa

将 PXE 引导文件（如 pxelinux.0 和相关配置文件）放入 /srv/tftp 目录。
启动 QEMU 并使用网络引导：

qemu-system-x86_64 -m 2G -boot n -net nic -net user,tftp=/srv/tftp,bootfile=pxelinux.0

在这个命令中：

• -boot n: 指定从网络引导。
• -net nic: 创建一个虚拟网络接口。
• -net user,tftp=/srv/tftp,bootfile=pxelinux.0: 使用用户模式网络后端并设置 TFTP 根目录及引导文件。

2. 使用快照功能

QEMU 支持快照功能，可以在不修改原始磁盘映像的情况下保存和恢复虚拟机状态。
创建基础映像：

qemu-img create -f qcow2 base.qcow2 20G

创建快照映像：

qemu-img create -f qcow2 -b base.qcow2 snapshot.qcow2

启动虚拟机并使用快照映像：

qemu-system-x86_64 -m 2G -hda snapshot.qcow2

在这个命令中：

• -b base.qcow2: 指定基础映像。

您可以进行各种操作，并在需要时创建新的快照映像，从而无需担心对原始映像的破坏。

3. 使用 GPU 直通 (PCI Passthrough)

QEMU 支持将主机的 PCI 设备（如 GPU）直接分配给虚拟机，提供接近原生的性能。这通常与 KVM 结合使用，并且需要特定的硬件支持。
启用 IOMMU 支持： 在主机的启动配置中启用 IOMMU。编辑 /etc/default/grub：

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet intel_iommu=on"  # 对于 Intel CPU
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet amd_iommu=on"    # 对于 AMD CPU

更新 GRUB 并重启主机：

sudo update-grub
sudo reboot

分离 GPU 驱动： 找到 GPU 设备的 PCI 地址：

lspci -nn | grep -i vga

分离设备： 创建 /etc/modprobe.d/vfio.conf 并添加以下内容：

options vfio-pci ids=<GPU设备ID>,<声卡设备ID>

重新生成 initramfs：

sudo update-initramfs -u

启动虚拟机并使用 GPU 直通：

qemu-system-x86_64 -enable-kvm -m 8G -cpu host,kvm=off \
-device vfio-pci,host=01:00.0,x-vga=on \
-device vfio-pci,host=01:00.1

在这个命令中：

• -enable-kvm: 启用 KVM。
• -cpu host,kvm=off: 使用主机 CPU 的功能集，禁用 KVM 特定标志。
• -device vfio-pci,host=01:00.0,x-vga=on: 分配 GPU。
• -device vfio-pci,host=01:00.1: 分配声卡。
  

使用 QEMU 进行用户模式仿真

1. 运行不同架构的程序

QEMU 的用户模式仿真可以在一个架构上运行另一个架构的程序。以下是一个示例，展示如何在 x86_64 主机上运行 ARM 程序。
编写并编译 ARM 程序：
创建一个简单的 ARM 程序 hello_arm.c：

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

使用交叉编译工具链编译：

arm-linux-gnueabi-gcc -o hello_arm hello_arm.c

运行 ARM 程序： 使用 QEMU 的用户模式仿真运行：

qemu-arm ./hello_arm

输出将是 Hello, ARM!。