使用 QEMU 進(jìn)行系統(tǒng)仿真

1、使用QEMU進(jìn)行系統(tǒng)仿真M. Tim Jones （ HYPERLINK mailto:mtj mtj）, 咨詢(xún)工程師，Emulex簡(jiǎn)介：QEMU是一個(gè)面向完整PC系統(tǒng)的開(kāi)源仿真器。除了仿真處理器外，QEMU還允許仿 真所有必要的子系統(tǒng)，如連網(wǎng)硬件和視頻硬件。它還允許實(shí)現(xiàn)高級(jí)概念上的仿真（如對(duì)稱(chēng)多處理 系統(tǒng)（多達(dá)255個(gè)CPU）和其他處理器架構(gòu)（如ARM和PowerPC）。本文將研究QEMU 及其架構(gòu)，并展示了如何在Linux主機(jī)上仿真來(lái)賓操作系統(tǒng)。標(biāo)記本文！發(fā)布日期：2007年10月22日級(jí)別：初級(jí)訪(fǎng)問(wèn)情況：11192次瀏覽評(píng)論：2 （查看|添加評(píng)論-登錄）平均分（11個(gè)評(píng)分）為本文評(píng)分QE

2、MU是什么？目前，簡(jiǎn)單地將虛擬化稱(chēng)為一種熱點(diǎn)技術(shù)似乎有些保守。在google搜索virtualizati一詞可 得到大約2200萬(wàn)條記錄。例如，在短短的一個(gè)月內(nèi)，EMC公司宣布為VMware首次公開(kāi)募 股，Citrix Systems宣布購(gòu)買(mǎi)XenSource的計(jì)劃，而新起的虛擬化創(chuàng)業(yè)公司隨處涌現(xiàn)。在虛擬 化產(chǎn)品的巨大市場(chǎng)上，不斷出現(xiàn)各種新興的小型市場(chǎng)。但是時(shí)下在熱議有關(guān)虛擬化的首次公開(kāi)募 股和收購(gòu)時(shí)，容易忽略一些其他的現(xiàn)有虛擬化技術(shù)。本文所介紹的一種有趣的虛擬化應(yīng)用程序QEMU并非目前的熱門(mén)技術(shù)。QEMU應(yīng)用程序適用 于各種設(shè)置?？捎糜趤?lái)賓操作系統(tǒng)的虛擬化，或作為完整的機(jī)器仿真器使用，運(yùn)行使

3、用主機(jī)CPU 或其他CPU架構(gòu)的操作系統(tǒng)?；仨?yè)首 虛擬化簡(jiǎn)介我們首先簡(jiǎn)要介紹一下虛擬化，闡述QEMU的搭建背景。本文中介紹的虛擬化實(shí)際上指的是平臺(tái)虛擬化在物理硬件上，控制程序可能是主機(jī)操作系統(tǒng)或 管理程序（見(jiàn)圖1）。在某些情況下，主機(jī)操作系統(tǒng)就是管理程序。來(lái)賓操作系統(tǒng)位于管理程 序中。在某些情況下，來(lái)賓操作系統(tǒng)與控制程序使用相同的CPU，而在另外一些情況下，則可 能不同（比如PowerPC來(lái)賓操作系統(tǒng)在x86硬件上運(yùn)行）。圖1.平臺(tái)虛擬化的基本架構(gòu)您可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)虛擬化，但是最常見(jiàn)的有三種。第一種稱(chēng)為本地虛擬化（或全虛擬化） 在這種虛擬化中，管理程序?qū)崿F(xiàn)基本的隔離元素，將物理硬件與來(lái)賓操

4、作系統(tǒng)相分離。這種技術(shù) 首次出現(xiàn)于1966年 舊M CP-40虛擬機(jī)/虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)中，另外VMware ESX Server 也使用了此技術(shù)。另一種流行的虛擬化技術(shù)稱(chēng)為半虛擬化在半虛擬化中，控制程序?qū)崿F(xiàn)了管理程序的應(yīng)用程序接 口（API），它將由來(lái)賓操作系統(tǒng)使用。Xen 和 Linux Kernel-based Virtual Machine （KVM）都 使用了半虛擬化技術(shù)。第三種有用的技術(shù)稱(chēng)為仿真。仿真，顧名思義，通過(guò)模擬完整的硬件環(huán)境來(lái)虛擬化來(lái)賓平臺(tái)。仿 真可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，即使在同一個(gè)解決方案中也是如此。通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)虛擬化的技術(shù)有 QEMU 和 Bochso回頁(yè)首QEMU架構(gòu)我們

5、首先了解一下QEMU如何實(shí)現(xiàn)仿真。本節(jié)將介紹QEMU的兩種操作模式，以及QEMU 動(dòng)態(tài)翻譯程序的一些有趣特點(diǎn)。QEMU基本操作QEMU支持兩種操作模式：用戶(hù)模式仿真和系統(tǒng)模式仿真。用戶(hù)模式仿真允許一個(gè)CPU構(gòu)建 的進(jìn)程在另一個(gè)CPU上執(zhí)行（執(zhí)行主機(jī)CPU指令的動(dòng)態(tài)翻譯并相應(yīng)地轉(zhuǎn)換Linux系統(tǒng)調(diào) 用）。系統(tǒng)模式仿真允許對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，包括處理器和配套的外圍設(shè)備。在x86主機(jī)系統(tǒng)上仿真x86代碼時(shí)，使用QEMU 加速器可以實(shí)現(xiàn)近似本地的性能。這讓我 們能夠直接在主機(jī)CPU上執(zhí)行仿真代碼（在Linux上通過(guò)kernel模塊執(zhí)行）。但是從技術(shù)角度看，QEMU的有趣之處在于其快速、可移植的動(dòng)態(tài)翻譯

6、程序。動(dòng)態(tài)翻譯程序允 許在運(yùn)行時(shí)將用于目標(biāo)（來(lái)賓）CPU的指令轉(zhuǎn)換為用于主機(jī)CPU，從而實(shí)現(xiàn)仿真。這可以通 過(guò)一種強(qiáng)制方法實(shí)現(xiàn)（將指令從一個(gè)CPU映射到另一個(gè)CPU），但是情況并非總是這樣簡(jiǎn)單， 在某些情況下，根據(jù)所翻譯的架構(gòu)，可能需要使用多個(gè)指令或行為更改。QEMU實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)翻譯的方法是，首先將目標(biāo)指令轉(zhuǎn)換為微操作。這些微操作是一些編譯成對(duì)象 的C代碼。然后構(gòu)建核心翻譯程序。它將目標(biāo)指令映射到微操作以進(jìn)行動(dòng)態(tài)翻譯。這不僅可產(chǎn) 生高效率，而且還可以移植。QEMU的動(dòng)態(tài)翻譯程序還緩存了翻譯后的代碼塊，使翻譯程序的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)最小化。當(dāng)初次使用 目標(biāo)代碼塊時(shí)，翻譯該塊并將其存儲(chǔ)為翻譯后的代碼塊QEMU將

7、最近使用的翻譯后的代碼塊 緩存在一個(gè)16 MB的塊中。QEMU甚至可以通過(guò)在緩存中將翻譯后的代碼塊變?yōu)闊o(wú)效來(lái)支持 代碼的自我修改。要了解QEMU及其動(dòng)態(tài)翻譯程序的更多內(nèi)部細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱參考資料一節(jié)中Fabrice Bellard （QEMU的作者）所撰寫(xiě)的有趣文章。受支持的外圍設(shè)備將QEMU作為PC系統(tǒng)仿真器使用可提供各種外圍設(shè)備。需要的標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備包括硬件Video Graphics Array （VGA）仿真器、PS/2鼠標(biāo)和鍵盤(pán)、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）硬盤(pán)和CD-ROM 接口，以及軟盤(pán)仿真。另外，QEMU 包括對(duì) NE2000 Peripheral Controller Interconn

8、ect （PCI）網(wǎng) 絡(luò)適配器、串行端口、大量的聲卡和 PCI Universal Host Controller Interface （UHCI） Universal Serial Bus （USB）控制器（帶虛擬 USB 集線(xiàn)器）的仿真。Processor symmetric multiprocessing （SMP）支持也得到了對(duì)255個(gè)CPU的支持。除了仿真標(biāo)準(zhǔn)PC或ISA PC （不帶PCI總線(xiàn)）夕卜，QEMU還可以仿真其他非PC硬件，如 ARM Versatile 基線(xiàn)板（使用 926E）和 Malta million instructions per second （MIPS）板

9、。對(duì) 于各種其他平臺(tái)，包括Power Macintosh G3 （Blue & White）和Sun-4u平臺(tái)，都能正常工作。回頁(yè)首 構(gòu)建和安裝QEMU構(gòu)建和安裝QEMU與使用標(biāo)準(zhǔn)的GNU工具一樣簡(jiǎn)單。下載并打開(kāi)QEMU發(fā)行版之后， configure、make，然后 make install，任務(wù)就完成了（見(jiàn)清單 1）。清單1.構(gòu)建QEMU仿真器$ wget HYPERLINK http:/fabrice.bellard.free.fr/qemu/qemu-0.9.0.tar.gz http:/fabrice.bellard.free.fr/qemu/qemu-0.9.0.tar.gz$ t

10、ar xfvz qemu-0.9.0.tar.gz$ cd qemu-0.9.0$ ./configure$ make$ make install$此過(guò)程不僅可以為當(dāng)前的目標(biāo)架構(gòu)創(chuàng)建可執(zhí)行的qemu映像，而且可以為其他架構(gòu)（包括ARM、 MIPS、PowerPC、68k和SPARC）創(chuàng)建一組映像。這樣，您就可以引導(dǎo)為不同目標(biāo)架構(gòu)構(gòu) 建的Linux內(nèi)核。如果主機(jī)操作系統(tǒng)和來(lái)賓操作系統(tǒng)運(yùn)行于相同的處理器架構(gòu)之上，那么您可以使用QEMU加速 器（KQEMU）實(shí)現(xiàn)近似本地的性能。KQEMU是一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序（Linux的內(nèi)核模塊），允許用 戶(hù)模式的代碼和內(nèi)核代碼直接在主機(jī)CPU上執(zhí)行。構(gòu)建QEMU加速器與

11、構(gòu)建QEMU本身 相同（見(jiàn)清單2）。清單2.構(gòu)建QEMU加速器$ HYPERLINK http:/fabrice.bellard.free.fr/qemu/kqemu-1.3.0pre11.tar.gz http:/fabrice.bellard.free.fr/qemu/kqemu-1.3.0pre11.tar.gz$ tar xvfz kqemu-1.3.0pre11.tar.gz$ cd kqemu-1.3.0pre11$ ./configure$ make$ make install您可以在很多操作系統(tǒng)，包括Microsoft Windows、FreeBSD和Linux上編譯和安裝KQ

12、EMUo構(gòu)建QEMU加速器之后，使用以下命令在Linux中安裝該加速器：$ insmod kqemu.ko$回頁(yè)首使用QEMU現(xiàn)在考察一下使用QEMU虛擬化另一臺(tái)帶典型的桌面GNU/Linux環(huán)境的機(jī)器的情況。仿真另 一臺(tái)機(jī)器與處理新計(jì)算機(jī)類(lèi)似。第一步是安裝操作系統(tǒng)。新計(jì)算機(jī)必須要有安裝操作系統(tǒng)的空 間，因此需要一個(gè)硬盤(pán)。QEMU提供了一條特殊的命令創(chuàng)建硬盤(pán)，此命令稱(chēng)為qemu-img。此工具可以創(chuàng)建各種格式的 映像，但最佳的格式（對(duì)于qemu）稱(chēng)為qcow （或qemu寫(xiě)時(shí)復(fù)制）。這種格式的優(yōu)點(diǎn)在于磁 盤(pán)映像的大小與表示映像的物理文件的大小不同。換言之，該格式允許實(shí)現(xiàn)更緊湊的磁盤(pán)映像。 例如

13、，一個(gè)空的4GB磁盤(pán)映像只需要16KB的空間。使用qcow（copy on writ模式創(chuàng)建硬盤(pán)對(duì)于qemu-img，您需要提供操作類(lèi)型（create創(chuàng)建新磁盤(pán)映像）、格式（qcow用于qemu映 像格式）、大小和磁盤(pán)映像的名稱(chēng)。本例中仿真的機(jī)器用于一個(gè)在Flash中使用的微型Linux發(fā) 行版。因此，將128MB的磁盤(pán)映像創(chuàng)建為：$ qemu-img create -f qcow disk.img 128MFormating disk.img, fmt=qcow, size=131072 kB$注意，如果您計(jì)劃安裝通用操作系統(tǒng)，如Windows Linux或FreeBSD,則需要更大的磁盤(pán)

14、空間。此操作的結(jié)果是仿真時(shí)出現(xiàn)一個(gè)disk.img文件，其形式是一個(gè)128MB的磁盤(pán)?，F(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建好硬盤(pán)，可以在上面安裝新操作系統(tǒng)。出于演示的目的，我將使用一個(gè)較小的Linux 發(fā)行版cfLinuXo cfLinux的標(biāo)準(zhǔn)用法是作為基于Linux的小型嵌入式系統(tǒng)使用，此系統(tǒng)應(yīng)適用 網(wǎng)關(guān)、無(wú)線(xiàn)入口點(diǎn)、防火墻或路由器。您可以使用wget下載ISO格式的發(fā)行版：wget HYPERLINK ftp:/ftp.cflinux.fu/pub/cflinux/iso/cflinux-1.0.iso ftp:/ftp.cflinux.fu/pub/cflinux/iso/cflinux-1.0.isoISO

15、映像是常見(jiàn)的CD-ROM格式（在其他地方稱(chēng)為ISO 9660文件系統(tǒng)）?，F(xiàn)在，您已經(jīng)仿真了硬盤(pán)（disk.img）和CD-ROM，您可以在上面安裝操作系統(tǒng)。下一步是在 硬盤(pán)上安裝操作系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地使用qemu即可完成此任務(wù)：$ qemu -hda disk.img -cdrom /root/cflinux-1.0.iso -boot d$使用qemu時(shí)，您使用hda選項(xiàng)指定硬盤(pán)映像，使用cdrom選項(xiàng)指定cdrom （ISO映像所在 的文件）。boot選項(xiàng)指定從CD-ROM弓|導(dǎo)。參數(shù)d指定從CD-ROM引導(dǎo)，其中a指定從 軟盤(pán)引導(dǎo)，c指定從硬盤(pán)引導(dǎo)（默認(rèn)），而n指定從網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)。發(fā)出此命令后，出

16、現(xiàn)一個(gè)表示 已仿真機(jī)器的新QEMU窗口（見(jiàn)圖2）。圖2.準(zhǔn)備使用QEMU將cfLinux安裝到仿真磁盤(pán)上MET4： Linux TCP/IPfor HET4.0IP Protocols： CMP- UDF, TCP. 1GMPIF： renting CAche heish tabie uf* 512 buickEtsj KbytesTCF: Hflsh tab les conf igured lestab 1ished B13Z bind 16301)NET*： Unix doHain sockets 1.0/SMP for LIhuk HET4.0a ds no eocket drivers

17、 loadiedltRAfID ISK: CaHipressizd iitacfE round at Duck 6Freeinji iihitrd; 799?k freedCPfl wf s 二 urong tna g ICVFSr MouiiteJ root (mJ nix fi lesy stein) reftdcnly BFreeing unused kernel memcry： SOk freedInsta 1 lai i on prngTana-It wi 11 Ask you where to Instil Iof that device.criinx and wi 11 iest

18、roy all the contevit* Me 1 cottej this is the cf 1 inuMThe fol lowing bluuk. devices were detected on your system-.r sorted by size dcvioc sIzk (HD) h 電12881。 which uoLild jjRU like 化口 Install CFIInux? Rda _遵循安裝指令，按照CD-ROM安裝完成在仿真硬盤(pán)上的ISO安裝。安裝程序要求您重新啟動(dòng)。 此時(shí)，您可以終止仿真（在qemu窗口中按Ctrl-C）。您可以使用以下命令引導(dǎo)最新安裝的操 作系

19、統(tǒng)：$ qemu -hda disk.img$此命令只是說(shuō)明使用disk.img映像文件表示的硬盤(pán)仿真標(biāo)準(zhǔn)PC （默認(rèn)選項(xiàng)）。Linux映像從 仿真硬盤(pán)開(kāi)始引導(dǎo)，導(dǎo)致出現(xiàn)QEMU窗口，如圖3所示。圖3.從仿真硬盤(pán)引導(dǎo)最新安裝的cfLinuxtnsmodl. inile； 8139cpt Ho such deviceMdpgbE MI led to load mdluie 8139cpB139tOi& F*st Ethernet driver 9總6ins mod in it.HKiilu. le: B133taD: ITd such devicenffldprobE: Pai led to l

20、oad wodlulc- 0139tconatscHi dp8301x dr iuer P ycr&ian： 1-07+LK1,0.17, Sep Z7 F Z0fiZor-ig Ina I iy by Dair& 1 & Bcckcr nugrDup r doneAdding system user nobody: doneNctuork in it ia L izot ion - dan：eEnab 1iny TCP?TP SYN naakics r dene 一Enabl Ingf spoofinn an all IntiErrces : done.Setting def ijiu I

21、t ARP anniounice i*ethD4 (1 on 肴11 (nterFACCS - done nDisabling console bleinklng： dorteSlrtimg staird dftenKi*ns： syslagd klegd crond IgemerAtIng 2048 bits rst key g enerat ing 162 bitskey J shd.Local init ial izsit ionfgrw) login：這再簡(jiǎn)單不過(guò)了。實(shí)際上，您可以按照同樣的順序安裝和引導(dǎo)任何種類(lèi)的操作系統(tǒng)（Linux產(chǎn)品 發(fā)行版、Windows或其他）。回頁(yè)首 其他仿

22、真器雖然QEMU是一種極好的仿真環(huán)境，但是其他環(huán)境也值得研究一下。Wine是Windows API 的一個(gè)開(kāi)源實(shí)現(xiàn)，允許您在沒(méi)有Windows操作系統(tǒng)的情況下運(yùn)行Windows程序。但是如 Wine縮略詞所表示的那樣，Wine不是仿真器。相反，Wine實(shí)現(xiàn)了一組API，這些API允 許執(zhí)行x86架構(gòu)的應(yīng)用程序。因此，運(yùn)行在Wine上的應(yīng)用程序可以很好地執(zhí)行。與QEMU類(lèi)似的仿真器是Bochs。Bochs是一種機(jī)器仿真器，它不僅可以仿真Intel的 i386、i486、Pentium、Pentium Pro 和 Advanced Micro Devices 的 AMD64 CPU，還 可以仿真常

23、見(jiàn)PC外圍設(shè)備，如磁盤(pán)、內(nèi)存、顯示器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Bochs已被用于仿真Linux、 DOS 和 Windows 95/98/XP/2000/NT 操作系統(tǒng)?；仨?yè)首 結(jié)束語(yǔ)將QEMU作為機(jī)器仿真器使用讓您能夠試驗(yàn)各種操作系統(tǒng)，因?yàn)槟赡軟](méi)有多余的機(jī)器直接進(jìn) 行試驗(yàn)。ReactOS就是一個(gè)這樣的例子，它是一個(gè)開(kāi)源的Windows XP兼容的操作系統(tǒng)（其 仿真如圖4所示）。ReactOS的目標(biāo)是與Windows XP實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制兼容，因此您可以直接在 ReactOS上運(yùn)行針對(duì) Windows XP構(gòu)建的應(yīng)用程序。請(qǐng)參閱參考資料一節(jié)了解當(dāng)前應(yīng)用程序 兼容性的細(xì)節(jié)。圖4.為ReactOS仿真標(biāo)準(zhǔn)PC您可以

24、在Free Operating Systems Zoo找到ReactOS和很多其他操作系統(tǒng)的QEMU映像 （請(qǐng)參閱參考資料一節(jié)了解更多細(xì)節(jié)）。這些映像包括live CD映像、軟盤(pán)映像或硬盤(pán)映像 （qcow格式）。QEMU是嘗試新操作系統(tǒng)的一種良好方法，而且不用花時(shí)間安裝。參考資料學(xué)習(xí)您可以參閱本文在developerWorks全球站點(diǎn)上的英文原文. 查看 Fabrice Bellard 的 QEMU, a Fast and Portable Dynamic Translator ”（PDF）, 了解QEMU動(dòng)態(tài)翻譯的內(nèi)部細(xì)節(jié)。在“虛擬Linux”（developerWorks，2006年12月）中，了解其他Linux虛擬化選 項(xiàng)?！疤剿?Linux 內(nèi)核虛擬機(jī)”（developerWorks，2007 年 4 月）介紹了 Linux KVM 架 構(gòu)和它與內(nèi)核緊密集成可以改變使用Linux的方式的原因。在developerWorks Linux 專(zhuān)區(qū)中，查找更多面向Linux開(kāi)發(fā)人員的資源，查看最受 歡迎的文章和教程查看 developerWorks 上所有的Linux 技巧和Linux 教程隨時(shí)關(guān)注developerWorks技術(shù)事件和網(wǎng)絡(luò)廣播 獲得產(chǎn)品和技術(shù)從Fabrice Bellard的 Web站點(diǎn)下載QEMU開(kāi)源處理器仿真器