QEMU
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 在Linux上使用Qemu运行OpenIndiana操作系统 | |
| 開發者 | Fabrice Bellard |
|---|---|
| 当前版本 | 7.0.0（2022年4月19日） |
| 预览版本 | 7.0.0-rc4（2022年4月12日） |
| 源代码库 | |
| 操作系统 | Windows，Linux，Mac OS X，FreeBSD |
| 类型 | 模擬器 |
| 许可协议 | 多種授權 |
| 网站 | www |
QEMU（quick emulator）是一款由法布裡斯·貝拉（Fabrice Bellard）等人編寫的通用且免費的可執行硬體虛擬化的（hardware virtualization）開源模擬器（Emulator）。
其與Bochs，PearPC類似，但擁有高速（配合KVM），跨平臺的特性。
QEMU是一個托管的虛擬機，它通過動態的二進制轉換，模擬CPU，並且提供一組設備模型，使它能夠執行多種未修改的客戶端OS，可以通過與KVM一起使用並且接近本地速度運行模擬機（接近真實電腦速度）。
QEMU還可以為user-level的進程執行CPU模擬，進而允許了為一種架構編譯的程式在另外一種架構上面運行（藉由VMM的形式）。
系統模組
QEMU有多種模式
User mode：又稱作“使用者模式”，在這種模式下，QEMU運行針對不同指令編譯的單個Linux或Darwin/macOS程式。系統調用與32/64位介面適應。在這種模式下，我們可以實現交叉編譯（cross-compilation）與交叉偵錯（cross- debugging）。
System mode：“系統模式”，在這種模式下，QEMU模擬一個完整的計算機系統，包括外圍設備。它可以用於在一臺計算機上提供多台虛擬計算機的虛擬主機。 QEMU可以實現許多客戶機OS的引導，比如x86，MIPS，32-bit ARMv7，PowerPC等等。
KVM Hosting：QEMU在這時處理KVM鏡像的設置與遷移，並參加硬體的模擬，但是客戶端的執行則由KVM完成。
Xen Hosting：在這種托管下，客戶端的執行幾乎完全在Xen中完成，並且對QEMU屏蔽。QEMU只提供硬體模擬的支持。
架構
QEMU的架構由純軟體實現，並在Guest與Host中間，來處理Guest的硬體請求，並由其轉譯給真正的硬體。
然而因為QEMU是純軟體實現的，所有的指令都要經過QEMU，使得性能很差，而配合KVM則可以解決這一問題。
QEMU虛擬化的思路是：提取Guest代碼，翻譯為TCG中間代碼，而後翻譯為Host代碼。相當於實現了一個“中間人”的角色。
特性
QEMU可以在運行所有程序的情况下保存和恢復虛擬機的狀態。客户操作系统（Guest Operating System）不需要修補就可以在QEMU中運行。
QEMU支持仿真各种體系結構，包括：
- IA-32（x86）个人电脑
- x86-64个人电脑
- Sun的SPARC sun4m
- Sun的SPARC sun4u
- ARM开发板（Integrator / CP和Versatile / PB）
- SH4 SHIX板
- PowerPC（PReP和Power Macintosh）
虛擬機可以連接多種類型的實體主機硬體，包括硬盤，CD-ROM，網卡，音效卡和USB設備。USB設備可以是完全模擬的，也可以使用主機的USB設備（但這需要管理員權限，而且並非所有設備皆適用）。
虛擬磁盤映像可以以特殊格式（qcow或qcow2）儲存，只占用虛擬機操作系統實際使用的磁盤空間。此時模擬的120 GB硬碟可能僅占用主機硬碟幾百MB的空間。QCOW2格式還允許創建覆蓋映像，以記錄與另一個（未修改的）基本映像文件的區別。如此便可能將模擬磁盤的內容恢復到較早狀態。例如，基本映像文件可以保存已知可順利運作的全新安裝系統，但操作時使用覆蓋映像。萬一訪客系統故障（如因病毒攻擊，意外的系統破壞等），使用者可以刪除覆蓋映像，使用較早的模擬磁盤映像版本就行了。
QEMU可以通過網路地址轉換模擬共用主機系統連接的網卡（不同型號），從而有效地允許guest虛擬機使用與主機相同的網路。虛擬網卡還可以連接到其他QEMU實例的網卡或本地TAP介面。通過使用主機OS的橋接功能，將QEMU使用的TUN / TAP介面與主機OS上的非虛擬以太網介面橋接，也可以實現網路連接。
QEMU集成了多種服務以允許主機和訪客系統進行通信;例如，集成的SMB服務器和網路埠重定向（以允許傳入連接到虛擬機）。它也可以在沒有引導程式的情況下引導Linux內核。
QEMU不依賴主機系統上的圖形輸出方法。相反，它可以允許通過集成的VNC服務器訪問客戶操作系統的屏幕。它還可以使用模擬的串列線，而不使用任何屏幕和適用的操作系統。
模擬多個CPU進行對稱多處理（Symmetrical Multi-Processing）也是可能的。
QEMU不需要管理員權限運行，但在使用了某些提高速度的內核模組（如KQEMU），或者使用某些網路連接模組時，則需要管理員權限。
微型代碼生成器
微型代碼生成器（TCG）旨在消除依賴特定版本的GCC或編譯器的缺點，並將編譯合並到QEMU的運行時任務中。因此，整個翻譯階段由兩部分組成：目標代碼塊（TB）以TCG指令（一種機器無關的中間符號）重寫 ，隨後TCG為宿主機架構執行編譯。可選的優化在這兩步之間傳遞。
TCG需要專用的代碼來支持每個體系結構。它還要求重寫目標指令集翻譯過程以利用TCG指令，而不是以前使用的dyngen指令。
加速器
KQEMU是一個Linux內核模塊，由Fabrice Bellard撰寫，它明顯加快了在具有相同CPU架構的平臺上模擬x86或x86-64程式的速度。這可以通過直接在主機CPU上運行用戶模式代碼（以及可選的某些內核代碼）以及僅對內核模式和實模式代碼使用處理器與外設模擬來實現。即使宿主機CPU不支持硬體輔助虛擬化，KQEMU也可以從多個客戶操作系統執行代碼。QEMU支持大容量內存，這使得它們與KQEMU不相容。較新的QEMU版本已完全取消對KQEMU的支持。
由於缺乏對KQEMU和QVM86的支持，基於內核的虛擬機（KVM）已經基本成為基於Linux的硬體輔助虛擬化解決方案，與QEMU一起使用。
英特爾的硬體加速執行管理器（HAXM）是KVM在Windows和MacOS上基於x86的硬體輔助虛擬化的開源替代品。2013年，英特爾使用QEMU來進行Android開發。硬體輔助模擬
MIPS相容的龍芯3處理器增加了200條新指令來幫助QEMU翻譯x86指令，這些新指令降低了在MIPS流水線中執行x86 / CISC風格指令的開銷。由於中國科學院對QEMU進行了進一步改進，龍芯3在9個基準測試中，運行x86二進制文件的同時，執行本機二進制文件的平均性能達到70％。
並行模擬
使用QEMU的虚拟化解决方案能够并行执行多个虚拟CPU。 对于用户模式仿真，QEMU将仿真线程映射到宿主线程。 对于全系统仿真，QEMU能够为每个虚拟CPU运行一个主机线程。 前提是客户端已经更新到可以支持并行系统仿真，目前可以支持的CPU是ARM和Alpha。否则QEMU将使用单个线程以循环方式模拟执行每个虚拟CPU。
与其他虚拟机的集成
VirtualBox
VirtualBox，发布于2007年1月，使用了一些QEMU的虚拟硬件设备，并且有内置的基于QEMUdede动态再编译器。与KQEMU一样，VirtualBox通过VMM（虚拟机管理器）在宿主机上本地运行几乎所有客户代码，并将再编译仅仅用作回退机制——例如，当客户代码以实地址模式执行时。 [2]另外，VirtualBox使用内置的反汇编程序进行了大量的代码分析和修补，以尽量减少再编译。除某些功能外，VirtualBox是免费且开源的（在GPL许可下）。
Xen-HVM
Xen是虚拟机监视器，可以使用Intel VT-x或AMD-V硬件x86虚拟化扩展以及ARM Cortex-A7和Cortex-A15虚拟化扩展在HVM（硬件虚拟机）模式下运行。 [3]这意味着，面对domU以使用真实的设备驱动程序进行交谈的是一组真实的虚拟硬件，而不是半虚拟化设备。
QEMU包含几个组件：CPU仿真器，仿真设备，通用设备，机器描述符，用户界面和调试器。 QEMU中的仿真器件和通用器件组成了虚拟I/O的器件模型。它们包括PIIX3 IDE，Cirrus Logic或纯VGA模拟视频，RTL8139或E1000网络仿真以及ACPI支持。Xen提供APIC支持。
Xen-HVM具有基于QEMU项目的设备仿真功能，可为虚拟机提供虚拟I/O。硬件通过运行在dom0后端的“QEMU设备模型”守护进程来模拟。与其他QEMU运行模式（动态转换或KVM）不同，虚拟CPU完全由管理程序管理，管理程序负责在QEMU模拟内存映射I/O访问时停止虚拟CPU。
KVM
KVM（基于内核的虚拟机）是FreeBSD和Linux的内核模块，它允许用户空间程序访问各种处理器的虚拟化硬件特性，这个特点使得QEMU可以为x86，PowerPC和S/390客户提供虚拟化。当目标体系结构与主机相同时，QEMU可以使用KVM特有的功能，比如加速功能。
Win4Lin Pro Desktop
在2005年初，Win4Lin推出了Win4Lin Pro Desktop，它基于QEMU和KQEMU的已调谐版本，并且托管了Windows的NT版本。 在2006年6月， [4]Win4Lin发布了基于相同代码库的Win4Lin虚拟桌面服务器。 Win4Lin虚拟桌面服务器为来自Linux服务器的精简客户机提供Microsoft Windows会话服务。
2006年9月，Win4Lin宣布将公司名称更改为Virtual Bridges，并发布了Win4BSD Pro Desktop，该产品的一个端口用于FreeBSD和PC-BSD。在2007年5月发布了Win4Solaris Pro Desktop和Win4Solaris虚拟桌面服务器后，提供了Solaris支持。[5]
SerialICE
SerialICE是一款基于QEMU的固件调试工具，可在QEMU内部运行系统固件，同时通过与主机系统的串行连接访问真实硬件。这可以用作硬件ICE的廉价替代品。
WinUAE
WinUAE Amiga仿真器在3.0.0版本中引入了对使用QEMU PPC内核的CyberStorm PPC和Blizzard 603e开发板的支持。[6]
硬件平台模拟
QEMU可模拟多种硬件设备
键盘 SCSI控制器（AMD PCscsi和Tekram DC-390控制器中的LSI MegaRAID SAS 1078，LSI53C895A，NCR53C9x） 串行接口 声卡（Sound Blaster 16，ES1370 PCI，Gravis Ultrasound，AC97和Intel HD Audio） 看门狗定时器（Intel 6300 ESB PCI或iB700 ISA） USB 1.x / 2.x / 3.x控制器（UHCI，EHCI，xHCI） USB设备：音频，蓝牙适配器，HID（键盘/鼠标/平板电脑），MTP，串行接口，CAC智能卡读卡器，存储（仅批量传输和USB连接SCSI），Wacom数位板
arm
QEMU使用NEON扩展模拟ARMv7指令集。它模拟整合系统/ CP板，多功能底板，RealView仿真底板，基于XScale的PDA，Palm Tungsten | E PDA，诺基亚N800和诺基亚N810互联网平板电脑等完整系统.QEMU还为Android SDK提供支持，该模拟器属于Android SDK 。三星选择了QEMU来帮助开发仿真'Wave'设备。
基于Xilinx Cortex A9的Zynq SoC采用以下元素进行建模仿真：
Zynq-7000 ARM Cortex-A9 CPU Zynq-7000 ARM Cortex-A9 MPCore 三重计时器 DDR内存控制器 DMA控制器（PL330） 静态存储器控制器（NAND / NOR闪存） SD / SDIO外设控制器（SDHCI） Zynq千兆以太网控制器 USB控制器（仅限EHCI - 主机支持） Zynq UART控制器 SPI和QSPI控制器 I2C控制器
派生版本
UTM虚拟机（UTM Virtual Machine）是一款基于QEMU的虚拟机，支持iOS、iPadOS、macOS操作系统。[7]基于QEMU的UTM虚拟机[8]，可支持模拟30多个架构，例如x86_64，ARM64，以及RISC-V等[9]。
目前UTM支持在系统版本 iPadOS 13以上、iOS 11以上、macOS Big Sur 以上的设备上运行。
参见
參考文獻
- ^ QEMU PRIP 1 - support for MIPS64 Release 6 - PRPL. wiki.prplfoundation.org. [2019-01-20]. （原始内容存档于2017-04-21）.
- ^ VirtualBox Developer FAQ. [2015-02-02]. （原始内容存档于2015-03-26）.
- ^ Xen ARM with Virtualization Extensions. [2019-01-20]. （原始内容存档于2018-11-16）.
- ^ win4lin VDS announcement. [2019-01-20]. （原始内容存档于2008-02-10）.
- ^ Win4Solaris announcement. [2019-01-20]. （原始内容存档于2007-12-23）.
- ^ WinUAE 3.0.0. English Amiga Board. 2014-12-17 [2016-03-25]. （原始内容存档于2016-04-06）.
- ^ UTM. getutm.app. [2021-11-20]. （原始内容存档于2022-01-13）.
- ^ UTM Virtual Machines 2.4.0 Cracked for macOS. Haxmac. 2021-11-02 [2021-12-06]. （原始内容存档于2021-12-06） （美国英语）.
- ^ Documentation/Platforms - QEMU. wiki.qemu.org. [2021-11-20]. （原始内容存档于2021-11-20）.