QEMU
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 在Linux上使用Qemu執行OpenIndiana作業系統 | |
| 開發者 | Fabrice Bellard |
|---|---|
| 目前版本 | 7.0.0（2022年4月19日） |
| 預覽版本 | 7.0.0-rc4（2022年4月12日） |
| 原始碼庫 | |
| 作業系統 | Windows，Linux，Mac OS X，FreeBSD |
| 類型 | 模擬器 |
| 許可協定 | 多種授權 |
| 網站 | www |
QEMU（quick emulator）是一款由法布里斯·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）開源仿真器（Emulator）。
其與Bochs，PearPC類似，但擁有高速（配合KVM），跨平台的特性。
QEMU是一個代管的虛擬機，它通過動態的二進制轉換，類比CPU，並且提供一組裝置模型，使它能夠執行多種未修改的客戶機OS，可以通過與KVM一起使用進而接近本地速度執行虛擬機器（接近真實電腦的速度）。
QEMU還可以為user-level的行程執行CPU仿真，進而允許了為一種架構編譯的程式在另外一種架構上面執行（藉由VMM的形式）。
系統模組
QEMU有多種模式[1]
- User mode：又稱作「使用者模式」，在這種模式下，QEMU執行針對不同指令編譯的單個Linux或Darwin/macOS程式。系統呼叫與32/64位元介面適應。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類比一個完整的電腦系統，包括外圍裝置。它可以用於在一台電腦上提供多台虛擬電腦的虛擬主機。 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鏡像的設定與遷移，並參加硬體的仿真，但是客戶端的執行則由KVM完成。
- Xen Hosting：在這種代管下，客戶端的執行幾乎完全在Xen中完成，並且對QEMU封鎖。QEMU只提供硬體仿真的支援。
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，使得效能很差，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可以在執行所有程式的情況下儲存和恢復虛擬機器的狀態。客戶作業系統（Guest Operating System）不需要修補就可以在QEMU中執行。
QEMU支援仿真各種體系結構，包括：
- IA-32（x86）個人電腦
- x86-64個人電腦
- Sun的SPARC sun4m
- Sun的SPARC sun4u
- ARM開發板（Integrator / CP和Versatile / PB）
- SH4 SHIX板
- PowerPC（PReP和Power Macintosh）
虛擬機器可以連接多種類型的實體主機硬體，包括硬碟，CD-ROM，網卡，音效卡和USB裝置。USB裝置可以是完全類比的，也可以使用主機的USB裝置（但這需要管理員權限，而且並非所有裝置皆適用）。
虛擬磁碟映像可以以特殊格式（qcow或qcow2）儲存，只占用虛擬機器作業系統實際使用的磁碟空間。此時類比的120 GB硬碟可能僅占用主機硬碟幾百MB的空間。QCOW2格式還允許建立覆蓋映像，以記錄與另一個（未修改的）基本映像檔案的區別。如此便可能將類比磁碟的內容恢復到較早狀態。例如，基本映像檔案可以儲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，使用較早的類比磁碟映像版本就行了。
QEMU可以通過網路位址轉換類比共享主機系統連接的網卡（不同型號），從而有效地允許guest虛擬機器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上的非虛擬乙太網路介面橋接，也可以實現網路連接。
QEMU整合了多種服務以允許主機和訪客系統進行通訊;例如，整合的SMB伺服器和網路埠重新導向（以允許傳入連接到虛擬機器）。它也可以在沒有引導程式的情況下引導Linux核心。
QEMU不依賴主機系統上的圖形輸出方法。相反，它可以允許通過整合的VNC伺服器訪問客戶作業系統的螢幕。它還可以使用類比的串行線，而不使用任何螢幕和適用的作業系統。
類比多個CPU進行對稱多處理（Symmetrical Multi-Processing）也是可能的。
QEMU不需要管理員權限執行，但在使用了某些提高速度的核心模組（如KQEMU），或者使用某些網路連接模組時，則需要管理員權限。
微型碼產生器
微型碼產生器（TCG）旨在消除依賴特定版本的GCC或編譯器的缺點，並將編譯合併到QEMU的執行時任務中。因此，整個翻譯階段由兩部分組成：目的碼塊（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。可選的最佳化在這兩步之間傳遞。
TCG需要專用的代碼來支援每個體系結構。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核心模組，由Fabrice Bellard撰寫，它明顯加快了在具有相同CPU架構的平台上類比x86或x86-64程式的速度。這可以通過直接在主機CPU上執行使用者模式代碼（以及可選的某些核心代碼）以及僅對核心模式和真實模式代碼使用處理器與外設類比來實現。即使宿主機CPU不支援硬體輔助虛擬化，KQEMU也可以從多個客戶作業系統執行代碼。QEMU支援大容量主記憶體，這使得它們與KQEMU不相容。較新的QEMU版本已完全取消對KQEMU的支援。
由於缺乏對KQEMU和QVM86的支援，基於核心的虛擬機器（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。
硬體輔助仿真
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管線中執行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，執行x86二進制檔案的同時，執行本機二進制檔案的平均效能達到70％。 [3]
並列仿真
使用QEMU的虛擬化解決方案能夠並列執行多個虛擬CPU。 對於使用者模式仿真，QEMU將仿真執行緒對映到宿主執行緒。 對於全系統仿真，QEMU能夠為每個虛擬CPU執行一個主機執行緒。 前提是客戶端已經更新到可以支援並列系統仿真，目前可以支援的CPU是ARM和Alpha。否則QEMU將使用單個執行緒以迴圈方式類比執行每個虛擬CPU。
與其他虛擬機器的整合
VirtualBox
VirtualBox，發布於2007年1月，使用了一些QEMU的虛擬硬體裝置，並且有內建的基於QEMUdede動態再編譯器。與KQEMU一樣，VirtualBox通過VMM（虛擬機器管理器）在宿主機上本地執行幾乎所有客戶代碼，並將再編譯僅僅用作回退機制——例如，當客戶代碼以實位址模式執行時。 [4]另外，VirtualBox使用內建的反組譯程式進行了大量的代碼分析和修補，以儘量減少再編譯。除某些功能外，VirtualBox是免費且開源的（在GPL許可下）。
Xen-HVM
Xen是虛擬機器監視器，可以使用Intel VT-x或AMD-V硬體x86虛擬化擴充以及ARM Cortex-A7和Cortex-A15虛擬化擴充在HVM（硬體虛擬機器）模式下執行。 [5]這意味著，面對domU以使用真實的裝置驅動程式進行交談的是一組真實的虛擬硬體，而不是半虛擬化裝置。
QEMU包含幾個組件：CPU仿真器，仿真裝置，通用裝置，機器描述符，使用者介面和除錯器。 QEMU中的仿真器件和通用器件組成了虛擬I/O的器件模型。它們包括PIIX3 IDE，Cirrus Logic或純VGA類比影片，RTL8139或E1000網路仿真以及ACPI支援。Xen提供APIC支援。
Xen-HVM具有基於QEMU專案的裝置仿真功能，可為虛擬機器提供虛擬I/O。硬體通過執行在dom0後端的「QEMU裝置模型」守護行程來類比。與其他QEMU執行模式（動態轉換或KVM）不同，虛擬CPU完全由管理程式管理，管理程式負責在QEMU類比主記憶體對映I/O訪問時停止虛擬CPU。
KVM
KVM（基於核心的虛擬機器）是FreeBSD和Linux的核心模組，它允許使用者空間程式訪問各種處理器的虛擬化硬體特性，這個特點使得QEMU可以為x86，PowerPC和S/390客戶提供虛擬化。當目標體系結構與主機相同時，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，它基於QEMU和KQEMU的已調諧版本，並且代管了Windows的NT版本。 在2006年6月， [6]Win4Lin發布了基於相同代碼庫的Win4Lin虛擬桌面伺服器。 Win4Lin虛擬桌面伺服器為來自Linux伺服器的精簡客戶機提供Microsoft Windows對談服務。
2006年9月，Win4Lin宣布將公司名稱更改為Virtual Bridges，並發布了Win4BSD Pro Desktop，該產品的一個埠用於FreeBSD和PC-BSD。在2007年5月發布了Win4Solaris Pro Desktop和Win4Solaris虛擬桌面伺服器後，提供了Solaris支援。[7]
SerialICE
SerialICE是一款基於QEMU的韌體除錯工具，可在QEMU內部執行系統韌體，同時通過與主機系統的串行連接訪問真實硬體。這可以用作硬體ICE的廉價替代品。
WinUAE
WinUAE Amiga仿真器在3.0.0版本中引入了對使用QEMU PPC核心的CyberStorm PPC和Blizzard 603e開發板的支援。[8]
硬體平台類比
QEMU可類比多種硬體裝置
鍵盤 SCSI控制器（AMD PCscsi和Tekram DC-390控制器中的LSI MegaRAID SAS 1078，LSI53C895A，NCR53C9x） 串行介面 音效卡（Sound Blaster 16，ES1370 PCI，Gravis Ultrasound，AC97和Intel HD Audio） 看門狗定時器（Intel 6300 ESB PCI或iB700 ISA） USB 1.x / 2.x / 3.x控制器（UHCI，EHCI，xHCI） USB裝置：音訊，藍牙配接器，HID（鍵盤/滑鼠/平板電腦），MTP，串行介面，CAC智慧卡讀卡機，儲存（僅批次傳輸和USB連接SCSI），Wacom數位板
arm
QEMU使用NEON擴充類比ARMv7指令集。它類比整合系統/ CP板，多功能底板，RealView仿真底板，基於XScale的PDA，Palm Tungsten | E PDA，諾基亞N800和諾基亞N810網際網路平板電腦等完整系統.QEMU還為Android SDK提供支援，該模擬器屬於Android SDK 。三星選擇了QEMU來幫助開發仿真'Wave'裝置。
基於Xilinx Cortex A9的Zynq SoC採用以下元素進行建模仿真：
Zynq-7000 ARM Cortex-A9 CPU Zynq-7000 ARM Cortex-A9 MPCore 三重計時器 DDR主記憶體控制器 DMA控制器（PL330） 靜態記憶體控制器（NAND / NOR快閃記憶體） SD / SDIO外設控制器（SDHCI） Zynq千兆乙太網路控制器 USB控制器（僅限EHCI - 主機支援） Zynq UART控制器 SPI和QSPI控制器 I2C控制器
衍生版本
UTM虛擬機器（UTM Virtual Machine）是一款基於QEMU的虛擬機器，支援iOS、iPadOS、macOS作業系統。[9]基於QEMU的UTM虛擬機器[10]，可支援類比30多個架構，例如x86_64，ARM64，以及RISC-V等[11]。
目前UTM支援在系統版本 iPadOS 13以上、iOS 11以上、macOS Big Sur 以上的裝置上執行。
參見
參考文獻
- ^ QEMU Internals. qemu.weilnetz.de.[永久失效連結]
- ^ QEMU PRIP 1 - support for MIPS64 Release 6 - PRPL. wiki.prplfoundation.org. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2017-04-21）.
- ^ Godson-3: A Scalable Multicore RISC Processor with x86 Emulation. IEEE. [2009-04-16].[失效連結]
- ^ VirtualBox Developer FAQ. [2015-02-02]. （原始內容存檔於2015-03-26）.
- ^ Xen ARM with Virtualization Extensions. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2018-11-16）.
- ^ win4lin VDS announcement. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2008-02-10）.
- ^ Win4Solaris announcement. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2007-12-23）.
- ^ WinUAE 3.0.0. English Amiga Board. 2014-12-17 [2016-03-25]. （原始內容存檔於2016-04-06）.
- ^ UTM. getutm.app. [2021-11-20]. （原始內容存檔於2022-01-13）.
- ^ UTM Virtual Machines 2.4.0 Cracked for macOS. Haxmac. 2021-11-02 [2021-12-06]. （原始內容存檔於2021-12-06） （美國英語）.
- ^ Documentation/Platforms - QEMU. wiki.qemu.org. [2021-11-20]. （原始內容存檔於2021-11-20）.