QEMU

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QEMU
在Linux上使用Qemu執行OpenIndiana作業系統
在Linux上使用Qemu執行OpenIndiana作業系統
開發者Fabrice Bellard
目前版本
  • 9.0.0 (2024年4月23日；穩定版本)[1]
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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.org/ 編輯維基數據

QEMU（Quick Emulator）是一款免費開源模擬器，由法布里斯·貝拉（Fabrice Bellard）等人編寫。其與Bochs，PearPC類似，但擁有高速（配合KVM）、跨平台的特性。

QEMU是一個寄存的虛擬機器，它使用動態二進制轉換技術來模擬處理器，並且提供多種硬件和外設模型，這使它能夠執行多種未修改的客戶機作業系統，能與KVM配合以接近本地速度執行虛擬機器（接近真實電腦的速度）。

QEMU可以執行用戶級的行程仿真，從而可以使為某一架構編譯的程式在另一架構上執行（通過 VMM 的形式實現）。

系統模組

QEMU有多種模式[2]：

  • User mode：又稱作「用戶模式」，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模擬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鏡像的設置與遷移，並參加硬件的仿真，但是客戶端的執行則由KVM完成。
  • Xen Hosting：在這種寄存下，客戶端的執行幾乎完全在Xen中完成，並且對QEMU封鎖。QEMU只提供硬件仿真的支援。

架構

QEMU的架構由純軟件實現，並在Guest與Host中間，來處理Guest的硬件請求，並由其轉譯給真正的硬件。

然而因為QEMU是純軟件實現的，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
  • ARM開發板（Integrator / CP和Versatile / PB）
  • PowerPC（PReP和Power Macintosh）

虛擬機器可以連接多種類型的實體主機硬件，包括硬碟，CD-ROM，網卡，音效卡和USB裝置。USB裝置可以是完全模擬的，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，只佔用虛擬機器作業系統實際使用的磁碟空間。此時模擬的120 GB硬碟可能僅佔用主機硬碟幾百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。如此便可能將模擬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），用戶可以刪除覆蓋映像，使用較早的模擬磁碟映像版本就行了。


QEMU可以通過網絡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虛擬機器使用與主機相同的網絡。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，也可以實現網絡連接。

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伺服器和網絡埠重新導向（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，它可以允許通過整合的VNC伺服器訪問客戶作業系統的熒幕。它還可以使用模擬的串行線，而不使用任何熒幕和適用的作業系統。

模擬多個CPU進行對稱多處理（Symmetrical Multi-Processing）也是可能的。

QEMU不需要管理員權限執行，但在使用了某些提高速度的內核模組（如KQEMU），或者使用某些網絡連接模組時，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：目標碼塊（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內核模組，由Fabrice Bellard撰寫，它明顯加快了在具有相同CPU架構的平台上模擬x86或x86-64程式的速度。這可以通過直接在主機CPU上執行用戶模式代碼（以及可選的某些內核代碼）以及僅對內核模式和真實模式代碼使用處理器與外設模擬來實現。即使宿主機CPU不支援硬件輔助虛擬化，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，基於內核的虛擬機器（KVM）已經基本成為基於Linux的硬件輔助虛擬化解決方案，與QEMU一起使用。

英特爾的硬件加速執行管理器（HAXM）是KVM在Windows和MacOS上基於x86的硬件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。

硬件輔助仿真

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管線化中執行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％。 [4]

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。 對於用戶模式仿真，QEMU將仿真線程對映到宿主線程。 對於全系統仿真，QEMU能夠為每個虛擬CPU執行一個主機線程。 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將使用單個線程以迴圈方式模擬執行每個虛擬CPU。

與其他虛擬機器的整合

VirtualBox

VirtualBox，發佈於2007年1月，使用了一些QEMU的虛擬硬件裝置，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，當客戶代碼以實地址模式執行時。 [5]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硬件x86虛擬化擴充以及ARM Cortex-A7和Cortex-A15虛擬化擴充在HVM（硬件虛擬機器）模式下執行。 [6]這意味着，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件，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，用戶介面和除錯器。 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模擬影片，RTL8139或E1000網絡仿真以及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。硬件通過執行在dom0後端的「QEMU裝置模型」守護行程來模擬。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模擬記憶體對映I/O訪問時停止虛擬CPU。

KVM

KVM（基於內核的虛擬機器）是FreeBSD和Linux的內核模組，它允許用戶空間程式訪問各種處理器的虛擬化硬件特性，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，並且寄存了Windows的NT版本。 在2006年6月， [7]Win4Lin發佈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宣佈將公司名稱更改為Virtual Bridges，並發佈了Win4BSD Pro Desktop，該產品的一個埠用於FreeBSD和PC-BSD。在2007年5月發佈了Win4Solaris Pro Desktop和Win4Solaris虛擬桌面伺服器後，提供了Solaris支援。[8]

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件。這可以用作硬件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內核的CyberStorm PPC和Blizzard 603e開發板的支援。[9]

硬件平台模擬

QEMU可模擬多種硬件裝置

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：音頻，藍牙配接器，HID（鍵盤/滑鼠/平板電腦），MTP，串行介面，CAC智能卡讀卡器，儲存（僅批次傳輸和USB連接SCSI），Wacom數碼板

arm

QEMU使用NEON擴充模擬ARMv7指令集。它模擬整合系統/ 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互聯網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 2.0在iPadOS 14上的熒幕截圖

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。[10]基於QEMU的UTM虛擬機器[11]，可支援模擬30多個架構，例如x86_64，ARM64，以及RISC-V等[12]。

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

  1. ^ "[ANNOUNCE QEMU 9.0.0 is now available"]; 作者姓名字串: Michael Roth; 出版日期: 2024年4月23日; 檢索日期: 2024年4月24日.
  2. ^ QEMU Internals. qemu.weilnetz.de. [永久失效連結]
  3. ^ 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）. 
  4. ^ Godson-3: A Scalable Multicore RISC Processor with x86 Emulation. IEEE. [2009-04-16]. [失效連結]
  5. ^ VirtualBox Developer FAQ. [2015-02-02]. （原始內容存檔於2015-03-26）. 
  6. ^ Xen ARM with Virtualization Extensions. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2018-11-16）. 
  7. ^ win4lin VDS announcement. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2008-02-10）. 
  8. ^ Win4Solaris announcement. [2019-01-20]. （原始內容存檔於2007-12-23）. 
  9. ^ WinUAE 3.0.0. English Amiga Board. 2014-12-17 [2016-03-25]. （原始內容存檔於2016-04-06）. 
  10. ^ UTM. getutm.app. [2021-11-20]. （原始內容存檔於2022-01-13）. 
  11. ^ 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）. 
  12. ^ Documentation/Platforms - QEMU. wiki.qemu.org. [2021-11-20]. （原始內容存檔於2021-11-20）. 

外部連結

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