QEMU启动x86-Linux内核


QEMU简介

QEMU(quick emulator)是一个通用的、开源的硬件模拟器,可以模拟不同硬件架构(如x86、ARM、ARM64、MIPS、PowerPC等),是目前比较流行的跨平台仿真软件。

QEMU主要的仿真方式包括:全系统仿真和用户模式仿真。

全系统仿真,QEMU提供了整个机器的虚拟模型(包括CPU、内存和模拟设备等外设)来运行客户操作系统。该模式下,相当于系统级虚拟机。

用户模式仿真,QEMU 允许一个应用程序执行在不同架构的CPU上,该模式下,相当于进程级虚拟机。

在这里插入图片描述

本文介绍如何使用QEMU模拟器启动linux内核,使用的就是QEMU的全系统仿真模式。

linux启动流程

在开始之前,需要了解linux的开机启动流程,详细可自行查阅资料,如《鸟哥的Linux私房菜》的“Linux 的启动流程分析”。简要总结就是:BIOS,MBR,启动Bootloader,加载Kernel,挂载虚拟rootfs,挂载真实rootfs,初始化用户程序(即执行init进程)。

为什么会有虚拟rootfs?这涉及到initrd(全称boot loader initialized RAM disk,初始化的内存盘),RAM disk就是将内存的一部分分配为一个分区并作为磁盘来使用,initrd就是由 boot loader 初始化的内存盘。

initrd出现的背景。

早期,linux系统用于存储rootfs的介质一般只有硬盘或者软盘,内核集成了这些磁盘驱动程序,开机时内核可以直接挂载基于磁盘的rootfs。后来,嵌入式系统可能将rootfs存储到各种介质上,包括IDE、SCSI、SATA,Flash、u-disk等等。如果将所有介质的驱动都编译进内核,内核会越来越臃肿。索性,将所有存储介质的驱动都编译成内核模块并将其ko文件保存在rootfs中,可按需加载。那么问题来了,内核要挂载rootfs就要先加载对应存储介质驱动模块,内核要加载存储介质驱动模块,就要先挂载rootfs。先有鸡还是先有蛋?

为了解决这一矛盾,出现了基于ramdisk的initrd。initrd是一个被压缩过的小型根目录,这个目录中包含了启动阶段中必须的驱动模块,可执行文件和启动脚本。在 Bootloader 配置了 initrd 的情况下,内核启动被分成了两个阶段,第一阶段先挂载基于内存盘的虚拟roofs,把系统内存的一部分作为根文件系统挂载,执行 initrd 文件系统中的启动脚本,完成加载驱动模块等任务,第二阶段才挂载真实rootfs并执行初始化用户程序init 进程。

initrd是基于内存的块设备(即ramdisk),有个缺点就是大小固定,是过时的机制。Linux 2.6开始采用initramfs替换了initrd,initramfs(init ram filesystem)是基于内存的文件系统(即ramfs),其空间大小可动态变化,本文使用的就是 initramfs。

总结起来,就是在挂载基于磁盘的真正rootfs之前,会先挂载一个基于内存的虚拟rootfs(通过initrd或者initramfs 实现),虚拟rootfs只是起个过渡的作用,它完成一些内核不容易做到的事情,比如加载必要的驱动模块,挂载真正rootfs。

使用QEMU的全系统仿真模式启动linux内核时,BIOS、MBR和Bootloader都已经在QEMU内置好了,我们只要准备linux内核镜像和initramfs即可。本文重点演示QEMU启动内核,执行到基于内存的虚拟rootfs就结束了,并没有准备真实rootfs。

linux内核镜像可通过编译内核源码获得,initramfs可以使用 busybox 来制作。

我的环境

宿主机硬件平台:x86_64
宿主机操作系统:Ubuntu 20.04 (Linux 5.4.0-139-generic)
QEMU版本:qemu-4.2.1
实验内核:linux-5.19
busybox版本:busybox-1.35.0

安装QEMU

qemu安装方式有两种:Linux软件包安装、源码编译安装。

软件包安装

$ sudo apt-get install qemu-system-x86

$ qemu-system-x86_64 --version
QEMU emulator version 4.2.1 (Debian 1:4.2-3ubuntu6.24)
Copyright (c) 2003-2019 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

源码安装

官方Documentation有详细介绍 Building QEMU for Linux可供参考。

安装依赖项,如果不知道自己环境装了没有,也可以不急着安装,可根据编译错误提示安装对应依赖项即可:

sudo apt-get install git libglib2.0-dev libfdt-dev libpixman-1-dev zlib1g-dev ninja-build

下载编译:

$ mkdir ~/kvm
$ cd ~/kvm/
$ wget https://download.qemu.org/qemu-7.2.0.tar.xz
$ tar -xf qemu-7.2.0.tar.xz
$ cd qemu-7.2.0
$ ./configure --target-list=x86_64-softmmu
$ make -j`nproc`

说明:

  1. 默认会编译所有平台(如arm、i386、x86_64等)的QEMU,这会很慢,加上 --target-list=x86_64-softmmu 选项只编译我环境所需的 x86_64 版本,以加快编译速度。
  2. make加上-j选项可加快编译速度,nproc命令用于获取可用的CPU核数,一般来说,-j最大并行任务数可设为CPU数量的2倍。

编译结果在源码目录的build子目录下:

$ ./build/qemu-system-x86_64 --version
QEMU emulator version 7.2.0
Copyright (c) 2003-2022 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

源码编译过程中我遇到的依赖问题有:

报错1:

$ ./configure
Using './build' as the directory for build output
 
ERROR: Cannot find Ninja

解决1:

$ sudo apt-get install ninja-build

报错2:

$ ./configure 
Using './build' as the directory for build output

ERROR: glib-2.56 gthread-2.0 is required to compile QEMU

解决2:

$ sudo apt-get install libglib2.0-dev

报错3:

$ ./configure 
Using './build' as the directory for build output

../meson.build:553:2: ERROR: Dependency "pixman-1" not found, tried pkgconfig

ERROR: meson setup failed

解决 3:

$ sudo apt-get install libpixman-1-dev

编译linux内核

$ mkdir ~/kvm
$ cd ~/kvm/
$ wget https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git/snapshot/linux-5.19.tar.gz
$ tar -xf linux-5.19.tar.gz
$ cd linux-5.19/
$ make defconfig
$ make menuconfig
$ make -j `nproc`

看到以下日志就表示编译成功:

Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready

其中bzImage文件就是编译后的内核镜像文件:

$ file arch/x86/boot/bzImage
arch/x86/boot/bzImage: Linux kernel x86 boot executable bzImage, version 5.19.0 (kaoya@kaoya-Inspiron-7472) #1 SMP PREEMPT_DYNAMIC Mon Feb 27 00:26:06 CST 2023, RO-rootFS, swap_dev 0xA, Normal VGA

说明:
3. 本次实验make menuconfig并未做任何修改,直接选择保存、退出。
4. make加上-j选项可加快编译速度,nproc命令用于获取可用的CPU核数,一般来说,-j最大并行任务数可设为CPU数量的2倍。
5. make过程可能会因为系统缺少依赖项而导致报错,根据提示安装对应依赖项即可。

我的环境在make过程中报错及其解决方法如下:
$ sudo apt install bison
报错1:

$ make defconfig

 /bin/sh: 1: flex: not found

解决1:

$ sudo apt install flex

报错2:

$ make defconfig

/bin/sh: 1: bison: not found

解决2:

在这里插入代码片

编译busybox

$ mkdir ~/kvm
$ cd ~/kvm/
$ wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.35.0.tar.bz2
$ tar -xf busybox-1.35.0.tar.bz2
$ cd busybox-1.35.0/
$ make menuconfig

# 修改配置,选中如下项目,静态编译
# Settings –> Build Options –> [*] Build static binary(no share libs)

# 反选如下项目,否则后续qemu执行会提示 /bin/sh:can't access tty;job control turned off
# Shells  --->  [ ]   Job control

$ make -j `nproc`
$ make install

装完后会 默认安装到源码目录的 _install/ 目录下:

$ ls _install/
bin  linuxrc  sbin  usr

最关键的就是_install/bin/busybox,其他都是链接文件。

$ file _install/bin/busybox 
_install/bin/busybox: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=8be05d97976fc5de35a9ebf2631529223523296f, for GNU/Linux 3.2.0, stripped

制作initramfs

使用busybox快速制作initramfs。

创建虚拟rootfs中的inti启动脚本,并赋予可执行权限:

$ cd ~/kvm/busybox-1.35.0/_install/
$ mkdir proc sys dev tmp
$ touch init
$ chmod +x init

脚本内容:

#!/bin/sh

# 挂载一些必要的文件系统
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t tmpfs none /tmp
mount -t devtmpfs none /dev

echo
echo "Hello Linux"

# 显示开机消耗时间

echo "This boot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds"
echo

# 停留在控制台
exec /bin/sh

制作initramfs文件,它是多个文件通过cpio打包和gzip压缩的文件,是一个cpio格式的内存文件系统。

$ find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz

使用QEMU启动linux内核

linux内核镜像和initramfs都准备好,就可以使用QEMU启动linux内核了。

以图形界面的方式启动QEMU:

$ cd ~/kvm/
$ qemu-system-x86_64 \
        -kernel ./linux-5.19/arch/x86/boot/bzImage \
        -initrd ./busybox-1.35.0/initramfs.cpio.gz \
        -append "init=/init"

以字符界面方式启动QEMU(不启动图形界面),同时日志输出到控制台:

$ qemu-system-x86_64 \
        -kernel ./linux-5.19/arch/x86/boot/bzImage \
        -initrd ./busybox-1.35.0/initramfs.cpio.gz \
        -nographic \
        -append "init=/init console=ttyS0"

QEMU参数说明(更多可参考:Standard options):

  • -kernel:指定启动的内核镜像;
  • -initrd:指定启动的内存文件系统;
  • -append:传递给内核的启动参数;启动后可使用cat /proc/cmdline命令核对。
  • -nographic:启动字符界面(不启动图形界面),输出重定向到宿主机命令行,与参数 console=ttyS0 组合使用;

图形界面操作使用工具栏菜单即可,字符界面操作使用快捷键如下所示(更多可参考:Keys in the character backend multiplexer):

C-a h print this help
C-a x exit emulator
C-a s save disk data back to file (if -snapshot)
C-a t toggle console timestamps
C-a b send break (magic sysrq)
C-a c switch between console and monitor
C-a C-a sends C-a

简化命令

为了简化命令输入,可以创建一个Makefile,内容如下:

$ vim ~/kvm/Makefile

initramfs:
	cd busybox-1.35.0/_install/ && find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../initramfs.cpio.gz
        
run-win:
	qemu-system-x86_64 \
			-kernel ./linux-5.19/arch/x86/boot/bzImage \
			-initrd ./busybox-1.35.0/initramfs.cpio.gz \
			-append "init=/init"
        
run-console:
	qemu-system-x86_64 \
			-kernel ./linux-5.19/arch/x86/boot/bzImage \
			-initrd ./busybox-1.35.0/initramfs.cpio.gz \
			-nographic \
			-append "init=/init console=ttyS0"
  • make initramfs:制作initramfs;
  • make run-win:以图形界面的方式启动QEMU;
  • make run-console:以字符界面方式启动QEMU;

参考

QEMU官方文档:https://www.qemu.org/docs/master/
QEMU维基百科:https://wiki.qemu.org/Documentation

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