QEMU 模拟器

什么是模拟器

1. qemu
2. bochs

操作系统：直接通过指令对硬件进行控制

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||  Operation System (操作系统): Linux, xv6 ||
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            |                    |
            |  Instruction(x86)  |
            v                    v
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||  Hardware(硬件): 硬盘，鼠标，显示器      ||
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模拟器：直接通过指令对硬件进行控制

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|| Host OS: Ubuntu                          ||
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||      | 调试操作系统: xv6-riscv        |  ||
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||          |                     |         ||
||          |  Instruction(riscv) |         ||
||          V                     v         ||
||      +--------------------------------+  ||
||      | Simulator(模拟器): QEMU, Bochs |  ||
||      |    作为软件运行在宿主机器      |  ||
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||              |                           ||
||              | 宿主操作系统指令(x86)     ||
||              |                           ||
||              V                           ||
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            |                    |
            |  Instruction(x86)  |
            v                    v
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||  Hardware(硬件): 硬盘，鼠标，显示器      ||
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操作系统启动过程

1. 启动 BIOS Basic Input/Output System，基本输入输出系统。
   1. 供电初始化 按下电源开关后，电源就开始给主板和其他设备供电，CPU 会把所有寄 存器的值都设为默认值，即恢复初始状态。随后 CPU 会执行初始位置的指令，跳转到 BIOS 启动代码位置，开始启动 BIOS。
   2. POST 硬件自检 BIOS 首先进行 POST（Power On Self Test，硬件自检），检查计算 机硬件是否满足运行的基本条件，并完成相应的初始化工作。如果发现了问题，主板会 发出不同的蜂鸣声表示不同的问题。
   3. 搜索可引导的存储设备 BIOS 按照启动顺序开始搜索可引导的存储设备，找到后，会 将存储设备中的引导扇区读入物理内存，并执行引导扇区中的程序，开始系统引导。
   4. BIOS 是按照顺序依次搜索可引导的存储设备的，这个顺序就叫启动顺序（Boot Sequence），可以在 BIOS 中进行查看和修改。
2. 系统引导
   1. 读取 MBR 读取并执行硬盘的第一个扇区，即 MBR（Master Boot Record，主引导记 录，大小为 512 字节）。其作用为告诉计算机到硬盘的哪一个位置去找操作系统。MBR 的结构如下：
      • 第 1-446 字节：调用操作系统的机器码，可以被 CPU 直接执行
      • 第 447-510 字节：分区表（Partition Table），将硬盘分为了若干个分区
      • 第 511-512 字节：记录签名（0x55 和 0xAA），表示设备可以用于启动
   2. 查找活动分区 搜索 MBR 中的分区表，找到唯一的活动分区（Active Partition）， 并将活动分区的第一个扇区中的引导扇区（称为 卷引导记录，Volume Boot Record， VBR）读入内存，就能找到操作系统在这个分区中的位置。然后，计算机就会开始加载 操作系统了。
3. 启动系统 由于一台计算机中可以安装多个操作系统，所以启动系统时也会有不同的情 况。当有多个操作系统时，会运行启动管理器（Boot Loader），让用户选择启动操作系 统； 当只有一个操作系统时，就会直接从激活分区中启动操作系统（当然也可以选择将 控制权交 给启动管理器，boot loader 可以存在 MBR 中，也可以存在主分区的引导扇 区中）。
4. 初始化系统 操作系统启动后，控制权就从 boot loader 转交给了操作系统，之后， 操作系统的内核首先被载入缓存，随后会运行初始化进程进行操作系统的初始化。

至此，整个计算机的启动过程就完成了。

普通启动

存储设备

1. 软盘 -fda
2. 硬盘 -hda
3. 光盘介质 -cdrom

man qemu

启动 linux 0.11 系统

1. 指定软盘 Image
2. 指定硬盘 hdc-0.11.img
3. -boot a 表示从软盘启动, man qemu … /-boot

qemu-system-i386 -boot a -fda Image -hda hdc-0.11.img

启动 xv6, 控制系统硬件参数

1. -smp CPU 数据
2. -m 内存大小
3. -nographic 表示不启动图形界面, 无图形界面的常用快捷键如下：
   • ctrl-a x 退出 qemu
   • ctrl-a c 切换串口
   • ctrl-a h 帮助

qemu-system-i386 -smp 2 -m 512 -nographic -hda xv6.img -hdb fs.img

另外存储驱动也可以使用下面方法指定

qemu-system-i386 -smp 2 -m 512 -nographic \
    -drive file=fs.img,index=1,media=disk,format=raw \
    -drive file=xv6.img,index=0,media=disk,format=raw

initrd 启动

initrd 全称是 initial RAM disk ，它提供一种让核心可以简单使用 Ramdisk 的能力

1. 格式化一个 Ramdisk
2. 加载文件系统内容到 Ramdisk
3. 将 Ramdisk 作为根文件系统

MINIX 3 的 initrd 启动

cd /data/os/minix/obj.i386/work
qemu-system-i386 \
    --enable-kvm \
    -m 1G \
    -kernel kernel \
    -append "bootramdisk=1" \
    -initrd "mod01_ds,mod02_rs,mod03_pm,mod04_sched,mod05_vfs,mod06_memory,mod07_tty,mod08_mib,mod09_vm,mod10_pfs,mod11_mfs,mod12_init"

Linux 内核启动方式

cd /data/os/x86_64/buildroot-2023.02.5/output/images

qemu-system-x86_64 \
    -M pc \
    -nographic \
    -kernel bzImage \
    -drive file=rootfs.ext2,if=virtio,format=raw \
    -append "rootwait root=/dev/vda console=tty1 console=ttyS0" \
    -net nic,model=virtio -net user

GDB 调试 XV6

qemu 通过 gdb server 来支持 gdb 调试，启动时需要添加下面选项来开启调试

1. -S 启动时不要立即执行 CPU 指令，等待 c 命令
2. -s 开启 gdb 监听端口 1234, 这样 gdb 可以使用下面命令来链接到 qemu

   (gdb) target remote :1234
       

3. -s 也可以是 -gdb tcp::1234 的简写，也可以制定其他端口

以 xv6-public 为例，通过 make qemu-nox-gdb 可以开启调试

sed "s/localhost:1234/localhost:26000/" < .gdbinit.tmpl > .gdbinit
qemu-system-i386 \
    -nographic -drive file=fs.img,index=1,media=disk,format=raw \
    -drive file=xv6.img,index=0,media=disk,format=raw -smp 2 -m 512 \
    -S -gdb tcp::26000

模拟器的优缺点

1. 优点
   • 方便快捷，无需重启电脑
   • 可以作为 gdb server 来调试
   • 提供了丰富的调试命令, info regs, info tlb
   • 支持多架构 x86, riscv, arm, mips 等
   • 开源免费
2. 缺点
   • 模拟器性能会有一些损耗