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QEMU(quick emulator)是一款由Fabrice Bellard等人编写的免费的可执行硬件虚拟化的(hardware virtualization)开源托管虚拟机(VMM)。

QEMU
Qemu logo.svg
Qemu linux.png
在Linux上使用Qemu运行ReactOS操作系统
開發者 Fabrice Bellard
穩定版本
3.1.0
( 2018年12月11日,​4個月前​(2018-12-11
預覽版本
4.0.0-rc1
( 2019年3月26日,​21天前​(2019-03-26
源代码库 編輯維基數據鏈接
操作系统 WindowsLinuxMac OS XFreeBSD
类型 模擬器
许可协议 多種授權
网站 www.qemu-project.org

其与BochsPearPC类似,但拥有高速(配合KVM),跨平台的特性。

QEMU是一个托管的虚拟机镜像,它通过动态的二进制转换,模拟CPU,并且提供一组设备模型,使它能够运行多种未修改的客户机OS,可以通过与KVM(kernel-based virtual machine开源加速器)一起使用进而接近本地速度运行虚拟机(接近真实电脑的速度)。

QEMU还可以为user-level的进程执行CPU仿真,进而允许了为一种架构编译的程序在另外一中架构上面运行(藉由VMM的形式)。


目录

系统模块编辑

QEMU有多种模式[1]

  • User mod:又称作“使用者模式”,在这种模块下,QEMU运行针对不同指令编译的单个LinuxDarwin/macOS程序。系统调用与32/64位接口适应。在这种模式下,我们可以实现交叉编译(cross-compilation)与交叉偵错(cross- debugging)。
  • System mod:“系统模式”,在这种模式下,QEMU模拟一个完整的计算机系统,包括外围设备。它可以用于在一台计算机上提供多台虚拟计算机的虚拟主机。 QEMU可以实现许多客户机OS的引导,比如x86,MIPS,32-bit ARMv7,PowerPC等等。
  • KVM Hosting:QEMU在这时处理KVM镜像的设置与迁移,并参加硬件的仿真,但是客户端的执行则由KVM完成。
  • Xen Hosting:在这种托管下,客户端的执行几乎完全在Xen中完成,并且对QEMU屏蔽。QEMU只提供硬件仿真的支持。

架构编辑

QEMU的架构由纯软件实现,并在Guest与Host中间,来处理Guest的硬件请求,并由其转译给真正的硬件。

然而因为QEMU是纯软件实现的,所有的指令都要经过QEMU,使得性能很差,而配合KVM则可以解决这一问题。

QEMU虚拟化的思路是:提取Guest代码,翻译为TCG中间代码,而后翻译为Host代码。相当于实现了一个“中间人”的角色。

特性编辑

QEMU可以在运行所有程序的情况下保存和恢复虚拟机的状态。客户操作系统(Guest Operating System)不需要修补就可以在QEMU中运行。

QEMU支持仿真各种体系结构,包括:

  • IA-32(x86)个人电脑
  • ARM开发板(Integrator / CP和Versatile / PB)
  • PowerPC(PReP和Power Macintosh)

虚拟机可以连接多种类型的物理主机硬件。这些包括:硬盘CD-ROM网卡音效卡USB。可以完全模拟USB设备(从图像文件,输入设备进行海量存储),也可以使用主机的USB设备(但这需要管理员权限,并且不适用于所有设备)。


虚拟磁盘映像可以以特殊格式(qcow或qcow2)存储,只占用虚拟机操作系统实际使用的磁盘空间。这样,仿真的120 GB磁盘在主机上可能只占用几百兆字节。 QCOW2格式还允许创建覆盖映像,以记录与另一个(未修改的)基本映像文件的区别。这提供了将模拟磁盘的内容恢复到较早状态的可能性。例如,基本映像可以保存已知工作的操作系统的全新安装,并使用叠加映像。如果访客系统变得不可用(病毒攻击,意外的系统破坏等),用户可以删除覆盖并重建较早的模拟磁盘映像版本。

QEMU可以通过网络地址转换模拟共享主机系统连接的网卡(不同型号),从而有效地允许guest虚拟机使用与主机相同的网络。虚拟网卡还可以连接到其他QEMU实例的网卡或本地TAP接口。通过使用主机OS的桥接功能,将QEMU使用的TUN / TAP接口与主机OS上的非虚拟以太网接口桥接,也可以实现网络连接。

QEMU集成了多种服务以允许主机和访客系统进行通信;例如,集成的SMB服务器和网络端口重定向(以允许传入连接到虚拟机)。它也可以在没有引导程序的情况下引导Linux内核。

QEMU不依赖主机系统上的图形输出方法。相反,它可以允许通过集成的VNC服务器访问客户操作系统的屏幕。它还可以使用模拟的串行线,而不使用任何屏幕和适用的操作系统。

可以在多个CPU上运行SMP对称多处理结构(Symmetrical Multi-Processing)

QEMU不需要管理权限运行,除非使用了额外的提高速度的内核模块(如KQEMU),或者使用其网络连接模型的某些模式。

微型代码生成器编辑

微型代码生成器(TCG)旨在消除依赖特定版本的GCC或编译器的缺点,并将编译合并到QEMU的运行时任务中。因此,整个翻译阶段由两部分组成:目标代码块(TB)以TCG指令(一种机器无关的中间符号)重写 ,随后TCG为宿主机架构执行编译。可选的优化在这两步之间传递。

TCG需要专用的代码来支持每个体系结构。它还要求重写目标指令集翻译过程以利用TCG指令,而不是以前使用的dyngen指令。

加速器编辑

KQEMU是一个Linux内核模块,由Fabrice Bellard撰写,它明显加快了在具有相同CPU架构的平台上模拟x86或x86-64程序的速度。这可以通过直接在主机CPU上运行用户模式代码(以及可选的某些内核代码)以及仅对内核模式和实模式代码使用处理器与外设模拟来实现。即使宿主机CPU不支持硬件辅助虚拟化,KQEMU也可以从多个客户操作系统执行代码。QEMU支持大容量内存,这使得它们与KQEMU不兼容。较新的QEMU版本已完全取消对KQEMU的支持。

由于缺乏对KQEMU和QVM86的支持,基于内核的虚拟机(KVM)已经基本成为基于Linux的硬件辅助虚拟化解决方案,与QEMU一起使用。

英特尔的硬件加速执行管理器(HAXM)是KVM在Windows和MacOS上基于x86的硬件辅助虚拟化的开源替代品。2013年,英特尔使用QEMU来进行Android开发。

硬件辅助仿真编辑

MIPS兼容的龙芯3处理器增加了200条新指令来帮助QEMU翻译x86指令,这些新指令降低了在MIPS流水线中执行x86 / CISC风格指令的开销。由于中国科学院对QEMU进行了进一步改进,龙芯3在9个基准测试中,运行x86二进制文件的同时,执行本机二进制文件的平均性能达到70%。 [3]

并行仿真编辑

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ARMAlpha。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编辑

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。 [4]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。 [5]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, [6]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。[7]

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。[8]

硬件平台模拟编辑

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


參考文獻编辑

  1. ^ QEMU Internals. qemu.weilnetz.de. 
  2. ^ QEMU PRIP 1 - support for MIPS64 Release 6 - PRPL. wiki.prplfoundation.org. 
  3. ^ Godson-3: A Scalable Multicore RISC Processor with x86 Emulation. IEEE. [2009-04-16]. 
  4. ^ VirtualBox Developer FAQ. [2015-02-02]. 
  5. ^ Xen ARM with Virtualization Extensions. 
  6. ^ win4lin VDS announcement 互联网档案馆存檔,存档日期February 10, 2008,.
  7. ^ Win4Solaris announcement 互联网档案馆存檔,存档日期December 23, 2007,.
  8. ^ WinUAE 3.0.0. English Amiga Board. 2014-12-17 [2016-03-25]. 

外部連結编辑