QEMU 学习

发表于 2018-11-15 更新于 2022-01-09 分类于 QEMU

本篇博客记录了在学习使用QEMU时的资料。包括 QEMU 的整体架构和命令行。

QEMU是一个主机上的VMM（virtual machine monitor），通过动态二进制转换来模拟CPU，并提供一系列的硬件模型。 KVM（Kernel-Based Virtual Machine）是基于内核的虚拟机，实现对CPU和内存的虚拟化。KVM需要处理器硬件本身支持虚拟化扩展，如intel VT 和AMD AMD-V技术。同时它是Linux内核的一个可加载模块，KVM从Linux 2.6.20以后已被作为内核组件。从存在形式来看，它包括两个内核模块：kvm.ko用于实现核心虚拟化功能和 kvm_intel.ko（或 kvm_amd.ko）处理器强相关的模块。本质上，KVM是管理虚拟硬件设备的驱动，该驱动使用字符设备 /dev/kvm（由KVM本身创建）作为管理接口，主要负责 vCPU 的创建，虚拟内存的分配，vCPU寄存器的读写以及 vCPU的运行。

有了KVM以后，guest os的CPU指令不用再经过QEMU来转译便可直接运行，大大提高了运行速度。但KVM的kvm.ko本身只提供了CPU和内存的虚拟化，所以它必须结合QEMU才能构成一个完整的虚拟化技术。

QEMU-KVM ： KVM运行在内核空间，QEMU运行在用户空间，实际模拟创建、管理各种虚拟硬件，QEMU将KVM整合了进来，通过 ioctl 调用 /dev/kvm ，从而将CPU指令的部分交给内核模块来做，KVM实现了CPU和内存的虚拟化，但KVM不能虚拟其他硬件设备，因此QEMU还有模拟IO设备（磁盘，网卡，显卡等）的作用，KVM加上QEMU后就是完整意义上的服务器虚拟化。由于QEMU纯模拟IO设备的效率不高，一般采用半虚拟化的VIRTIO来虚拟IO设备。 kvm加速的伪代码：

open("/dev/kvm")
ioctl(KVM_CREATE_VM)
ioctl(KVM_CREATE_VCPU)
for (;;) {
	ioctl(KVM_RUN)
	switch (exit_reason) {
		case KVM_EXIT_IO: /* ... */
		case KVM_EXIT_HLT: /* ... */
	}
}

为了使用KVM执行虚拟机代码，QEMU进程打开/dev/kvm并发出KVM_RUN ioctl。 KVM内核模块使用现代Intel和AMD CPU上的硬件虚拟化扩展来直接执行虚拟机代码。当guest虚拟机访问硬件设备寄存器，或是暂停虚拟机CPU或是执行其他特殊操作时，KVM将退出并将控制权转给QEMU。此时，QEMU可以模拟操作的预期输出，或者只是客户CPU在暂停的情况下等待下一个客户机中断。

具体分工为：KVM负责对CPU和内存模拟，QEMU负责对IO设备模拟并对各种虚拟设备的创建和调度进行管理。

开发

下载指定版本

1	git clone git://git.qemu.org/qemu.git

切换到指定的版本QEMU-2.12

1	git checkout -b stable-2.12

编译

configure脚本检测所有依赖的库

1	./configure

查看能够启用的特征选项：

1	./configure --help

如果只编译支持x86_64客户机，那么仅需要给configure附带参数 --targetlist=x86_64-softmmu 。

开发知识

在目录 ./docs 中保存了规格和文档说明。文档 ./CODING_STYLE 和 ./HACKING 分别介绍了QEMU编程遵行的代码风格和详细的编程指导。通过脚本 ./scripts/checkpatch.pl 检查补丁文件。

QEMU内部架构

QEMU process model

Main loop

Device emulation

Hardware emulation model

Guest/host device split

Guest device emulation

Devices memory or I/O regions

需要实现设备的读/写处理函数。

中断响应
通过 info qtree 来探视设备
通过 info mtree 来探视设备内存

QEMU monitor

进入QEMU命令行控制界面，可以通过在QEMU 启动的时候指定 -monitor 参数；也可以在 QEMU 窗口激活的时候按住 Ctrl+Alt+2 进入，切换回工作界面需要按 Ctrl+Alt+1 。

QEMU monitor的用途： + 删除或插入可移除的媒体镜像（如CD-ROM或软盘）。 + 冻结/解冻虚拟机（VM）并从磁盘文件保存或恢复其状态。 + 在没有外部调试器的情况下检查VM状态。

info

info mem  // 展示虚拟内存映射
info mtree [-f] [-d] // 展示内存树 
info qom-tree [path]  // 展示 QOM组成树
info qtree // 以树形的结构展示设备

开发