QEMU – podstawy

Emulator, maszyna wirtualna?

QEMU to zarówno maszyna wirtualna jak i emulator, ale co to tak właściwie znaczy?

QEMU jest emulatorem, gdyż potrafi uruchamiać pojedyncze programy jak i całe systemy operacyjne napisane dla procesora innego, od tego na którym aktualnie pracuje. Jest to możliwe dzięki szybkiej translacji rozkazów procesora docelowego na rozkazy procesora na którym działa QEMU.

QEMU w trybie wirtualizacji (potrzebny Xen lub moduł KVM) działa natomiast bezpośrednio na procesorze gospodarza.

Obsługiwane przez QEMU procesory to m. in.: x86, x86-64, PowerPC, MIPS, ARM, SPARC. Pełna lista tutaj.

Podstawowa obsługa – uruchamianie

QEMU to narzędzie konsolowe, podstawowy schemat uruchamiania to:

qemu [options] [image]

Wśród opcji możemy podać m. in.:

-M machine – wybór konkretnej architektury do emulacji (-M ? wyświetla listę dostępnych)

-cpu model – wybiera konkretny procesor (-cpu ? wyświetla listę dostępnych)

-fda file, -fdb file, -hda file, -hdb file, -hdc file, -hdd file, -cdrom file – włącza do naszego emulowanego systemu urządzenia: dystkietkę (przedrostki f), dyski (przedrostki h), cdrom z zwaratością taką jak zawiera file. Uwaga: nie można używać jednocześnie hdc i cdrom.

-boot x – ustala kolejność bootowania: a, b – pierszeństwo dyskietek, c – dysk twardy, d – cdrom.

-m megs – ustala ilość wirtualnego ramu na megs MiB, domyślnie jest to 128 MiB

-kernel file – bezpośrednio uruchamia podany plik zawierający jądro naszego systemu operacyjnego zgodnie ze specyfikacją Multiboot (będzie o tym, w którymś z najbliższych wpisów)

Istnieje jeszcze wiele przełączników pozwalających ustawiać sieć, bluetooth oraz różne inne urządzenia, ale tyle co tu opisałem, w zupełności wystarczy początkującemu osdevcowi :)

Spójrzmy na parę przykładów:

qemu linux.img

Uruchamia system z podanego obrazu linux.img, wszystkie opcje pozostają domyślne.

qemu -hda hda.img -m 128

Uruchamia emulator z podłączonym dyskiem o zawartości hda.img ze 128 MiB ramu. To co się dalej stanie, zależy od zawartości hda.img, gdyż wirtualny BIOS będzie próbował bootować system właśnie z owego dysku. Różnica między tym a poprzedni przykładem jest taka, iż poprzednia komenda mówiła explicite: „bootuj linux.img”, w tym przypadku dajemy QEMU informację o stanie: „Jest dysk, rób co chcesz” ;)

qemu -kernel kernel.bin

Uruchomi nasz kernel według specyfikacji Multiboot, inaczej mówiąc – nie potrzebujemy żadnego bootloadera, a nasz kernel powinien być w jakimś dobrze zdefiniowanym formacie wykonywalnym, np. ELF (o tym też innym razem).

Ficzery QEMU

W QEMU lubię szybkość działania i łatwość obsługi, ale to nie jedyne jego, oprócz wspomnianej już wieloarchitekturowości i bogatych możliwości konfiguracji,  zalety. Istotną cechą QEMU jest to, iż wspiera VBE 2.0 oraz posiada natywne wsparcie dla GDB. Moim ulubionym „ficzerem” jest natomiast QEMU monitor.

QEMU monitor

QEMU monitor, to diagnostyczny tryb emulatora pozwalający podglądać interesujące rzeczy. Po uruchomieniu systemu w QEMU wciskamy CTRL+ALT+2 i już jesteśmy w trybie monitora (CTRL+ALT+1 wraca z powrotem na ekran systemu, natomiast CTRL+ALT pozwala „odzyskać” z powrotem myszkę). W trybie monitora mamy dostępny szereg komend:

info cpus – podaje aktualny stan procesorów

info registers – wyświetla zawartość wszystkich rejestrów dostępnych dla danej architektury. Polecenie to jest szalenie przydatne, szczególnie na początkowych etapach osdevu – np. gdy chcemy sprawdzić czy stronicowanie jest już aktywne, gdzie właśnie utknął EIP naszego procesora i w wielu, wielu innych przypadkach.

Komenda info potrafi jeszcze co nieco, ale na razie tyle nam wystarczy. Kolejne przydatne polecenia to:

x /fmt addr oraz xp /fmt addr – pierwsza z nich wyświetla zawartość wirtualnej pamięci pod adresem addr w formacie fmt, natomiast druga robi to samo, tyle że dla pamięci fizycznej. Format jest natomiast następujący: count – ilość elementów do wyświetlenia (liczba dziesiętna), format – format wyświetlenia zawartości pamięci, tj. x – hex, d – dziesiętny, u – dziesiętny bez znaku, o – oktalny, c – char lub (uwaga!) i – instrukcja!, size – rozmiar, tj. b – 8 bitów, h – 16 bitów, w – 32 bity, g – 64 bity. Przykłady:

xp /40db 0x7C00

Wyświetli dziesiętnie 40 elementów bajtowych spod adres 0x7C00.

xp /40xh 0x7C00

Wyświetli heksadecymalnie 40 elementów dwubajtowcyh spod adresu 0x7C00.

xp /10i $eip

Wyświetli 10 kolejnych instrukcji po aktualnej pozycji EIP. Widzimy, że nie musimy tu podawać rozmiaru, gdyż jak wiadomo w x86 instrukcje mają zmienny rozmiar. Takie wyświetlenie jest szczególnie przydatne, gdy zastanawiamy się gdzie właśnie utknął nasz kernel :)

QEMU monitor posiada jeszcze wiele przydatnych opcji jak np. zrobienie screena, czy nagranie dźwięku jednak nie widzę sensu opisywania ich na obecnym etapie. Kompletny spis można znaleźć tu.

Na zakończenie

QEMU będzie nam bardzo pomocne w całej serii artykułów Tworzenie systemu operacyjnego. Będzie więc wiele okazji aby przećwiczyć zdobytą tutaj wiedzę na temat obsługi tego niezwykle zgrabnego narzędzia. Tymczasem zapraszam do ściągnięcia QEMU stąd, zapoznania się z dokumentacją tu oraz do spojrzenia na inne emulatory, np. bochs. Aha, jeśli ktoś naprawdę nie znosi konsolowych aplikacji, to istnieje parę graficznych nakładek na QEMU, jak np. qtemu czy qemulator, jednak żadnej z nich nie testowałem.