QEMU用户模式测试AARCH64程序

QEMU的两种模式

QEMU（快速模拟器）是一个开源的机器模拟器和虚拟化器，它能够模拟多种处理器架构，并且可以在不同平台上运行。QEMU 支持两种模式：用户模式和系统模式。

• 用户模式（User Mode）：
  • 用户模式下的 QEMU 仅模拟用户空间的二进制执行环境，不模拟底层硬件。
  • 这种模式下，QEMU 可以运行不同架构编译的二进制程序，而不需要这些程序与宿主机的架构相匹配。
  • 用户模式通常用于测试和运行不同架构的应用程序，或者在不支持特定硬件架构的系统上运行程序。
  • 用户模式不需要硬件虚拟化支持，因为它不模拟硬件。
• 系统模式（System Mode）：
  • 系统模式下的 QEMU 模拟整个计算机系统，包括 CPU、内存、硬盘、网络接口等硬件设备。
  • 这种模式下，QEMU 可以运行完整的操作系统镜像，允许用户安装和运行完整的操作系统。
  • 系统模式需要更多的资源，并且可能需要硬件虚拟化支持，以提高性能和安全性。
  • 系统模式允许用户进行更全面的测试，包括操作系统级别的测试和硬件兼容性测试。
  • 在系统模式下，QEMU 还可以使用不同的后端来提高性能，例如使用 KVM（Kernel-based Virtual Machine）在 Linux 系统上进行硬件辅助虚拟化。KVM 可以将 QEMU 转换为一个全功能的虚拟机监控器，提供接近原生硬件的性能。

要启动 QEMU 并使用用户模式或系统模式，你需要使用不同的命令行参数。例如：

用户模式：qemu-<arch> -cpu <cpu-type> -L <path-to-libraries> <program-to-run>
系统模式：qemu-system-<arch> -m <memory-size> -hda <disk-image>
其中 <arch> 是你想要模拟的架构，比如aarch64，<cpu-type> 是特定的 CPU 类型，<path-to-libraries> 是库文件的路径，<program-to-run> 是你想要运行的程序，<memory-size> 是分配给虚拟机的内存大小，<disk-image> 是虚拟硬盘镜像的路径。

QEMU 是一个非常灵活的工具，可以根据需要进行配置和扩展，以满足不同的模拟和虚拟化需求。

用户模式的安装

简单的执行如下命令就可以安装用户模式：

sudo apt-get update
sudo apt-get install qemu-user qemu-user-static gdb-multiarch build-essential  gcc-aarch64-linux-gnu

用户模式C程序的测试

编写一个简单的C程序：

#include <stdio.h>int main(void) { return printf("Hello AARCH64!\n"); 
}

使用aarch64的编译器进行静态的交叉编译：

aarch64-linux-gnu-gcc -static -o hello64 hello.c

编译后使用file命令确认一下编译产生的事aarch64架构文件。 

developer@ecs-cloud-host-ubuntu-img-make:~$ file hello64 
hello64: ELF 64-bit LSB executable, ARM aarch64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=c6209c6d4f0f2ec56fc1e9fe2443c34009ad60d5, for GNU/Linux 3.7.0, not stripped

如果没有安装QEMU用户模式程序，直接运行该程序会报告错误：

bash: ./hello64: cannot execute binary file: Exec format error

 安装了QEMU用户模式之后，直接运行程序就可以得到正确的输出了。这是因为系统内有qemu-user-static，它支持了其他架构程序的直接运行。

developer@ecs-cloud-host-ubuntu-img-make:~$ ./hello64 
Hello AARCH64!

也可以不使用static编译，比如：

aarch64-linux-gnu-gcc -o hello64dyn hello.c

不过不能直接运行hello64dyn这个程序，会报告错误：

developer@ecs-cloud-host-ubuntu-img-make:~$ ./hello64dyn 
aarch64-binfmt-P: Could not open '/lib/ld-linux-aarch64.so.1': No such file or directory

这是需要使用qemu-user了：

developer@ecs-cloud-host-ubuntu-img-make:~$ qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu ./hello64dyn 
Hello AARCH64!

用户模式汇编程序的测试（调用C库）

准备一个简单的汇编程序hello.S

.section .text.global mainmain:
// Call puts and return stp fp, lr, [sp, #0x10]!mov fp, spadr x0, msgbl putsmov w0, wzrldp fp, lr, [sp], #0x10retmsg:.asciz "Hello Again!".align 2

 这个程序里面调用了C语言的puts函数。

前两条指令是所谓的序言，SP 寄存器被调整，以便在可能的中断情况下保存数据，以便使用 puts 函数。

adr 指令将 x0 设置为字符串所在位置的内存地址。

'bl puts' 调用 puts 函数。它是一个 C 库函数，它将文本输出到控制台/终端。或者，可以使用 printf 代替。之所以使用 puts，是因为它对 CPU 来说更快，因为它不能接受所谓的字符串中的格式描述符。此外，puts 函数在控制台上自动加入换行。注意我们没有在 Hello Again 字符串中包含 "\n"。

'mov w0, wzr' 指令是给 CPU 一个零值，它将在退出程序时使用。稍后，CPU 将调用 C/C++ 退出函数来退出程序。每当你编写任何 .S（main:）类型的源文件时，最终的 ret 指令将使 CPU 结束程序并调用 C/C++ 退出函数。在 ret 指令之前，w0 应该总是设置为 0。

最后两条指令是所谓的尾声。基本上是序言的相反。

直接使用下面的语句去编译，C语言的编译器会自动处理汇编代码并进行库链接。

aarch64-linux-gnu-gcc  -o hello hello.S

运行程序的方法和前面类似：

developer@ecs-cloud-host-ubuntu-img-make:~$ qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu ./hello
Hello Again!

用户模式汇编程序的测试（调用系统调用）

我们也可以不使用C语言函数，直接使用QEMU模拟的系统调用。这和系统模式所模拟的裸机编程有所不同，系统模式是不提供任何系统调用的，你必须自己写串口输出代码或者使用编译好的BIOS文件。

下面是汇编代码：

.section .text.global _start_start:
// syscall write(int fd, const void *buf, size_t count)mov x0, #1    adr x1, msgmov x2, lenmov w8, #64 /*Syscall number for write for ARM64*/svc #0// syscall exit(int status)mov x0, #0mov w8, #93 /*Syscall number for exit for ARM64*/svc #0msg:.asciz "Hello World!\n"len = . - msg

QEMU 模拟所谓的系统调用。这些系统调用旨在模拟具有内置基本任务功能的计算机 BIOS。可以在程序中使用 svc 指令调用。在真正的硬件中，svc 指令将进入一个异常处理程序。在这个程序中，有代码（已经由程序早期编写）来处理 svc 的使用。

在 QEMU 中，这是完全不同的。你的程序在异常处理程序中写了什么并不重要。QEMU 将执行 svc 来模拟一个已经编写了某些指令的计算机 BIOS。简而言之，那里的例程在计算机 BIOS 中是通用的。因此，该例程接受某些参数以产生结果。你可以看出这是情况，因为在上述文件中，我们没有编写任何指令到任何异常处理程序。模拟系统调用的不好之处在于我们不能实际看到和调试 svc 异常。好的是，我们可以使用这些模拟器系统调用来执行基本任务。比如打印文本到控制台（终端），修改文件等。

系统调用 Write 会在控制台（终端）上打印消息。系统调用 Exit 退出程序。

有许多系统调用，每个系统调用都需要参数。在系统调用被“调用”（通过 svc 指令）之前，必须将正确的值放在正确的寄存器中。这种将正确的参数放在正确的寄存器中的概念被称为 ARM64 的调用约定。

代码中一些变量的解释：

• adr 设置 msg 标签所在位置的内存地址。
• msg: 是源文件中 Hello World 字符串所在的标签。字符串中的 "\n" 部分是你在控制台/终端输入新行时需要输入的。
• len = . - msg 这是用于计算字符串大小的汇编器指令。点（.）在这里代表这里。所以 '这里' 减去 msg 将设置字符串的字节量。

要运行程序，需要将其汇编成一个目标文件。然后使用链接器制作一个可执行文件。这可以通过以下两个终端命令完成..

aarch64-linux-gnu-as  hello_world.s -o hello_world.o 
aarch64-linux-gnu-ld hello_world.o -o hello_world

所以我们现在有一个可执行文件。我们可以用 QEMU 启动它：

qemu-aarch64 ./hello_world

得到如下输出：

developer@ecs-cloud-host-ubuntu-img-make:~$ qemu-aarch64 ./hello_world
Hello World!

因为安装了qemu-user-static，直接运行程序也是可以的。 

参考文献

• Assembler, QEMU, GDB
• Running Arm Binaries on x86 with QEMU-User | Azeria Labs