Create QEMU virtual machine for ARM system — Shanghai Liberal Software Consulting

你好，世界！

QEMU 是非常著名和常用的自由软件虚拟机。所谓虚拟机就是在一个操作系统（host）下运行另一个操作系统（guest）的环境。比如，我现在使用的电脑是运行在 Intel x86 平台的64位 GNU GUIX 发行版，而我想测试一下 ARMHF 平台 GNU/Linux 系统下的一些程序，我就可以在我的 GUIX 系统下运行 QEMU，并让 QEMU 运行一个虚拟的 ARMHF 平台的 GNU/Linux 系统。这个 QEMU 的虚拟系统能够真实地反映我要测试的程序在 ARMHF 平台的表现，而我省去了寻找 ARMHF 硬件和安装调试软硬件的过程。

ARMHF 是32位的平台。使用 QEMU 模拟 ARMHF 和通常模拟 Intel x86 平台的64位系统有所不同——模拟 ARM 平台通常需要指定启动项：或者是 BIOS，或者是 kernel。我们具体来看一些 QEMU 的使用过程。

在虚拟机上安装 ARMHF 的某个 GNU 发行版

通常来说，Debian GNU/Linx 会发布很多平台的安装镜像文件，所以我们可以从 Debian GNU/Linux 的发行版做一个示例。

方法一：直接下载别人发布的 Debian GNU/Linux 虚拟硬盘

已经有人做了 Debian GNU/Linux 发行版在各个平台的虚拟硬盘文件，并发布出来供大家测试和使用。这个方法最简单，省去了许多步骤。我们应该感谢他们，比如成为自由软件基金会的会员就是一个帮助自由软件社区的好方法。

一个更新比较快的 Debian GNU/Linux 发行版 QEMU 虚拟硬盘下载的网站是：DQIB。其中包括了 ARMHF 的 QEMU 虚拟硬盘镜像文件（qcow2 格式），包括相应的内核文件。你下载之后可以按照其 readme.txt 文件提供的如下命令直接运行。

qemu-system-arm -machine 'virt' -cpu 'cortex-a15' -m 1G \
                -device virtio-blk-device,drive=hd -drive file=image.qcow2,if=none,id=hd \
                -device virtio-net-device,netdev=net0 -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
                -kernel kernel -initrd initrd -nographic -append "root=LABEL=rootfs console=ttyAMA0"

使用 root:root 登录虚拟机之后，你就象通常使用 Debian GNU/Linux 电脑一样使用 QEMU 虚拟机。

方法二：在我们刚才创建的虚拟硬盘上安装 Debian GNU/Linux 发行版

第一步：定义虚拟机的硬盘

你可以把 QEMU 虚拟机 guest 想象成一块在 host 上的硬盘。你可以使用以下命令在 host 机器上定义该硬盘：

qemu-img create -f qcow2 armhf-image-debian.qcow2 20G  # 20G harddisk image in qcow2 format

此命令创建一个大小为20G、文件格式为 qcow2 的虚拟硬盘。该硬盘会作为安装和运行虚拟机的空间。

第二步：下载启动的内核文件

ARMHF 的虚拟机需要指定内核或 BIOS 才能正常启动，所以我们要先下载 ARMHF 对应的 Debian GNU/Linux 内核文件。下载命令和地址如下：

curl -O http://ftp.us.debian.org/debian/dists/stable/main/installer-armhf/current/images/cdrom/initrd.gz
curl -O http://ftp.us.debian.org/debian/dists/stable/main/installer-armhf/current/images/cdrom/vmlinuz

注意这两个文件是为在虚拟硬盘上安装 Debian GNU/Linux 而准备的内核文件。

第三步：下载 Debian GNU/Linux 发行版的安装镜像文件

就象正常在电脑上安装 Debian GNU/Linux 发行版一样，我们需要先下载一个安装镜像文件，比如当前的 iso-cd：

curl -0 https://cdimage.debian.org/debian-cd/current/armhf/iso-cd/debian-12.7.0-armhf-netinst.iso

第四步：在虚拟硬盘上安装 Debian GNU/Linux 发行版

有了以上的三个文件之后，我们就可以使用以下命令在我们创建的虚拟硬盘上安装 Debian GNU/Linux：

qemu-system-arm -m 4G -M virt -cpu max -smp 4 \
  -initrd "./initrd.gz" \
  -kernel "./vmlinuz" \
  -append "console=ttyAMA0" \
  -drive file=./debian-12.7.0-armhf-netinst.iso,id=cdrom,if=none,media=cdrom \
    -device virtio-scsi-device \
    -device scsi-cd,drive=cdrom \
  -drive file="./armhf-image-debian.qcow2",id=hd,if=none,media=disk \
    -device virtio-scsi-device \
    -device scsi-hd,drive=hd \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
    -device virtio-net-device,netdev=net0 \
  -nographic

运行之后，你会看到 Debian GNU/Linux 的非图形化安装界面。正常安装，注意使用整个虚拟硬盘不分区安装。安装最后不要选择重启选项。

第五步：安装完成后导出运行内核文件

在安装完成界面，不要选择重启，而是选择返回。返回到安装菜单后，选择运行终端（Execute a shell）项。然后，执行下列命令导出运行内核文件。

# 启用 root SSH
chroot /target sh -c "echo 'PermitRootLogin yes' > /etc/ssh/sshd_config.d/root_ssh.conf"
chroot /target sh -c "mkdir -p /var/run/sshd && /sbin/sshd -D"

# 复制导出运行内核文件
scp -P 2222 root@localhost:/boot/vmlinuz ./vmlinuz-from-guest
scp -P 2222 root@localhost:/boot/initrd.img ./initrd-from-guest.img

# 使用 ctrl + c 停止 sshd，并
chroot /target sh -c "rm /etc/ssh/sshd_config.d/root_ssh.conf"

# 关闭虚拟机
poweroff

当然还有其他方法从虚拟硬盘中导出运行内核文件，比如关闭虚拟机之后可以在电脑主机上挂载虚拟机硬盘文件：armhf-image.qcow2，然后再复制内核文件。此处留给读者去学习。

最后一步：正常使用虚拟机

安装完成并导出运行内核文件后，我们就可以正常使用该虚拟硬盘上的虚拟机。

qemu-system-arm -m 4G -M virt -cpu max -smp 4 \
  -initrd "./initrd-from-guest.img" \
  -kernel "./vmlinuz-from-guest" \
  -append "root=LABEL=rootfs console=ttyAMA0" \
  -drive file="./armhf-image-debian.qcow2",id=hd,if=none,media=disk \
    -device virtio-scsi-device \
    -device scsi-hd,drive=hd \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
    -device virtio-net-device,netdev=net0 \
  -nographic

进一步安装一个完全自由的 GNU 发行版

Debain GNU/Linux 现在不是自由软件基金会认可的完全自由的操作系统。我们的目标当然是使用完全自由的操作系统，无论是在电脑上，还是在虚拟机上。有了上面的 Debian GNU/Linux 为基础，我们可以安装 ARM 平台的 GNU GUIX 发行版作为完全自由的操作系统。

首先，我们正常启动安装配置好的 Debian GNU/Linux 虚拟机。在虚拟机登录后，可以下载 GUIX 的 ARMHF 二进制发布。

curl -0 https://ftpmirror.gnu.org/gnu/guix/guix-binary-1.4.0.armhf-linux.tar.xz

然后按照 GUIX 的二进制安装说明在虚拟机里安装 GUIX。或者直接在虚拟机里通过 Debian GNU/Linux 安装 GUIX：

sudo apt install guix
guix pull

之后，你需要定义一个你想要的 GUIX 的配置文件： config.scm，可以参考 Using the GUIX Configuration System。然后，你在安装好 GUIX 的虚拟机里使用 GUIX 强大的镜像生成工具做一个 ARMHF 的 GUIX 镜像：

guix system image --image-type=qcow2 --image-size=10G config.scm

这个可能需要一点时间，之后你会看到有一个新生成的 .qcow2 文件。你可以把它改名为 armhf-image-guix.qcow2。你可以使用 scp 把这个文件从虚拟机里拷贝出来，然后把其内核文件也复制出来。这样，你就有了一个可以运行的 ARMHF 平台下的 GUIX 的 QEMU 虚拟机。你可以这样运行它：

qemu-system-arm -m 4G -M virt -cpu max -smp 4 \
  -initrd "./initrd-from-guest.img" \
  -kernel "./vmlinuz-from-guest" \
  -append "root=LABEL=rootfs console=ttyAMA0" \
  -drive file="./armhf-image-guix.qcow2",id=hd,if=none,media=disk \
    -device virtio-scsi-device \
    -device scsi-hd,drive=hd \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
    -device virtio-net-device,netdev=net0 \
  -nographic

你还可以修改系统配置文件更新这个 GUIX 虚拟机系统：

guix system reconfigure /etc/config.scm

希望你了解了 QEMU 虚拟机的制作步骤。

如果你对 QEMU 虚拟机系统还有问题，立伯乐或许可以帮你。

让 QEMU 带你进入自由软件的美好世界！

Create QEMU virtual machine for ARM system — Do 17 Oktober 2024