add qemu

2024-12-24 19:21:15 +07:00 · 2020-12-09 13:53:30 +08:00 · 2020-12-09 13:53:30 +08:00 · 1de8a31552
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 - [简介](#简介)
 - [安装](#安装)
+- [模拟 Armhf 环境](#模拟-armhf-环境)
+- [模拟 MIPS 环境](#模拟-mips-环境)
 - [参考资料](#参考资料)

 ## 简介

-QEMU 是一个广泛使用的开源计算机仿真器和虚拟机。当作为仿真器时，可以在一种架构(如PC机)下运行另一种架构(如ARM)下的操作系统和程序，当作为虚拟机时，可以使用 Xen 或 KVM 访问 CPU 的扩展功能(HVM)，在主机 CPU 上直接执行虚拟客户端的代码。
+qemu（https://qemu.org）是开源的纯软件实现的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备。当作为模拟器时的 qemu，可以在一种架构（如 x86 PC）下运行另一种架构（如 ARM）下的操作系统和程序，通过使用动态转换，它可以获得非常好的性能。作为虚拟机时，qemu 可以使用其他虚拟机管理程序（如 KVM）来使用 CPU 扩展进行虚拟化，通过在主机 CPU 上直接执行客户机代码来获得接近于宿主机的性能。
+
+有时我们会遇到不同于 x86 或 x64 架构的可执行文件，而我们恰好没有调试运行环境的 ARM 和 MIPS 环境来说，使用 qemu 加载这类二进制文件是不错的选择。与其他的虚拟化软件（如 VMware）不同，qemu 不提供管理虚拟机的 GUI（运行虚拟机时出现的窗口除外），也不提供创建具有已保存设置的持久虚拟机的方法。因此，我们可以选择创建自定义脚本以启动虚拟机，这样就可以保存相应的参数，避免每次启动时手动指定所有运行参数。

 ## 安装

-```text
-Arch: $ pacman -S qemu
-Debian/Ubuntu: $ apt-get install qemu
+使用包管理器安装十分方便，在 Ubuntu 系统中只需要如下命令即可：
+
+```sh
+$ sudo apt install qemu
 ```

-当然如果你偏爱源码编译安装的话：
+如果想要编译安装，则首先需要安装一些依赖文件，然后从官网下载源码，使用如下命令进行编译：

-```text
-$ git clone git://git.qemu.org/qemu.git
-$ cd qemu
-$ git submodule init
-$ git submodule update --recursive
-$ ./configure
-$ make
+```sh
+$ sudo apt install libcap-dev libpixman-1-dev libncurses5-dev libasound2-dev libasound2 libglib2.0-dev u-boot-tools flex
+
+$ tar -xf qemu-3.1.0.tar.xz
+$ mkdir qemu-3.1.0.build
+$ cd qemu-3.1.0.build
+$ ./../qemu-3.1.0/configure --target-list=arm-softmmu,aarch64-softmmu,mips-softmmu,mipsel-softmmu,i386-softmmu,x86_64-softmmu,arm-linux-user,aarch64-linux-user,i386-linux-user,x86_64-linux-user,mips-linux-user,mipsel-linux-user --audio-drv-list=alsa --enable-virtfs
+$ make -j2 && sudo make install
 ```

+## 模拟 Armhf 环境
+
+首先介绍一下 armhf 架构。出于低功耗、封装限制等种种原因，以前的一些 ARM 处理器没有独立的硬件浮点运算单元，需要手写软件来实现浮点运算。随着技术发展，现在高端的 ARM 处理器基本都具备了硬件执行浮点操作的能力。这样，新旧两种架构之间的差异，就产生了两个不同的嵌入式应用程序二进制接口（EABI）——软浮点（soft float, sf）和矢量浮点（vector float point, vfp），但是软浮点和硬浮点（hard float, hf）之间有向前兼容却没有向后兼容的能力，即软浮点的二进制接口仍然可以用于当前的高端 ARM 处理器。
+
+在 ARM 体系架构内核中，有些有浮点运算单元（floating point unit, fpu），而有些没有。对于没有 fpu 内核，是不能使用 armel 和 armhf 的。在有 fpu 的情况下，就可以通过 gcc 的选项 `-mfloat-abi` 来指定使用哪种，有如下三种值：
+
+- soft：不用 fpu 计算；
+- armel：（arm eabi little endian）也即 softfp，用 fpu 计算，但是传参数用普通寄存器传，这样中断的时候，只需要保存普通寄存器，中断负荷小，但是参数需要转换成浮点的再计算；
+- armhf：（arm hard float）也即 hard，用 fpu 计算，传参数用 fpu 中的浮点寄存器传，省去了转换性能最好，但是中断负荷高；
+- arm64：64 位的 arm 默认就是 hard float 的，因此不需要 hf 的后缀。
+
+想要交叉编译 arm 架构的可执行文件，我们首先需要安装交叉编译工具链：
+
+```sh
+$ sudo apt install linux-libc-dev-armhf-cross
+$ sudo apt install libc6-armhf-cross libc6-dev-armhf-cross
+$ sudo apt install binutils-arm-linux-gnueabihf
+$ sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf g++-arm-linux-gnueabihf
+```
+
+工具链安装完成之后，就可以使用如下命令进行 armhf 架构的交叉编译了：
+
+```sh
+$ cat hello.c 
+#include<stdio.h>
+int main(){
+printf("%s","hello\n");
+return 0;
+}
+$ arm-linux-gnueabihf-gcc -g hello.c -o hello_armhf -static
+$ file hello_armhf                                         
+hello_armhf: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (GNU/Linux), statically linked, for GNU/Linux 3.2.0, BuildID[sha1]=8866e8f5d6ed85c9833c4bcadd1f64316cb082cd, not stripped
+```
+
+为了简便，我们可以选择使用 Debian 社区已经制作好的 qemu 镜像，选择 armhf 目录下载文件即可，地址为 https://people.debian.org/~aurel32/qemu。该系统镜像基于 Debian Wheezy 发行版制作而成，大小为 25Gb，内存使用 `-m` 参数控制为 128Mb 至 1024Mb，root 用户口令为 root，普通用户的用户名和口令均为 user。接下来启动虚拟机，如下所示：
+
+```sh
+$ qemu-system-arm -m 1024 -M vexpress-a9 -kernel vmlinuz-3.2.0-4-vexpress \
+-initrd initrd.img-3.2.0-4-vexpress \
+-drive if=sd,file=debian_wheezy_armhf_standard.qcow2 \
+-append "root=/dev/mmcblk0p2"
+# 或是
+$ qemu-system-arm -m 1024 -M vexpress-a9 -kernel vmlinuz-3.2.0-4-vexpress \
+-initrd initrd.img-3.2.0-4-vexpress \
+-drive if=sd,file=debian_wheezy_armhf_desktop.qcow2 \
+-append "root=/dev/mmcblk0p2"
+```
+
+至此，基于 qemu 的 armhf 架构的运行与调试环境就搭建完成了。
+
+## 模拟 MIPS 环境
+
+MIPS 架构也是一种精简指令集的处理器架构，由于其低功耗高性能的设计，同ARM架构类似，也在嵌入式系统中有着广泛的应用。接下来我们使用 qemu 模拟 MIPS 环境，在此之前，需要安装 MIPS 架构的交叉编译工具链：
+
+```sh
+$ sudo apt install linux-libc-dev-mips-cross
+$ sudo apt install libc6-mips-cross libc6-dev-mips-cross
+$ sudo apt install binutils-mips-linux-gnu 
+$ sudo apt install g++-mips-linux-gnu gcc-mips-linux-gnu
+```
+
+想要使用 qemu 运行 MIPS 架构的二进制可执行文件十分简单，使用如下的交叉编译命令编译后，输入以下命令就可以执行了：
+
+```sh
+# 使用交叉编译工具
+$ mips-linux-gnu-gcc -g hello.c -o hello_mips -static         
+# 查看可执行程序的架构
+$ file hello_mips 
+hello_mips: ELF 32-bit MSB executable, MIPS, MIPS32 rel2 version 1 (SYSV), statically linked, for GNU/Linux 3.2.0, BuildID[sha1]=f6c75c00d4e66bc32aa99b6a6d781ca8e7bab939, not stripped
+# 使用qemu模拟执行
+$ qemu-mips hello_mips                
+hello
+```
+
+如果我们想要使用 qemu 模拟执行 MIPS 架构的可执行文件，并调试该可执行文件的话，可以使用如下命令启动 qemu-mips：
+
+```sh
+$ qemu-mips -g port binary_mips
+```
+
+`-g` 后的 port 参数指的是使用 gdb 远程连接的端口，之后的 binary_mips 指的是 MIPS 架构的可执行文件。接着，我们需要新开一个终端窗口并开启 gdb-multiarch 调试器，载入我们想要调试的文件，设置远程端口即可：
+
+```sh
+$ gdb-multiarch
+gef➤  file binary_mips 
+Reading symbols from binary_mips...done.
+gef➤  set architecture mips
+The target architecture is assumed to be mips
+gef➤  gef-remote -q 127.0.0.1:port
+0x00400620 in __start ()
+```
+
+要想调试其他架构的可执行文件，可以使用 gef 开发者已经编译好的 gdb 和 gdbserver（https://github.com/hugsy/gdb-static），也可以使用如下命令编译符合该可执行文件架构的 gdb 或 gdbserver（此处以 mips 架构为例）：
+
+```sh
+$ wget http://ftp.gnu.org/gnu/gdb/gdb-8.2.tar.xz
+$ tar -xf gdb-8.2.tar.xz
+$ mkdir gdb-8.2.mips.build && cd gdb-8.2.mips.build
+# 此处注意修改自己的prefix路径
+$ CC="mips-linux-gnu-gcc" CXX="mips-linux-gnu-g++" \
+./../gdb-8.2/configure --target=mips-linux-gnu --host="mips-linux-gnu" \
+--prefix=/home/ctf/Work/gdb-8.2.mips.build
+# 我们还需要修改Makefile将gdb编译为静态链接的可执行文件
+# 将LDFLAGS增加一个-static选项
+$ vim Makefile
+# line:383: LDFLAGS = -static
+$ make && make install
+# 查看编译好的gdb
+$ file bin/gdb
+gdb: ELF 32-bit MSB executable, MIPS, MIPS32 rel2 version 1 (SYSV), statically linked, for GNU/Linux 3.2.0, BuildID[sha1]=79a32354f7e9e5e8cc021bb3e596b332f79e6fa9, not stripped
+```
+
+至此，MIPS 运行及调试环境就准备完成了。
+
 ## 参考资料

 - [QEMU](https://www.qemu.org/)