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1de8a31552
@ -2,30 +2,150 @@
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- [简介](#简介)
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- [安装](#安装)
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- [模拟 Armhf 环境](#模拟-armhf-环境)
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- [模拟 MIPS 环境](#模拟-mips-环境)
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- [参考资料](#参考资料)
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## 简介
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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。
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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。
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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。
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## 安装
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```text
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Arch: $ pacman -S qemu
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Debian/Ubuntu: $ apt-get install qemu
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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：
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```sh
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$ sudo apt install qemu
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```
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当然如果你偏爱源码编译安装的话：
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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：
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```text
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$ git clone git://git.qemu.org/qemu.git
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$ cd qemu
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$ git submodule init
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$ git submodule update --recursive
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$ ./configure
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$ make
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```sh
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$ sudo apt install libcap-dev libpixman-1-dev libncurses5-dev libasound2-dev libasound2 libglib2.0-dev u-boot-tools flex
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$ tar -xf qemu-3.1.0.tar.xz
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$ mkdir qemu-3.1.0.build
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$ cd qemu-3.1.0.build
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$ ./../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
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$ make -j2 && sudo make install
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```
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## 模拟 Armhf 环境
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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。
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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：
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- soft：不用 fpu 计算；
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- 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；
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- 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；
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- arm64：64 位的 arm 默认就是 hard float 的，因此不需要 hf 的后缀。
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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：
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```sh
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$ sudo apt install linux-libc-dev-armhf-cross
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$ sudo apt install libc6-armhf-cross libc6-dev-armhf-cross
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$ sudo apt install binutils-arm-linux-gnueabihf
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$ sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf g++-arm-linux-gnueabihf
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```
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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：
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```sh
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$ cat hello.c
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#include<stdio.h>
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int main(){
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printf("%s","hello\n");
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return 0;
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}
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$ arm-linux-gnueabihf-gcc -g hello.c -o hello_armhf -static
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$ file hello_armhf
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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
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```
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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：
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```sh
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$ qemu-system-arm -m 1024 -M vexpress-a9 -kernel vmlinuz-3.2.0-4-vexpress \
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-initrd initrd.img-3.2.0-4-vexpress \
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-drive if=sd,file=debian_wheezy_armhf_standard.qcow2 \
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-append "root=/dev/mmcblk0p2"
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# 或是
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$ qemu-system-arm -m 1024 -M vexpress-a9 -kernel vmlinuz-3.2.0-4-vexpress \
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-initrd initrd.img-3.2.0-4-vexpress \
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-drive if=sd,file=debian_wheezy_armhf_desktop.qcow2 \
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-append "root=/dev/mmcblk0p2"
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```
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至此，基于 qemu 的 armhf 架构的运行与调试环境就搭建完成了。
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## 模拟 MIPS 环境
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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：
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```sh
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$ sudo apt install linux-libc-dev-mips-cross
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$ sudo apt install libc6-mips-cross libc6-dev-mips-cross
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$ sudo apt install binutils-mips-linux-gnu
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$ sudo apt install g++-mips-linux-gnu gcc-mips-linux-gnu
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```
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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：
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```sh
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# 使用交叉编译工具
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$ mips-linux-gnu-gcc -g hello.c -o hello_mips -static
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# 查看可执行程序的架构
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$ file hello_mips
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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
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# 使用qemu模拟执行
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$ qemu-mips hello_mips
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hello
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```
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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：
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```sh
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$ qemu-mips -g port binary_mips
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```
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`-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：
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```sh
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$ gdb-multiarch
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gef➤ file binary_mips
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Reading symbols from binary_mips...done.
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gef➤ set architecture mips
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The target architecture is assumed to be mips
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gef➤ gef-remote -q 127.0.0.1:port
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0x00400620 in __start ()
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```
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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）：
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```sh
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$ wget http://ftp.gnu.org/gnu/gdb/gdb-8.2.tar.xz
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$ tar -xf gdb-8.2.tar.xz
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$ mkdir gdb-8.2.mips.build && cd gdb-8.2.mips.build
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# 此处注意修改自己的prefix路径
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$ CC="mips-linux-gnu-gcc" CXX="mips-linux-gnu-g++" \
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./../gdb-8.2/configure --target=mips-linux-gnu --host="mips-linux-gnu" \
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--prefix=/home/ctf/Work/gdb-8.2.mips.build
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# 我们还需要修改Makefile将gdb编译为静态链接的可执行文件
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# 将LDFLAGS增加一个-static选项
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$ vim Makefile
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# line:383: LDFLAGS = -static
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$ make && make install
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# 查看编译好的gdb
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$ file bin/gdb
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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
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```
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至此，MIPS 运行及调试环境就准备完成了。
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## 参考资料
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- [QEMU](https://www.qemu.org/)
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