QEMU 开源机器模拟软件，云计算虚拟化的重要软件

QEMU（Quick Emulator）是一个通用的开源机器模拟器和虚拟化软件。它在虚拟化技术栈中扮演着至关重要的角色，特别是在与 KVM 配合使用时。缺陷是： QEMU 是运行在用户空间的普通软件，如果虚拟机每次读写硬盘都要经过 QEMU 进行纯软件模拟，性能会非常差。

QEMU 开源机器模拟软件，虚拟化的重要软件

1. QEMU 的两种核心模式

QEMU 最大的特点是它的多功能性，它主要有两种运行模式：

• • 纯软件模拟（Emulator）：
• • 原理：通过动态二进制翻译（Dynamic Binary Translation），QEMU 可以将一种 CPU 架构（如 ARM）的指令实时翻译成另一种架构（如 x86）的指令。
• • 用途：这使得你可以在 x86 电脑上运行为 ARM 或 PowerPC 编写的程序。虽然兼容性极强，但由于每条指令都需要软件翻译，性能非常慢。
• • 硬件辅助虚拟化（Virtualizer）：
• • 原理：当 QEMU 运行在与宿主机相同的 CPU 架构上（例如都在 x86 上），并且配合 KVM（基于内核的虚拟机）使用时，它可以利用 CPU 的硬件虚拟化扩展（如 Intel VT-x 或 AMD-V）直接执行客户机代码。
• • 用途：这种模式下，QEMU 的性能接近原生硬件，是目前云计算（如 OpenStack）和企业虚拟化的主流方式。

2. QEMU 在 KVM 架构中的角色

虽然 KVM 提供了 CPU 和内存的虚拟化能力，但它本身并不具备完整的计算机功能（如没有硬盘、网卡、显卡等）。QEMU 填补了这一空白，通常被称为 “QEMU-KVM” 架构：

• • KVM (内核态)：负责处理“硬核”的计算任务，直接管理 CPU 和内存的执行，处理敏感指令的拦截（Trap）。
• • QEMU (用户态)：
• • 硬件模拟：QEMU 负责模拟虚拟机所需的所有 I/O 设备，包括硬盘控制器、网卡、USB 控制器、显卡、鼠标键盘等。
• • 进程管理：在宿主机看来，每一个 KVM 虚拟机本质上就是一个 QEMU 进程。你可以像管理普通软件一样使用 kill 或 top 命令来管理虚拟机。
• • 交互接口：QEMU 提供了管理虚拟机的接口，支持快照、动态迁移（Live Migration）等高级功能。

3. I/O 性能瓶颈与 VirtIO

由于 QEMU 是运行在用户空间的普通软件，如果虚拟机每次读写硬盘都要经过 QEMU 进行纯软件模拟，性能会非常差。为了解决这个问题，QEMU 引入了 VirtIO 标准：

• • VirtIO 是一种半虚拟化（Para-virtualization）技术。它让虚拟机里的操作系统“知道”自己是虚拟的，从而通过一种高效的共享内存通道直接与 QEMU 通信，绕过了繁琐的硬件模拟步骤，极大地提升了磁盘和网络的 I/O 性能。QEMU 是一个极其强大的模拟器，它能够模拟完整的计算机系统，包括不仅限于 CPU 的各种外设。在 KVM 架构中，QEMU 主要负责 I/O 设备的模拟。

QEMU 可以模拟的设备种类非常丰富，涵盖了从核心组件到外围设备的几乎所有硬件

1. 核心平台与总线

QEMU 不仅仅模拟单个设备，它首先模拟整个主板芯片组和总线系统，为其他设备提供连接基础：

• • 芯片组（Chipset）： 模拟如 Intel i440FX（老式 PC 架构）和 Q35（较新的 PCIe 架构）等主板芯片组。
• • 总线（Bus）： 模拟 PCI、PCIe、ISA、USB 总线等，管理设备之间的通信,。
• • BIOS/固件： 提供 SeaBIOS（用于 x86 BIOS）或 UEFI（OVMF）等固件支持，负责虚拟机的启动引导,,。

2. 存储设备 (Storage)

QEMU 可以模拟多种存储控制器和磁盘接口，支持多种镜像格式（如 qcow2, raw）：

• • 控制器： IDE、SATA (AHCI)、SCSI (LSI Logic)、SAS 以及现代的 NVMe 控制器,。
• • 驱动器： 硬盘驱动器、CD-ROM/DVD-ROM 光驱、软盘驱动器、USB 闪存盘,,。
• • SD 卡： 支持模拟 SD 卡及其控制器。

3. 网络设备 (Networking)

QEMU 能够模拟多种经典和现代网卡，以确保对不同操作系统的兼容性：

• • 经典网卡： Intel E1000 系列（如 82540EM，兼容性极好）、Realtek RTL8139、NE2000、AMD Am79C970A 等,,。
• • 高性能网卡：VirtIO-net（半虚拟化网卡，性能最高，需 Guest OS 驱动支持）,。

4. 图形与显示设备 (Graphics)

为了让虚拟机有显示输出，QEMU 模拟了多种显卡：

• • 标准显卡： 标准 VGA、Cirrus Logic CLGD 5446（兼容旧系统）、VMware SVGA,。
• • 高性能/3D 显卡：QXL（配合 SPICE 协议使用）、VirtIO-GPU（支持 3D 加速）,。

5. 输入设备 (Input)

• • 鼠标与键盘： 标准 PS/2 鼠标和键盘、USB 鼠标和键盘,,。
• • 绝对定位设备：USB Tablet（绘图板）。在使用 VNC 查看虚拟机时，推荐使用 USB Tablet 模式，因为它能解决鼠标指针不同步的问题,。

6. 音频设备 (Audio)

QEMU 支持模拟多种声卡，使虚拟机能够发声：

• • 型号： Sound Blaster 16、ENSONIQ AudioPCI ES1370、Intel HD Audio (HDA)、AC97 等,。

7. 其他外设

• • USB 设备： USB 控制器（UHCI, OHCI, EHCI, xHCI），支持 USB 转发（Passthrough），即将宿主机的物理 USB 设备直接分配给虚拟机使用,。
• • 串行/并行端口： 模拟串口（Serial ports/COM）和并口（Parallel ports），常用于控制台输出或调试。
• • 看门狗（Watchdog）： 如 Intel 6300ESB，用于监控系统运行状态，死机时自动重启。
• • TPM： 软件模拟的 TPM（可信平台模块）芯片，用于安全启动和加密。

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