QEMUでx86_64用Linuxカーネルを起動する

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概要
はじめに
環境構成
クロスコンパイラ環境の構築手順
ルートファイルシステムの構築
カーネルの起動
おわりに
変更履歴
参考

概要

x86_64用にLinux カーネルをビルド、BuildRootで構築したルートファイルシステムを用意する。
また、QEMUでこれらをバイナリを動かし、ルートファイルシステムがマウントできることを確認した。

はじめに

x86はIntelが開発したマイクロプロセッサの命令セットアーキテクチャであり、x86_64はx86を64ビットに拡張した命令セットアーキテクチャである。
x86はパーソナルコンピュータやサーバなど幅広く使われている。

一方、プロセッサエミュレータのQEMUは、ブートローダの再設定などせずにカーネルやramdiskを直接ロードすることができる。そこで、プロセッサエミュレータでもあるQEMUを用いてx86_64用にビルドされたLinux カーネルを動かす方法を解説する。

本記事では、以下の動作をする環境を目指す。

QEMUからx86_64用Linux カーネルが起動できる
カーネルの起動時、ハードディスク内のルートファイルシステムをマウントする

環境構成

ホスト環境x86_64アーキテクチャに構築する。

起動対象のLinux カーネルは、ホストOS(Ubuntu 18.04)上にインストールしたQEMUから動作させる。また、今回はクロスコンパイラ環境をDockerで構築した。

ルートファイルシステムとして、Buildrootで生成したルートファイルシステムの非圧縮のcpio形式のアーカイブを利用する。

本記事は、下記の環境とソフトウェアバージョンに基づいて説明する。

環境	パラメータ
ホスト環境	x86_64
ホストOS	Ubuntu 20.04
Buildroot	buildroot-2020.02.8
QEMU	QEMU emulator version 4.2.1
linux	5.7
Docker	version 19.03.13
Docker image	ubuntu:20.04

クロスコンパイラ環境の構築手順

ホスト環境にDockerをインストールする。 docs.docker.com
クロスコンパイラ環境を構築する。(作成が億劫な人は、著者自作Dockerfile(https://github.com/LeavaTail/kernel-build)を使用してほしい)
```
 leava@ubuntu-bionic:~$ docker run --rm --name=kbuild -h "kbuild" -v /srv:/work -it ubuntu:20.04 /bin/bash 
```
コンテナ環境下にカーネルのビルドに必要なパッケージをインストールする。(今回はUbuntuコンテナを利用する)
```
 root@kbuild:/# apt install git bc bison flex libssl-dev make libncurses-dev libelf-dev file wget cpio unzip rsync build-essential
```

カーネルソースの取得

 root@kbuild:/# cd /work
 root@kbuild:/work# git clone https://github.com/torvalds/linux.git
 root@kbuild:/work# cd linux
 root@kbuild:/work/linux# git checkout -b v5.7 refs/tags/v5.7

クロスコンパイラ環境用の環境変数を設定する。
```
 root@kbuild:/work/linux# export ARCH="x86"
```
x86用Linux カーネル用のコンフィグを生成する。
```
 root@kbuild:/work/linux# make x86_64_defconfig
```

カーネルをビルドする。

 root@kbuild:/work/linux# make -j `getconf _NPROCESSORS_ONLN` bzImage

ルートファイルシステムの構築

Buildrootを用いてrootfsを構築する。

Buildrootをインターネットからダウンロード、ファイルを解凍する。

 leava@ubuntu-bionic:~$ wget https://buildroot.org/downloads/buildroot-2020.02.8.tar.gz
 leava@ubuntu-bionic:~$ tar zxvf  buildroot-2020.02.8.tar.gz && cd buildroot-2020.02.8

x86_64専用のデフォルトコンフィグqemu_x86_64_defconfigを利用する。
```
 leava@ubuntu-bionic:~/buildroot-2020.02.8$ make qemu_x86_64_defconfig
```

Buildrootのビルド

 leava@ubuntu-bionic:~/buildroot-2020.02.8$ make

ルートファイルシステムの確認

 leava@ubuntu-bionic:~/buildroot-2020.02.8$ ls -l output/images/rootfs.ext4
 lrwxrwxrwx 1 root root 11 Sep  8 15:45 output/images/rootfs.ext4 -> rootfs.ext2

カーネルの起動

x86用QEMUをインストールする。

 leava@ubuntu-bionic:~$ sudo apt install qemu-system-x86

作成したカーネルをQEMUで実行する。

 leava@ubuntu-bionic:~$ qemu-system-x86_64 \
     -kernel /srv/linux/arch/x86/boot/bzImage \
     -drive file=/srv/buildroot-2020.02.8/output/images/rootfs.ext2,if=ide,format=raw
     -nographic \
     -append "root=/dev/sda console=ttyS0"