x86 主机模拟 ARM64：从零搭建完整开发环境

ARM 模拟能做什么

在 x86 主机上模拟 ARM 架构，是 QEMU 最独特的能力之一。没有任何其他虚拟化软件能做到这一点。典型用途：

嵌入式开发：模拟 ARM 开发板（Raspberry Pi 类），在上面调试 u-boot、内核、驱动
移动端应用测试：模拟 arm64 Android 环境（虽然 Android Studio 有自带模拟器，但底层也是 QEMU）
跨平台编译验证：编译好的 ARM 二进制在用户态模拟里快速验证
学习 ARM 架构：写 ARM 汇编，在 QEMU 里单步调试

ARM 模拟的难点

ARM 模拟和 x86 模拟有两个关键差异：

加速器受限：x86 主机上模拟 ARM 时 TCG 是唯一选择（架构不同，硬件加速不适用）。性能较慢
板卡选型：ARM 没有统一的"PC"——每种板卡设备组合完全不同。QEMU 提供了几种通用板卡

QEMU 支持的 ARM 板卡

板卡名	说明	用途
`virt`	QEMU 虚拟 ARM 服务器板	跑通用 Linux 发行版，推荐
`raspi2b`	Raspberry Pi 2 Model B	模拟树莓派
`raspi3ap`	Raspberry Pi 3 Model A+	模拟树莓派
`versatilepb`	ARM Versatile	经典 ARM 开发板
`vexpress-a15`	Vexpress Cortex-A15	嵌入式开发
`aarch64`	通用 AArch64	最通用

大多数场景用 -M virt 就够了——这是 QEMU 设计的"理想"ARM 服务器板，设备支持最完整。

模拟 ARM64 Linux（virt 板）

准备材料

内核镜像（vmlinuz）和 initramfs（initrd.img）——从 Ubuntu ARM64 ISO 里提取
根文件系统（rootfs）——qcow2 格式
可选：ARM64 ISO 用于全新安装

步骤一：创建根文件系统

qemu-img create -f qcow2 rootfs.qcow2 10G

步骤二：提取内核和 initrd

挂载 Ubuntu ARM64 ISO，从中提取：

casper/vmlinuz → 重命名为 vmlinuz-arm64
casper/initrd → 重命名为 initrd-arm64

步骤三：启动

qemu-system-aarch64 \
  -M virt \
  -m 4G \
  -cpu max \
  -kernel vmlinuz-arm64 \
  -initrd initrd-arm64 \
  -drive file=rootfs.qcow2,format=qcow2,if=virtio \
  -append "root=/dev/vda1 console=ttyAMA0" \
  -netdev user,id=n0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
  -device virtio-net-pci,netdev=n0 \
  -nographic

逐行解释：

-M virt：选 virt 板卡（ARM64 上最通用）
-cpu max：暴露当前 QEMU 支持的最强 ARM CPU 特性
-kernel + -initrd：直接引导内核，跳过 u-boot
-append：内核参数，指定根分区和控制台
-nographic：所有输出走终端（ttyAMA0 是 ARM64 的串口）

首次启动安装系统

如果 rootfs.qcow2 是空的，需要先引导 Ubuntu 安装器：

qemu-system-aarch64 \
  -M virt -m 4G -cpu max \
  -cdrom ubuntu-24.04-live-server-arm64.iso \
  -drive file=rootfs.qcow2,format=qcow2,if=virtio \
  -nic user,hostfwd=tcp::2222-:22 \
  -nographic

安装完成后重启，用第一种命令引导新系统。

在 Apple Silicon Mac 上模拟 ARM

Apple Silicon 本身是 ARM64，QEMU 可以用 HVF 加速！

qemu-system-aarch64 \
  -accel hvf \
  -M virt -m 8G -cpu host \
  -kernel vmlinuz \
  -initrd initrd \
  -drive file=rootfs.qcow2,format=qcow2 \
  -append "root=/dev/vda1 console=ttyAMA0" \
  -nographic

这是性能最高的 ARM 模拟方案——Apple Silicon 原生执行 ARM64 指令，性能接近物理机。

注意：-cpu host 在 Apple Silicon 上可能不可用。如果报特性不支持，换成 -cpu max,pauth-impdef=on。

用户态 ARM 模拟

不需要完整系统，只是跑 ARM 编译的二进制：

# 安装用户态模拟器
sudo apt install qemu-user qemu-user-static

# 模拟运行
qemu-aarch64 ./my-arm64-binary

# 带根文件系统
qemu-aarch64-L /opt/arm64-rootfs ./my-arm64-binary

用户态模拟只翻译指令，共享宿主机的系统调用。速度比全系统模拟快得多。

GDB 调试 ARM 内核

QEMU 可以在启动时打开 GDB server，让你在 GDB 里单步调试 Guest 内核：

# QEMU 侧打开 GDB server
qemu-system-aarch64 \
  -M virt -m 4G -smp 4 \
  -kernel vmlinuz -initrd initrd \
  -drive file=rootfs.qcow2,format=qcow2 \
  -append "root=/dev/vda1 nokaslr" \
  -s -S \
  -nographic

# -s 在 1234 端口开 GDB server，-S 启动后暂停等待连接

另一个终端连上去：

# ARM GDB
aarch64-linux-gnu-gdb vmlinux

(gdb) target remote :1234
(gdb) b start_kernel
(gdb) continue

常见问题

Guest 里没有 eth0

virt 板卡的网卡在 Guest Linux 里叫 ens3（或 enp0s1），不是 eth0。Ubuntu 用 netplan，修改 /etc/netplan/*.yaml 配置。

u-boot 引导问题

用 -kernel 跳过 u-boot 是最简单的方式。如果必须用 u-boot（比如要测试 u-boot 本身），需要额外编译 u-boot.bin 并指定。

模拟速度慢

x86 主机上只能用 TCG，速度是 ARM 物理机的 5%~15%。建议：

Guest 里跑轻量系统（Alpine、OpenWrt）
用 -accel tcg,thread=multi 多线程翻译
分给 Guest 合理的 CPU 核数（不要给太多）

下一步

ARM 模拟通了？去 RISC-V 模拟看看同样的套路怎么跑 RISC-V。