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Wie kann man Raspberry Pi mit QEMU emulieren

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Kategorie: Raspberry
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Die Raspberry Pi findet immer mehr Freunde und Anhänger und häufig wollen Interessierte einfach mal sehen wie das Betriebssystem Raspbian aussieht und wie es zu bedienen ist. Ich für meine Person suchte nach einem einfachen Weg ein von mir erstelltes backup Programm mit dem Namen raspiBackup einfacher zu testen. Dafür bietet es sich an, die Raspberry in QEMU emulieren zu lassen. Spezielle Hardware wie GPIOs usw werden nicht emuliert. Es ist alleinig der Prozessor der emuliert wird. Voraussetzung ist ein Raspbian Image sowie einen Rechner mit Linux oder Windows.  Da ich das heute auch mal ausprobiert habe habe ich im folgenden Howto Beitrag Schritt für Schritt für Linux beschrieben wie ich unter einem Debian Linux ein QEMU installiert und konfiguriert habe und dann das Raspbian gestartet und erfolgreich betreibe. Das Image  besitzt nach dem Start gleich eine Netzwerkverbindung und benutzt die existierende Netzwerkverbindung des Hostsystems per NAT mit. We häufiger ein Image erstellen muss findet ein Script welches die Imageerstellung beschleunigt.

 

1. Schnellstart

 

1.1 Installation von QEMU

Voraussetzung:  Die CPU unterstützt Hardwarevirtualisierung. Test mit
egrep '^flags.*(vmx|svm)' /proc/cpuinfo
Sollte da kein Ergebnis kommen ist vermutlich keine ARM Emulation möglich.
 

sudo apt-get install kvm qemu
 

1.2 Download eines Raspbianimages und des Linux kernels für qemu (wheezy or stretch)

a) wget 2012-12-16-wheezy-raspbian/2012-12-16-wheezy-raspbian.zip
b) unzip 2012-12-16-wheezy-raspbian.zip

 

Entsprechendes qemu kernel downloaden von https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel. Für Wheezy ist es

curl -L wget https://github.com/dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel/blob/master/kernel-qemu-3.10.25-wheezy > kernel-qemu

 

1.3 Anpassen des Images so dass es mit qemu startet

a) file 2012-12-16-wheezy-raspbian.zip
Von der Ausgabe des Befehls muss der Startsektorwert der zweiten Partition mit 512 multipliziert werden und das ist dann der Offset im folgenden Befehl
b) sudo mount 2012-12-16-wheezy-raspbian.zip -o offset=62914560 /mnt
c) sudo nano /mnt/etc/ld.so.preload
Die eine Zeile in der Datei muss auskommentiert werden mit einem # als erstes Zeichen in der Zeile
d) sudo umount /mnt
 

1.4 Starten des Images

sudo qemu-system-arm -kernel kernel-qemu -cpu arm1176 -m 256 -M versatilepb -no-reboot -append "root=/dev/sda2 panic=1" -hda 2012-12-16-wheezy-raspbian.img -net nic -net tap,ifname=tap0,vlan=0 
 

1.5 Anmelden und Konfigurieren

a) Logon mit Benutzer pi und Kennwort raspberry ABER: Da eine englische Tastatur konfiguriert ist im Image muss vor der Tastaturumstellung auf Deutsch dass Kennwort raspberrz benutzt werden
b) raspiconfigwird automatisch gestartet
Danach das Tastaturlayout auf Deutsch und die Zeitzone auf Deutschland umstellen. Das Vergrössern der Platte geht nicht. Anleitung dazu im nächsten Kapitel.
d) startx

 

Jetzt kann das auf der simulierten Pi laufende Raspian ausgiebig werden. Zu beachten ist, dass nicht mehr viel Platz auf der Platte ist.
Wer seinen ganzen Bildschirm für die Pi benutzen möchte muss <STRG><ALT>f eingeben. Dieselbe Tastenkonfiguration nimmt den Befehl wieder zurück. <STRG> <ALT>2 öffnet den QEMU Monitor. Interessant für Leute die sich mit QEMU näher befassen wollen. <STRG><ALT>1 öffnet wieder das normale Konsolenfenster.
 
 

2. Erweiterung der virtuellen Platte

 

Die benutze virtuelle Platte ist nur 2GB gross und es ist nicht mehr viel Platz auf ihr. Die Platte kann aber wie folgt erweitert werden:
 

2.1  Erstellung einer virtuellen Platte im Format qcow

Das qcow Format hat den Vorteil, dass es nur soviel Plattenplatz belegt, wie von der virtuellen Platte benötigt wird. Der alternative Ansatz die img Platte zu erweitern belegt immer den ganzen Plattenplatz obwohl er nicht benötigt wird.
 
a) sudo shutdown -h now (im Raspberry Gastsystem)
b) qemu-img convert -f raw -O qcow2 2012-12-16-wheezy-raspbian.img raspbian.qcow (auf dem Host)
 

2.2 Vergrößerung der virtuellen Platte

a) qemu-img resize raspbian.qcow +6G (auf dem Host)
b) sudo qemu-system-arm -kernel kernel-qemu -cpu arm1176 -m 256 -M versatilepb -no-reboot -append "root=/dev/sda2 panic=1" -hda raspian.qcow -net nic -net tap,ifname=tap0,vlan=0  (auf dem Host)
c) Nun entweder die virtualle SD Karte mit raspi-config vergrößern oder durch Ausführung der Schritte d-f
d) PART_START=$(parted /dev/sda -ms unit s p |grep “^2″ | cut -f 2 -d:); echo -e " p\nd\n2\nn\np\n2\n$PART_START\np\n\nw\n" | sudo fdisk /dev/sda (im Raspberry Gastsystem)
e) sudo shutdown -r now (im Raspberry Gastsystem)
f) sudo resize2fs /dev/sda2 (im Raspberry Gastsystem)
 

2.3 Erstellen von /dev/mmcblk0px

Wenn man die beiden Devices /dev/mmcblk0p1 und /dev/mmcblk0p2 benötigt muss man noch folgende Definitionen in /etc/udev/rules.d/90-qemu.rules erstellen:
 
KERNEL=="sda", SYMLINK+="mmcblk0"
KERNEL=="sda?", SYMLINK+="mmcblk0p%n"
KERNEL=="sda2", SYMLINK+="root"
 

3. Script um ein Image für qemu vorzubereiten

Wer häufiger Images konvertieren muss kann auch das folgende von mir geschriebene Script benutzen. Es konvertiert ein img in qcow2, vergrößert das image und nimmt die oben beschriebenen notwendigen Änderungen vor um das Image dann in qemu starten zu können.

 

4. Netzwerkanbindung des Images

Damit qemu über das Hostsystem ins externe Netzwerk zugreifen kann muss auf dem Hostsystem eine Brücke existieren und ein existierendes Netzwerkinterface eth0 muss an einer Brücke hängen. Dazu habe ich folgende Definitionen in /etc/network/interfaces vorgenommen

auto lo
iface lo inet loopback

auto eth0
iface eth0 inet manual

auto br0
iface br0 inet dhcp
        bridge_ports eth0
        bridge_stp off
        bridge_fd 0
        bridge_maxwait 0

 

5. Start eine Images

Ich möchte, dass mein Image immer dieselbe MAC Adresse erhält, so dass der Homerouter ihm immer dieselbe IP Adresse per DHCP vergibt. Dazu benutze ich folgendes Script mit dem Namen start.sh

#!/bin/bash 
DIR=$( cd "$( dirname "${BASH_SOURCE[0]}" )" && pwd )
F=$DIR/macdict.txt
found=0
if [ -e $F ]; then
    if grep -q "^$1 " $F; then
        mac=$(grep "^$1 " $F | cut -d ' ' -f 2)
        found=1
        echo "Reusing mac $mac for $1"
    fi
fi
if (( ! found )); then
    # generate a random mac address for the qemu nic
    mac=$(printf 'DE:AD:BE:EF:%02X:%02X\n' $((RANDOM%256)) $((RANDOM%256)))
    echo "$1 $mac" >> $F
    echo "Generated mac $mac for $1"
fi
sudo qemu-system-arm -kernel $DIR/kernel-qemu -cpu arm1176 -m 256 -M versatilepb -no-reboot -append "root=/dev/sda2 panic=1" -hda $DIR/$1 -net nic,macaddr=$mac  -net tap

 

Quellen für diesen Artikel

QEMU RPI kernels

HOWTO: Virtual Raspbian on Qemu in Ubuntu Linux 12.10

Emulate a Raspberry Pi with Qemu+ KVM

Howto setup Raspberry Pi emulation with QEMU on LInux or Windows

KVM/ARM: The Design and Implementation of the Linux ARM Hypervisor

qemu-rpi-kernel: git repository mit rpi kernels

Raspbian on QEMU with network access

 

Erfahrungen mit der QEMU Emulation und Raspberry

Die Emulation wird primär dazu eingesetzt das Tool raspiBackup.sh zu testen. Beim Test des Restores des erstellten Backups ist es notwendig direkt auf das neue leere Image vom Host zuzugreifen. Das funktioniert auch gut mit den folgenden Befehlen

sudo losetup -d /dev/loop0
sudo losetup /dev/loop0 raspiBackupRestore.img
kpartx -av /dev/loop0

Danach kann man auf /dev/loop0 vom Host zugreifen und das Backup restoren. Allerdings gabe es beim restore des tar und rsync Backups beim Booten der restoreten VM immer Filesystemfehler. Das dd Backup konnte aber dagegen ohne Probleme gestartet werden. Nach längerem Debuggen fand ich raus warum es das Problem gab: Da ich immer ein ziemlich altes Standard raspbian Image benutze um es zu backuppen dachte das Image beim booten immer es würde momentan Anno 2014 gestartet werden (Jetzt ist es 2015). Da tar bzw rsync restore das Filesystem im Image mit dem aktuellsten Datum versah stellte das Image immer beim Booten fest, das das Filesystem in der Zukunft geändert wurde und verlangte ein fsck. Da beim dd restore das Filesystem nicht geändert wurde trat der Fehler dort nicht auf. Die Lösung des Problems war am Ende des restores noch folgende Aktionen auszuführen

mount /dev/loop0p2 /mnt
echo $(date +"%Y-%m-%d %T") > /mnt/etc/fake-hwclock.data
umount /mnt

Damit wird die fake-hwclock des alten Raspbian Images auf die aktuelle Zeit gesetzt und es startet nicht mehr Anno 2014 sondern in der aktuellen Zeit wo das Backup restored wurde.

 

Raspberry Emulation in einem Docker Container

 

Wer eine Raspberry in einem Docker Container starten will kann auf dieses git Respository von Luke Childs - dockerpi - zugreifen. Dort findet sich ein Dockerfile und README in dem beschrieben wird wie man das Dockerimage baut und nutzt. Man kann beliebige Images nutzen. Default ist ein Busterimage 2019-09-26-raspbian-buster-lite. Zugang bekommt man entweder per ssh über den lokalen Port 5022 oder direkt auf der Konsole. Für raspiBackup kann ich es leider nicht nutzen da /dev/mmcblk0p1 incl /boot fehlt und nur /dev/mmcblk0p2 als Root existiert.

Es ist aber ein voll funktionsfähiges Original Buster RaspianOS.

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    Kommentare   
    #2 framp 2017-01-09 16:24
    Moin Feuerreiter,

    vielen Dank fuer den Hinweis. Hier findet man jetzt die Kernel fuer Weezy und Jessie.

    Cu framp
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    #1 Feuerreiter 2017-01-09 15:56
    Huhu, ich wollte einmal melden, dass der Link für den Kernel unter 1.2 nicht mehr geht ;-)
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