异架构相关

sky123
  2022-09-28 11:45:14 2022-09-28 11:45:14 Created   2025-11-10 01:45:32 2025-11-10 01:45:32 Updated      4.4k Words  18 Mins  

环境搭建

qemu 仿真

QEMU（Quick Emulator） 是一个开源的通用虚拟化和仿真框架，该框架主要有如下分类：

  • qemu-user：提供用户态的简单仿真。适用于对一些相对简单程序的进行仿真。

  • qemu-system：提供完整的系统级仿真。例如有些固件的运行需要一整套复杂的环境，单纯使用 qemu-user 仿真比较麻烦并且容易出问题，因此一个比较简单的方法是把整个 IOT 设备的文件系统扔到对应架构的一个完整虚拟机中然后 chroot 切换到 IOT 设备的文件系统的根目录进行仿真，此时需要使用 qemu-system 运行整个虚拟机。

  • qemu-utils：qemu 的一些配套工具，比如制作磁盘镜像的 qemu-img 。

安装命令：

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sudo apt install qemu -y
sudo apt install qemu-user qemu-user-static -y
sudo apt install qemu-system -y
sudo apt install qemu-utils -y

qemu-user

qemu-user 是 QEMU 的用户态仿真组件，用于在宿主机（例如 x86_64 Linux）上直接运行其他架构（如 ARM/MIPS/RISC-V）的用户态二进制程序。该组件只仿真用户空间指令，不包括系统级仿真，因而被仿真的二进制程序的系统调用由宿主机内核负责。

安装与使用

qemu-user 组件可以单独安装，安装命令如下：

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sudo apt install qemu-user qemu-user-static -y

qemu-user 的基本命令格式如下：

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qemu-<arch> [options] <target_program> [args...]

例如：

  • 在 x86_64 上运行 ARM 二进制

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    qemu-arm ./hello-arm

  • 在 x86_64 上运行 RISC-V 二进制并传递参数

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    qemu-riscv64 ./hello-riscv arg1 arg2

常用参数

qemu-user 支持一些特定参数：

  • -L <path>：指定目标程序依赖的根文件系统（sysroot）。适合动态链接二进制。
    例如：

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    qemu-arm -L /path/to/armfs ./hello-arm

    注意

    有些依赖特定动态库和特定路径的固件程序需要通过 chroot 将根目录切换到解压出的文件系统根目录然后再用 qemu-user 仿真程序，如果使用动态链接的 qemu-user 仿真会因根目录切换而无法找到 qemu-user 本身所依赖的动态库进而导致仿真失败，因此需要使用静态编译的 qemu-user-static 。

  • -strace：输出系统调用日志，调试用：

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    qemu-arm -strace ./hello-arm

  • -g <port>： 开启 gdbserver，进行远程调试：

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    qemu-arm -g 1234 ./hello-arm

  • -cpu <model>：指定仿真 CPU 型号：

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    qemu-arm -cpu cortex-a9 ./hello-arm

  • -E VAR=value：向目标程序注入环境变量。

binfmt

在 Linux 内核中，binfmt（binary format）机制负责决定“某个可执行文件被执行时应由谁来解释 / 运行”。通过配置 binfmt，我们可以“透明”地执行异架构的二进制程序，而不用显式的通过 qemu-user 执行。

这一能力的核心子系统是 **binfmt_misc**。加载 binfmt_misc 模块后，内核会在 /proc/sys/fs/binfmt_misc/ 目录下暴露一组伪文件，用户空间通过向这些文件写入配置即可把“文件格式 → 解释器”映射关系注册给内核。

qemu-user 在安装时会在 /proc/sys/fs/binfmt_misc/ 路径下添加 binfmt_misc 相应的配置文件。因此我们直接运行异架构程序 Linux 会选择正确的 qemu-user-static 程序运行。

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➜  ~ cat /proc/sys/fs/binfmt_misc/qemu-arm  
enabled
interpreter /usr/bin/qemu-arm-static
flags: OCF
offset 0
magic 7f454c4601010100000000000000000002002800
mask ffffffffffffff00fffffffffffffffffeffffff

然而对于动态链接的程序，qemu 可以正常加载程序，但是动态库却会默认使用本机的动态库导致程序崩溃，因此需要 -L 参数指定 ld 的前缀径。另外如果将交叉编译工具链添加到对应的 qemu-binfmt，则 qemu-user 在运行程序时能加载正确的动态链接库，不需要指定路径。

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sudo mkdir /etc/qemu-binfmt
sudo ln -s /usr/arm-linux-gnueabi /etc/qemu-binfmt/arm
sudo ln -s /usr/mipsel-linux-gnu/ /etc/qemu-binfmt/mipsel
sudo ln -s /usr/aarch64-linux-gnu /etc/qemu-binfmt/aarch64
sudo ln -s /usr/powerpc-linux-gnu /etc/qemu-binfmt/ppc
sudo ln -s /usr/mips64-linux-gnuabi64 /etc/qemu-binfmt/mips64
sudo ln -s /usr/mips64el-linux-gnuabi64 /etc/qemu-binfmt/mips64el
sudo ln -s /usr/mips-linux-gnu /etc/qemu-binfmt/mips

qemu-system

qemu-system 仿真需要提供系统内核和文件系统，我们可以在这个网站下载所需结构的内核和文件系统。

qemu-system 启动命令如下，具体启动参数还要参考镜像对应的 README 作相应的调整。

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qemu-system-arm \
    -M versatilepb \
    -kernel vmlinuz-3.2.0-4-versatile \
    -hda debian_wheezy_armel_standard.qcow2 \
    -initrd initrd.img-3.2.0-4-versatile \
    -append "root=/dev/sda1 console=tty0" \
    -net nic \
    -net tap,ifname=tap0,script=no,downscript=no \
    -nographic
  • -M malta：主板类型，参考内核镜像后缀。
  • -kernel vmlinux-3.2.0-4-4kc-malta：内核镜像。
  • -hda debian_wheezy_mipsel_standard.qcow2：虚拟磁盘镜像。
  • -initrd initrd.img-3.2.0-4-versatile：一个临时的文件系统映像，用于在Linux系统引导过程中提供必要的文件和工具，它通常用于初始化和准备真正的根文件系统之前。
  • -append root=/dev/sda1 console=tty0： 内核启动参数。
  • -net nic：添加一个网络接口卡（NIC）到模拟器中，以实现网络功能。
  • -net tap,ifname=tap0,script=no,downscript=no：添加一个 TAP 设备，并将其与模拟器中的网络接口卡关联起来，用于与主机的网络进行通信。
  • -nographic：禁用图形界面输出，只使用命令行界面进行连接和操作。

为了能够与 qemu 虚拟机通信，需要再 qemu 虚拟机启动先在外部主机创建并配置网卡 tap0 。

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sudo apt install uml-utilities

if ! ip link show tap0 &>/dev/null; then
    tunctl -t tap0 -u $(whoami)
fi
ifconfig tap0 192.168.2.1/24

qemu 虚拟机启动后需要再虚拟机中分配 ip 。

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ifconfig eth0 192.168.2.2/24

之后就可以通过 scp 向虚拟机传文件或者 ssh 登录虚拟机。

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sudo apt install sshpass
sshpass -p root scp squashfs-root.tar.xz root@192.168.2.2:~
sshpass -p root ssh root@192.168.2.2

交叉编译

交叉编译工具链

对于一些简单情形的交叉编译，直接下载对应的交叉编译工具链即可。

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sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabi g++-arm-linux-gnueabi -y
sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu g++-aarch64-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-mips64el-linux-gnuabi64 g++-mips64el-linux-gnuabi64 -y
sudo apt install gcc-mips-linux-gnu g++-mips-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-mipsel-linux-gnu g++-mipsel-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-mips64-linux-gnuabi64 g++-mips64-linux-gnuabi64 -y
sudo apt install gcc-powerpc-linux-gnu g++-powerpc-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-powerpc64-linux-gnu g++-powerpc64-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-riscv64-linux-gnu g++-riscv64-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-alpha-linux-gnu g++-alpha-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-s390x-linux-gnu g++-s390x-linux-gnu -y
sudo apt install gcc-sparc64-linux-gnu g++-sparc64-linux-gnu -y

crosstool-ng

crosstool-ng 是一个 跨平台交叉编译工具链自动生成器。它通过一套脚本 + Kconfig 菜单界面，自动下载、打补丁、配置并编译 Binutils、GCC、C 库及调试工具，最终生成可重复使用的交叉编译环境（<triplet>-gcc、<triplet>-gdb 等）。

crosstool-ng 安装

在安装 crosstool-NG 之前，可能需要在宿主操作系统上额外安装若干软件包。这里我们可以参考项目中对应系统的 Dockerfile，例如 Ubuntu 22.04 需要安装如下依赖：

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sudo apt-get update
sudo apt-get install -y gcc g++ gperf bison flex texinfo help2man make libncurses5-dev \
python3-dev autoconf automake libtool libtool-bin gawk wget bzip2 xz-utils unzip \
patch libstdc++6 rsync git meson ninja-build

之后将 crosstool-ng 项目克隆下来：

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git clone https://github.com/crosstool-ng/crosstool-ng

克隆后须先执行 bootstrap 生成 configure：

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cd crosstool-ng && ./bootstrap

之后编译安装即可：

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./configure --prefix=/usr
make -j$(nproc)
sudo make install

构建交叉编译工具链

这里以 x86-32 架构为例。

提示

由于构建整个工具链的过程受众多依赖种类、版本等影响，因此只能通过排列组合探索出一种可行的方式，并不能保证这个配置方式是最简的。

ARM

ARM 版本体系

ARM的版本体系可以分为三个层次：

  • 架构版本（ISA） ：这是 ARM 处理器的核心指令集架构，决定了处理器如何执行指令、如何与内存交互。
  • 核心版本（Core） ：基于架构，ARM 会设计具体的处理器核心，比如 Cortex 系列、Neoverse 等。
  • 平台和产品系列 ：ARM 设计的不同平台解决方案，比如面向移动设备的平台，面向服务器的 Neoverse 平台等。

ARM 架构版本（ISA）

ARM的架构版本是ARM处理器指令集的基础，从 ARMv4 开始，到现在的 ARMv9 ，ARM经历了几个大的变革：

架构版本 发布年份 特点 代表性产品
ARMv4 1994 初代架构，支持32位指令集，主打低功耗嵌入式应用。 ARM7TDMI
ARMv5 1999 加入了增强指令集，优化了性能，支持更高效的指令执行。 ARM9
ARMv6 2001 引入了Thumb指令集（16位指令，减小代码体积），支持更复杂的缓存系统。 ARM11
ARMv7 2005 分为A/R/M三种子架构，支持硬件虚拟化、浮点运算、SIMD等功能，支持Thumb-2（16/32位混合）。 Cortex-A8, Cortex-A9
ARMv8 2011 支持64位架构（AArch64），引入了64位寄存器和指令，提升了性能和寻址能力，同时保持向下兼容32位。 Cortex-A53, Cortex-A57
ARMv9 2021 强化了AI加速、安全（TrustZone增强）和虚拟化功能，同时优化了指令集。 Cortex-A510, Cortex-A710, Neoverse V1

其中 ARMv8 架构在引入 64 位计算时，增加了 AArch 作为区分不同指令集架构模式的标识，提出了 AArch32 和 AArch64 两个明确的模式：

  • AArch32：保持与 ARMv7 及之前架构兼容，支持 32 位程序执行，且继续支持 Thumb模式（16位指令）和 ARM模式（32位指令）。
  • AArch64：是 ARMv8 引入的 64 位指令集，处理器支持 64 位寄存器（X0-X30），支持更大的寻址空间，且指令集被简化为统一的 32 位宽度指令（没有 Thumb 模式）。

ARM核心版本（Core）

ARM 设计了多个处理器核心系列，用于满足不同的应用需求。每个核心基于一个架构版本，提供了不同的性能、功耗、特性。

核心系列 说明 代表核心
Cortex-A系列 高性能，面向应用处理器，支持运行操作系统（Linux/Android等），适用于手机、平板、笔记本等设备。 Cortex-A7, Cortex-A9, Cortex-A53, Cortex-A72, Cortex-A76, Cortex-A78
Cortex-R系列 实时处理器，强调低延迟和高可靠性，广泛用于汽车、工业控制、实时系统等领域。 Cortex-R4, Cortex-R5, Cortex-R7
Cortex-M系列 超低功耗微控制器，适用于嵌入式系统、物联网、传感器控制等。 Cortex-M0, Cortex-M0+, Cortex-M3, Cortex-M4, Cortex-M7, Cortex-M33
Neoverse系列 针对数据中心、云计算、服务器市场设计，优化了AI和高吞吐量任务。 Neoverse N1, Neoverse V1

ARM 平台和产品系列

ARM 不仅设计了核心，还根据市场需求推出了各种完整的系统平台解决方案。这些平台集成了 ARM 处理器、GPU、内存、I/O 等组件，形成一个完整的 SoC（System-on-Chip）方案。

平台 说明 代表平台/产品
ARMv7-A/ARMv8-A平台 移动和消费电子产品，支持高性能处理器、图形、音视频处理等。 Apple A系列，Qualcomm Snapdragon
Neoverse平台 针对数据中心、云计算、边缘计算等市场设计，提供高性能的ARM处理器，优化了AI计算、并行处理和高吞吐量。 AWS Graviton，Ampere Altra
Automotive平台 针对汽车电子、自动驾驶提供优化的处理器和系统方案。 ARM Cortex-A系列在车载系统中的应用
Arm Total Compute平台 针对智能终端设备（手机、平板、嵌入式设备）提供的完整系统平台，集成CPU、GPU、AI加速器等。 Arm’s solution for mobile devices

ARM32

寄存器

通用寄存器

编号 约定名 典型角色（AAPCS/EABI 主流） 保存约定
r0–r3 — 参数 1–4、返回值（r0；64 位返回用 r0–r1），临时值 调用者保存（caller‑saved）
r4–r11 —（r11 常作 FP） 被调方可保留使用的通用寄存器；有的编译器把 r11 当 帧指针 FP 被调保存（callee‑saved）
r12 IP（Intra‑procedure scratch） 过程内临时寄存器；链接器 veneer/PLT 经常用它做跳板/中转 调用者保存
r13 SP 栈指针（各异常模式多数都有独立的 r13，见 1.3） 特殊
r14 LR 返回地址（BL/BLX 写入）；函数若继续 call 他人应先入栈保存 特殊
r15 PC 程序计数器。读到的是“当前指令地址 + 偏移”（ARM≈+8，Thumb≈+4）；写入=跳转/切态 特殊

r9（SB/平台寄存器）：AAPCS 指定 r9 可作为“平台寄存器”，常被某些平台/工具链拿来充当 GOT/小数据静态基（SB） 或 TLS 指针（具体由平台约定）。在很多 Linux/EABI + 现代 GCC/Clang 的 PC 相对/PIC 代码里，r9 可能空闲，但也可能被用作 GOT 基址。

程序状态寄存器 CPSR

  • 条件标志：N(负), Z(零), C(进位), V(溢出), Q(饱和)。

  • 控制位：

    • T（Thumb 状态标志；1=Thumb，0=ARM）；
    • E（端序；1=BE，0=LE，平台固定/受控）；
    • A/I/F（禁用异步中止/IRQ/FIQ）；
    • GE[3:0]（SIMD 比较分组结果）；
    • IT 域（Thumb 的 IT 块状态）；
    • M[4:0]（处理器模式位）。

  • 访问：MRS/MSR CPSR；异常模式还可 MRS/MSR SPSR。

浮点/向量寄存器（VFP/NEON）

  • VFP/NEON 统一寄存器文件：

    • Q0–Q15（128 位）↔ D0–D31（64 位）↔ S0–S31（32 位）三套视图互相重叠。
    • 有的实现只有 D0–D15（VFPv3‑D16）。

  • 硬浮点 ABI（armhf）保存约定（AAPCS）：

    • 被调保存：D8–D15（即 S16–S31 / Q4–Q7 涉及到的片段）。
    • 其余（D0–D7、D16–D31）调用者保存。

  • 参数/返回：硬浮点下，浮点参数优先走 s/d/q；返回用 s0/d0（或 q0 某视图）。

汇编指令

调用约定

  • 参数寄存器：r0–r3；多余参数走栈（按 4 字节对齐）。

  • 返回：r0（64 位放 r0–r1；结构体可能经隐藏指针）。

  • 易失/保存：

    • caller‑saved：r0–r3、r12；VFP 的 D0–D7、D16–D31；
    • callee‑saved：r4–r11（以及 VFP 的 D8–D15）。

  • 栈：满递减（向低地址生长），跨调用点需 8 字节对齐。

  • 系统调用（Linux）：r7 = NR；r0..r6 = args；svc 0（返回在 r0，负值为 -errno）。

  • Thumb 下 r7：某些编译器把 r7 用作 帧指针；若手写 syscall（svc），要确保不与编译器的 r7 用途冲突（常用 内联汇编约束 或禁用 FP）。

其它特性

ARM64

寄存器

AArch64 共有 31 个 64 位通用寄存器：x0–x30（32 位别名为 w0–w30），外加**栈指针 sp**（有 wsp 别名）与不可直接寻址的 pc。

通用寄存器

范围 名称 角色（要点）
x0–x7 参数/返回寄存器 函数前 8 个整型/指针参数与返回值使用；caller-saved（被调用者可破坏）。
x8 间接结果位置寄存器 (IRL) 当返回“大对象/结构体”时，调用者把返回缓冲区地址放在 x8 传给被调函数；此外在 Linux 系统调用里，x8 还装系统调用号（与 C 调用约定无关）。
x9–x15 临时（scratch） caller-saved，函数内部临时值。
x16–x17 IP0 / IP1 “过程内调用临时寄存器”，可被链接器的跳板/PLT veneer使用；在普通代码里也可做临时，但要知道随时会被尾调用/跳板改写。caller-saved。
x18 平台寄存器 AAPCS64 保留给平台约定：如果平台需要跨调用携带状态（如线程上下文），就用 x18；否则可作临时。可移植汇编最好避免使用。在 Apple 平台强制保留（不要用），Windows/ARM64也保留；Linux/ARM64通常当普通 caller‑saved 使用。
x19–x28 callee‑saved 被调用者必须在返回前恢复它们（64 位全宽必须保留）。常用于保存长期活跃的局部变量/指针。
x29 FP（帧指针） AAPCS64 允许作为通用 callee‑saved 或维持帧链；Apple 平台要求始终保持有效帧记录（便于回溯）。
x30 LR（链接寄存器） BL/BLR 写返回地址到 x30；RET 从 x30 返回。调用者如需保留需入栈。
SP 栈指针 16 字节对齐；只能在有限指令形态中参与（如 ADD/SUB (imm) 调整栈，或做访存基址）。**任何通过 SP 的访存都要求 SP % 16 == 0**。
XZR/WZR 零寄存器 读恒为 0，写被丢弃；可作为算术“把结果丢弃/与 0 运算”的操作数。注意：编码上与 SP 复用寄存器号 31，具体解释取决于指令语境。
PC 程序计数器 不可当通用寄存器直接读写；PC 相对地址由 ADR/ADRP 计算。

32 位别名（w0–w30）写入会把对应的 xN 高 32 位清 0（零扩展语义），很多时候你只需对 wN 写就相当于完成了零扩展。

x16/x17 可能被 PLT/Veneer 暂用，不要指望跨函数调用保存其内容（哪怕你没显式用它们）。

汇编指令

调用约定

C 调用：调用者把返回缓冲区地址放入 x8，被调用者把结果写回该地址后以“void”返回；这是 AAPCS64 的间接结果位置寄存器规则。

Linux 系统调用：参数 x0–x5，系统调用号在 x8，返回在 x0，通过 svc #0 进入内核。

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stp   x29, x30, [sp, #-16]!
mov   x29, sp
    ...                    // 保存 x19–x28 / v8–v15（按需）
ldp   x29, x30, [sp], #16
ret

MIPS

  • Title: 异架构相关
  • Author: sky123
  • Created at : 2022-09-28 11:45:14
  • Updated at : 2025-11-10 01:45:32
  • Link: https://skyi23.github.io/2022/09/28/异架构相关/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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异架构相关
  1. 环境搭建
    1. qemu 仿真
      1. qemu-user
        1. 安装与使用
        2. 常用参数
        3. binfmt
      2. qemu-system
    2. 交叉编译
      1. 交叉编译工具链
      2. crosstool-ng
        1. crosstool-ng 安装
        2. 构建交叉编译工具链
  2. ARM
    1. ARM 版本体系
      1. ARM 架构版本（ISA）
      2. ARM核心版本（Core）
      3. ARM 平台和产品系列
    2. ARM32
      1. 寄存器
        1. 通用寄存器
        2. 程序状态寄存器 CPSR
        3. 浮点/向量寄存器（VFP/NEON）
      2. 汇编指令
      3. 调用约定
      4. 其它特性
    3. ARM64
      1. 寄存器
        1. 通用寄存器
      2. 汇编指令
      3. 调用约定
  3. MIPS