QEMU 如何加载 Linux kernel image

QEMU 提供了 -kernel 参数来指定 Guest 的内核，这对于调试内核非常的方便，现在说明一下 -kernel 选项是如何实现的:

阅读本文需要大致了解 fw_cfg 的知识

x86 + seabios 下如何工作的

QEMU 侧的准备

static void machine_set_kernel(Object *obj, const char *value, Error **errp)
{
    MachineState *ms = MACHINE(obj);

    g_free(ms->kernel_filename);
    ms->kernel_filename = g_strdup(value);
}

在 x86_load_linux 中添加 linuxboot_dma.bin 到 option_rom 数组中

    f = fopen(kernel_filename, "rb");

    if (fread(kernel, 1, kernel_size, f) != kernel_size) { // 读去文件内容
        fprintf(stderr, "fread() failed\n");
        exit(1);
    }

    fw_cfg_add_bytes(fw_cfg, FW_CFG_KERNEL_DATA, kernel, kernel_size); // 通过 FW_CFG_KERNEL_DATA 告知 seabios

    option_rom[nb_option_roms].bootindex = 0;
    option_rom[nb_option_roms].name = "linuxboot.bin";
    if (linuxboot_dma_enabled && fw_cfg_dma_enabled(fw_cfg)) {
        option_rom[nb_option_roms].name = "linuxboot_dma.bin";
    }

在 pc_memory_init 中调用 rom_add_option 添加到 fw_cfg 中，之后 seabios 就可以通过 fw_cfg 读取 linuxboot_dma.bin

 for (i = 0; i < nb_option_roms; i++) {
     rom_add_option(option_rom[i].name, option_rom[i].bootindex);
 }

rom_add_option 会进一步调用 add_boot_device_path 中，记录到 fw_boot_order，从而让 get_boot_devices_list 可以返回 “/rom@genroms/linuxboot_dma.bin”

fw_cfg_machine_reset 中修改 “bootorder”

 buf = get_boot_devices_list(&len); // 返回内容 /rom@genroms/linuxboot_dma.bin
 ptr = fw_cfg_modify_file(s, "bootorder", (uint8_t *)buf, len);

到此，QEMU 的准备完成，实际上就是修改 “bootorder”，让 seabios 通过执行 linuxboot_dma.bin 来启动

Seabios 的基本执行流程

maininit
- interface_init
  - boot_init
    - loadBootOrder : 构建 Bootorder
- optionrom_setup
  - run_file_roms
    - deploy_romfile : 将 linuxboot_dma.bin 加载进来
    - init_optionrom
      - callrom : 执行 linuxboot_dma.bin 部分代码，初始化 pnp 相关内容
    - setRomSource
  - get_pnp_rom : linuxboot_dma.bin 是按照 pnp 规则的构建的 optionrom
  - boot_add_bev : Registering bootable: Linux loader DMA (type:128 prio:1 data:cb000054)
    - getRomPriority
      - find_prio : 根据 Bootorder 的内容返回 prio
    - bootentry_add : 将 kernel image 添加到 BootList 中，在 BootList 的排序根据 getRomPriority 获取的 prio 确定
- prepareboot
  - bcv_prepboot : 连续调用 add_bev, 调用顺序是按照 BootList 构建 BEV
- startBoot
  - call16_int(0x19, &br)
    - handle_19
      - do_boot
        
        boot_rom : 默认使用第一个 BEV，也就是 kernel image
        
        call_boot_entry : linuxboot_dma.bin 上，然后 linuxboot_dma.bin 进一步跳转到 kernel image 上开始执行

其实，总体来说，seabios 做了两个事情:

执行 optionrom linuxboot_dma.bin 将 linuxboot_dma.bin 注册到 BootList 中
根据 “bootorder” 将 linuxboot_dma.bin 作为优先级最高的启动方式
执行 linuxboot_dma.bin 的第二部分，在其中通过 fw_cfg 获取 kernel 的入口地址、参数地址，并且通过 fw_cfg 加载内核过来。

linuxboot_dma.bin 源代码解析

linuxboot_dma.bin 是通过 pc-bios/optionrom/linuxboot_dma.c 编译出来的，通过前面的分析，其实我们已经可以大致的猜测出来到底

第一个部分是 pnp optionrom 规范的内容，第二个就是通过 fw_cfg 获取到 kernel image 的地址，然后跳转过去了

ARM

如果配置了 BIOS

带 –bios QEMU_EFI.fd

基本执行流程为 QEMU → EDK2 → EFI stub → Linux

hw/arm/virt.c 的 virt_firmware_init()：存在 -bios 时返回 firmware_loaded=true。
hw/arm/boot.c 的 arm_load_kernel()：
- firmware_loaded=true → arm_setup_firmware_boot()，把 kernel/initrd/cmdline 放进 fw_cfg，交给固件处理。
- 无固件 → arm_setup_direct_kernel_boot()，由 QEMU 装载 Image、initrd、DTB 并直接跳转。
edk2 的 OvmfPkg/Library/GenericQemuLoadImageLib/GenericQemuLoadImageLib.c 的 QemuLoadKernelImage()：EDK2 从fw_cfg 读取这些内容，并追加 initrd=initrd。

因此，如果 ARM virtme 的目标是严格意义上的 -kernel/-initrd 直启，那么在 collei/scripts/collei.py 的 ColleiQemuBuilder.build() 中仅对 ARM virtme 跳过 setup_bios() 是正确的。

arm 是可以完全绕开的 BIOS 的，但是 x86 不可以

x86 pc/q35：总会执行 BIOS。省略 -bios 只是使用 QEMU 默认 SeaBIOS。SeaBIOS 执行 linuxboot_dma.bin option ROM，再从 fw_cfg 取得 kernel/initrd 并启动 Linux。它不是只读取一点 BIOS 数据，而是真的执行了 BIOS。
ARM virt：省略 BIOS 后，可以完全绕过 guest BIOS/UEFI。QEMU 直接装载 Image、initrd 和 DTB，并用自己生成的启动 trampoline 跳进内核。

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