Transparente Architektur-Emulation mit Qemu

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Eigenbau

Kompakte Systeme wie der Raspberry Pi bieten preisgünstige Hardware für unzählige Verwendungszwecke. Doch wie entwickelt und portiert man Software auf diese Plattformen?

Die Entwicklung für kleine System-on-a-Chip-Geräte wie den Raspberry Pi stellt eine größere Herausforderung dar, als man zunächst annehmen mag. Diese Geräte sind in erster Linie darauf ausgerichtet, fertige Software auszuführen. Daher hat es sich bewährt, Betriebssystem-Images anzubieten, die ein Anwender lediglich auf den Speicherchip oder das Speichermedium des Geräts kopiert. Im Falle des Raspberry Pi genügt es, ein 1-zu-1-Abbild auf eine SD-Speicherkarte zu schreiben (etwa mit dd), von der das Gerät bootet.

Doch wie erstellt man ein solches Image, das die eigenen Dienste oder Frameworks anbieten soll, möglichst effizient? Naheliegend ist, auf dem Gerät selbst die notwendige Software zu installieren und zu kompilieren. Hier ließen sich alle Einstellungen vornehmen, bevor man das Image auf umgekehrtem Wege wieder von der SD-Karte in eine Datei schreibt, um diese weiterzuverteilen. Das Problem: Die beschriebene Prozedur dauert sehr lange, da diese Geräte keine ausreichenden Ressourcen bieten, um darauf ernsthaft zu entwickeln. Auch geduldige Menschen spüren daher schon bald das Verlangen nach einer Lösung, die möglichst reproduzierbar und automatisiert solche Images generiert.

Draufsicht

Der logische erste Schritt besteht also darin, die eigene Perspektive auf den Prozess zu verändern und einen Schritt zurück zu tun. Um beim Raspberry Pi zu bleiben: Mit Hilfe von Skripten lässt sich etwa das von der Raspberry-Pi-Foundation bereitgestellte Raspbian-Image, das auf Debian basiert, direkt an die eigenen Bedürfnisse anpassen und weiterverteilen. Das spart nicht nur eine Menge Zeit, sondern lässt sich später auch automatisieren und mit einer Continuous-Integration-Umgebung kombinieren, etwa Jenkins CI [1].

Doch auf dem Weg dorthin liegen noch ein paar Stolpersteine. Der gewitzte Entwickler denkt natürlich sofort daran, das Image in eine Chroot-Umgebung einzubinden. So lässt sich darin agieren, als hätte man das System regulär gebootet. Allerdings macht die abweichende Prozessorarchitektur hier einen Strich durch die Rechnung, denn die Intel-CPU kann die binären ARM-Programme nicht ausführen. Besteht also die einzige Lösung darin, einen Raspberry Pi als virtuelle Maschine zu betreiben, mit all den Nachteilen in Sachen Automatisierung, die das mit sich bringt? Nicht zwangsläufig!

Schnell mal emulieren

Ein Übersetzer muss her, der direkt zur Laufzeit einspringt. Qemu [2], der Quick Emulator, dürfte in Verbindung mit Linux' Virtualisierungslösung KVM ein Begriff sein. Doch das Projekt weist noch deutlich mehr Facetten auf. Zusammen mit dem vom Kernel bereitgestellten binftm_misc-Mechanismus bietet die Qemu-User-Emulation die Möglichkeit, auch plattformfremden Binärcode auszuführen. Einzige Voraussetzung: Die Maschine selbst darf nicht als VM laufen, sonst wird es kompliziert (Stichwort: Nested Virtualization).

Unter Debian genügt für die Installation eine einzige Zeile:

sudo apt-get install qemu binfmt-support qemu-user-static

Im nächsten Schritt startet der Entwickler den Daemon binfmt-support und lässt sich über den Befehl sudo update-binfmts --display eine Liste aller unterstützten binären Formate anzeigen. Ruft er dabei ein Programm auf, das für eine andere Plattform kompiliert wurde, erkennt der Daemon das Binärformat automatisch und der passende Qemu-CPU-Emulator führt die Datei aus. Er übersetzt dabei simultan die fremden Prozessorbefehle in für die Intel-Plattform ausführbare Kommandos.

Das Ganze ist allerdings sehr rechenintensiv und zudem nicht auf mehrere CPU-Cores verteilbar, weshalb die Taktung eines einzelnen CPU-Kerns entscheidend für die Performance ist. Ein 2-GHz-Kern liegt nur leicht über der Performance des ARM-Prozessors im Raspberry Pi selbst, die Vorteile dieser Methode liegen also eher in der Flexibilität.

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