Émulation en espace utilisateur d'un système ARM sur un hôte amd64 - Qemu-user-static

Création : Hôte : Debian 11.1 Bulleseye, invités :

Image arm64 pour RaspBerry 4 : Debian unofficial Buster 10.5
Image arm32 pour RaspBerry 4 : Rasperry PI OS Buster 10.4

Le paquet qemu-user-static et ses dépendances permet d'exécuter de façon transparente un programme binaire d'architecture étrangère sur une architecture hôte

Cette propriété peut-être utilisée pour émuler un système arm sur un hôte amd64 : le système arm (disque ou image) est monté dans le système hôte, un changement de racine (chroot) permet d'accéder au système en mode émulé. Il est alors possible par exemple de mettre à jour, ajouter ou supprimer des applications

Cette émulation se limite à l'espace utilisateur du système arm et ne permet donc pas d'émuler l'amorçage ou le matériel de la plateforme

Dans ce qui suit, la méthode est appliquée à trois systèmes pour Raspberrypi 4:

un système Raspberry Pi 4 OS sur carte SD, migré sous Debian 11, utilisé comme serveur de musique mopidy
une image arm64 debian non officielle - Voir Annexe 1
une image arm32 officielle - Voir Annexe 2

Références

https://wiki.debian.org/QemuUserEmulation

Sommaire

1 - Préparation

Installer qemu, qemu-user-static, binfmt-support. On utilise ici la version backports

$ sudo aptitude install -t bulleseye-backports qemu qemu-user-static binfmt-support

$ aptitude versions ~iqemu-user-static
Paquet qemu-user-static:                                   
i   1:6.1+dfsg-6~bpo11+1                          bullseye-backports        100

2 - Montage

On utilise ici une carte SD sur laquelle se trouve un système Raspberry Pi OS officiel. migré sous Debian 11, utilisé comme serveur de musique mopidy
Extraire la carte SD du Raspberry et l'introduire sur un PC X86_64
Identifier les partitions

$ lsblk -f /dev/mmcblk0
NAME FSTYPE FSVER LABEL UUID                                 FSAVAIL FSUSE% MOUNTPOINT
mmcblk0
│                                                                           
├─mmcblk0p1
│    vfat   FAT32 boot  4AD7-B4D5                                           
├─mmcblk0p2
│    ext4   1.0   rootfs
│                       2887d26c-6ae7-449d-9701-c5a4018755b0                
└─mmcblk0p3
     ext4   1.0   Musique
                        570490bb-eb76-4906-bce3-f64188c2a54

Monter la partition racine et afficher la table de montage fstab

$ sudo momunt /dev/mmcblk0p2 /mnt

$ cat /mnt/etc/fstab 
proc            /proc           proc    defaults          0       0

PARTUUID=90c80064-01  /boot           vfat    defaults        
PARTUUID=90c80064-02  /               ext4    defaults,noatime  0       1
# a swapfile is not a swap partition, no line here
#   use  dphys-swapfile swap[on|off]  for that

PARTUUID=90c80064-03 /var/lib/mopidy/Music ext4 defaults 0 2

En déduire les points de montage des autres partitions et effectuer le montage correspondant

$ sudo mount PARTUUID=90c80064-01 /mnt/boot
$ sudo mount PARTUUID=90c80064-03 /mnt/var/lib/mopidy/Music

3 - Chroot

Monter optionnellement les systèmes de fichier virtuels

$ for i in proc sys run dev dev/pts; do sudo mount --bind /$i /mnt/$i; done

Lancer le chroot sur le système arm

$ LC_ALL=C sudo chroot /mnt /bin/bash

Dans le système chrooté, affichage des informations du système

Machine

# uname --machine
armv7l

Distribution

# cat /etc/issue          
Raspbian GNU/Linux 11 \n \l

Version

# cat /etc/debian_version 
11.1

Sources

# cat /etc/apt/sources.list
deb http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi

# cat /etc/apt/sources.list.d/raspi.list 
deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main

Noyau

# ls -l vmlinuz
lrwxrwxrwx 1 root root 26 sept. 21 14:11 vmlinuz -> boot/vmlinuz-5.8.0-1-arm64

Nom d'hôte

# cat /etc/hostname 
rpi4-20200909

Mise à jour du système

# apt update
# apt upgrade

Etc .......

4 - Démontage

Sortir du chroot

# exit

Démonter les systèmes de fichier de l'hôte

$ for i in dev/pts dev run sys proc; do sudo umount /mnt/$i; done

Démonter les systèmes de fichier de l'invité

$ sudo umount /mnt/var/lib/mopidy/Music /mnt/boot /mnt

Annexe 1 - Émulation de l'image Raspberry Pi4 arm64 Debian unofficial

1.1 - Préparation de l'image

Télécharger l'image à partir de https://raspi.debian.net/ et la décompresser

Pi O$ wget https://raspi.debian.net/verified/20200909_raspi_4.img.xz
$ unxz 20200909_raspi_4.img.xz

Afficher son contenu

$ sudo parted 20200909_raspi_4.img print
Model:  (file)
Disk xxxxx/20200909_raspi_4.img: 1573MB
Sector size (logical/physical): 512B/512B
Partition Table: msdos
Disk Flags: 

Number  Start   End     Size    Type     File system  Flags
 1      1049kB  315MB   314MB   primary  fat16        lba
 2      315MB   1573MB  1258MB  primary  ext4

La partition 1 est la partition d'amorçage (boot et firmwares)

La partition 2 est la partition racine.

Afin de pouvoir effectuer des modifications importantes de l'image (mise à jour de noyau, ajouts de programmes volumineux), augmenter la taille de la partition 2. Pour cela

Augmenter la taille de l'image

soit en spécifiant directement la taille finale de l'image, par exemple 6GiB, l'extension sera remplie de zéros

$ truncate -s 6000MiB 20200909_raspi_4.img

soit en ajoutant par exemple 3GiB à la fin de l'image initiale

$ dd if=/dev/zero bs=1MiB count=3000 of=20200909_raspi_4.img conv=notrunc oflag=append

soit en créant un fichier vide de la taille finale souhaitée, par exemple 8GiB

$ dd if=/dev/zero bs=1MiB count=8000 of=raspi4.img

et en y copiant l'image initiale

$ dd if=20200909_raspi_4.img of=raspi4.img conv=notrunc

La suite s'effectuera avec l'image raspi4.img.

Afficher le partitionnement de l'image et la place vide qui vient d'être ajouté à la fin de l'image

$ sudo parted raspi4.img print free
...
Number  Start   End     Size    Type     File system  Flags
        16,4kB  1049kB  1032kB           Free Space
 1      1049kB  315MB   314MB   primary  fat16        lba
 2      315MB   1573MB  1258MB  primary  ext4
        1573MB  8389MB  6816MB           Free Space

Augmenter la taille de la partition 2 en prenant l'espace libre disponible

$ sudo parted raspi4.img resizepart 2 100%

Créer les périphériques boucle attachées aux partitions et les afficher

$ sudo losetup --show -P -f raspi4.img 
/dev/loop14

$ lsblk -f /dev/loop14
NAME       FSTYPE LABEL     UUID                                 FSAVAIL FSUSE% MOUNTPOINT
loop14                                                                          
├─loop14p1 vfat   RASPIFIRM C80B-157C                                           
└─loop14p2 ext4   RASPIROOT 56e94ab7-95ad-49eb-8d23-ee52ff867e32

Ajuster la taille du système de fichier de la partition 2 à la nouvelle dimension de la partition

$ sudo e2fsck -f /dev/loop14p2
$ sudo resize2fs /dev/loop14p2

1.2 - Montage

Monter la partition 2 par exemple en /mnt et vérifier la place disponible

$ sudo /dev/loop14p2 /mnt
$ df -h /mnt
Sys. de fichiers Taille Utilisé Dispo Uti% Monté sur
/dev/loop14p2      7,4G    572M  6,5G   8% /mnt

Afficher la table de montage de l'image et en déduire le point de montage de la partition 1 (RASPIFIRM)

$ cat /mnt/etc/fstab
# The root file system has fs_passno=1 as per fstab(5) for automatic fsck.
LABEL=RASPIROOT / ext4 rw 0 1
# All other file systems have fs_passno=2 as per fstab(5) for automatic fsck.
LABEL=RASPIFIRM /boot/firmware vfat rw 0 2
proc /proc proc defaults 0 0

La partition 1 est prévue pour être montée en /boot/firmware

$ sudo mount /dev/loop14p1 /mnt/boot/firmware

1.3 - Chroot

Dans le système chrooté, affichage des informations du système

Architecture

# uname -m
aarch64

Distribution

# cat /etc/issue
Debian GNU/Linux 10 \n \l

Version

# cat /etc/debian_version 
10.5

Sources des paquets

# cat /etc/apt/sources.list
deb http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ bullseye main contrib non-free rpi
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi

# cat /etc/apt/sources.list.d/raspi.list 
deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ bullseye main
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main

# cat /etc/apt/sources.list.d/raspi.list 
deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ bullseye main
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main
root@debian:/# cat /etc/apt/sources.list.d/mopidy.list 
# Mopidy APT archive
# Built on Debian 10 (buster), compatible with Ubuntu 19.10 and newer
deb https://apt.mopidy.com/ buster main contrib non-free
#deb-src https://apt.mopidy.com/ bullseye main contrib non-free

Noyau

# ls -l vmlinuz
lrwxrwxrwx 1 root root 26 sept. 21 14:11 vmlinuz -> boot/vmlinuz-5.8.0-1-arm64

Nom d'hôte

# cat /etc/hostname 
rpi4-20200909

1.4 - Démontage

Démonter les partitions et les boucles de périphérique

$ sudo umount /mnt/boot/firmware /mnt
$ sudo losetup -d /dev/loop14

Vérifier que l'image modifiée est disponible

$ lsblk -f /dev/loop14

Annexe 2 - Émulation de l'image Raspberry Pi4 officielle

La méthode pour l'émulation de l'image RaspBerry Pi4 officielle est identique à celle pour l'image Debian. Les principaux écarts et résultats sont indiqués ci-après

Télécharger l'image

$ wget http://downloads.raspberrypi.org/raspios_lite_armhf/images/raspios_lite_armhf-2020-08-24/2020-08-20-raspios-buster-armhf-lite.zip

La partition 1 est la partition de boot, la partition 2 contient le système de fichier racine

$ lsblk -f /dev/loop14
NAME       FSTYPE LABEL  UUID                                 FSAVAIL FSUSE% MOUNTPOINT
loop14                                                                       
├─loop14p1 vfat   boot   4AD7-B4D5                                           
└─loop14p2 ext4   rootfs 2887d26c-6ae7-449d-9701-c5a4018755b0

La table de partition indique que le point de montage prévu pour la partition de boot est /boot

$ cat /mnt/etc/fstab 
proc            /proc           proc    defaults          0       0
PARTUUID=907af7d0-01  /boot           vfat    defaults          0       2
PARTUUID=907af7d0-02  /               ext4    defaults,noatime  0       1

Dans le système chrooté, affichage des informations du système

Machine

# uname --machine
armv7l

Distribution

# cat /etc/issue          
Raspbian GNU/Linux 10 \n \l

Version

# cat /etc/debian_version 
10.4

Sources

# cat /etc/apt/sources.list
deb http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://raspbian.raspberrypi.org/raspbian/ buster main contrib non-free rpi

# cat /etc/apt/sources.list.d/raspi.list 
deb http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main
# Uncomment line below then 'apt-get update' to enable 'apt-get source'
#deb-src http://archive.raspberrypi.org/debian/ buster main