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Created June 10, 2021 13:25
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How to run Windows 10 on ARM or Ubuntu for ARM64 in QEMU on Apple Silicon Mac
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How to run Windows 10 on ARM or Ubuntu for ARM64 in QEMU on Apple Silicon Mac

Here is easy steps to try Windows 10 on ARM or Ubuntu for ARM64 on your Apple Silicon Mac. Enjoy!

NOTE: that this is current, 6/6/2021 state.

Running Windows 10 on ARM

  1. Install Xcode from App Store or install Command Line Tools on your Mac running on Apple Silicon.

    xcode-select --install

  2. Install ARM64 Homebrew and QEMU dependencies.

    If you already installed x86_64 Homebrew in /usr/local, please uninstall it. It's not possible to build QEMU with x86_64 Homebrew

    https://brew.sh/

    /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
brew install ninja pkgconfig glib pixman

  3. Clone QEMU source code.

    git clone https://git.qemu.org/git/qemu.git

  4. Create a local branch then apply Hypervisor.framework patches that @_AlexGraf made.

    cd qemu
git checkout 3c93dfa -b wip/hvf
curl 'https://patchwork.kernel.org/series/485309/mbox/'|git am --3way

  5. Build QEMU

    mkdir build
cd build
../configure --target-list=aarch64-softmmu --enable-cocoa
make -j

  6. Download pre-build EDK II OVMF EFI image for QEMU.

    This EFI image is built from stable202011 tag with additional resolutions in QemuRamfb.c.

    https://gist.github.com/niw/4f1f9bb572f40d406866f23b3127919b/raw/f546faea68f4149c06cca88fa67ace07a3758268/QEMU_EFI-cb438b9-edk2-stable202011-with-extra-resolutions.tar.gz

    To build it from the source code for adding more resolutions, see the following section.

  7. Prepare pflash for non-volatile variable store, such as screen resolution.

    In the directory where you downloaded QEMU_EFI-....tar.gz, run following commands.

    cd ~/Downloads
tar xzvf QEMU_EFI-*.tar.gz
dd if=/dev/zero of=pflash0.img bs=1m count=64
dd if=/dev/zero of=pflash1.img bs=1m count=64
dd if=QEMU_EFI.fd of=pflash0.img conv=notrunc
dd if=QEMU_VARS.fd of=pflash1.img conv=notrunc
    • This step is optional, you can use -bios ~/Downloads/QEMU_EFI.fd instead of -drive ...if=pflash lines in the next step, but in that case, any changes in EFI will not be persistent.

  8. Download Windows 10 on ARM Insider Preview

    https://www.microsoft.com/en-us/software-download/windowsinsiderpreviewARM64

  9. Convert VHDX downloaded Windows image to qcow2 format

    It seems that VHDX often gets broken while it is being used, so probably it is better to convert it to qcow2 format before using it.

    qemu-img convert -p -O qcow2 ~/Downloads/Windows10_InsiderPreview_Client_ARM64_en-us_21354.VHDX ~/Downloads/Windows10.qcow2

  10. Run Windows 10

    ./qemu-system-aarch64 \
  -monitor stdio \
  -M virt,highmem=off \
  -accel hvf \
  -cpu cortex-a72 \
  -smp 4 \
  -m 4096 \
  -drive file=~/Downloads/pflash0.img,format=raw,if=pflash,readonly=on \
  -drive file=~/Downloads/pflash1.img,format=raw,if=pflash \
  -device ramfb \
  -device qemu-xhci \
  -device usb-kbd \
  -device usb-tablet \
  -device intel-hda \
  -device hda-duplex \
  -nic user,model=virtio \
  -drive file=~/Downloads/Windows10.qcow2,format=qcow2,if=none,id=boot,cache=writethrough \
  -device nvme,drive=boot,serial=boot
    • Please modify each path to the image depends on your environment.
    • Hit ESC while you see TianoCore, then Device Manager, OVMF Platform Configuration, Change Preferred Resolution for Next Boot to change screen resolution.
    • To add more resolutions, follow "Build EDK II OVMF EFI image from the source code" below and modify OvmfPkg/QemuRamfbDxe/QemuRamfb.c then build new QEMU_EFI.fd.
    • Use -device usb-tablet instead of -device usb-mouse allows transparently moving mouse cursor.
    • -device intel-hda -device hda-duplex to enable audio.
    • -nic user,model=virtio is the network interface. To enable it, see the following section.

Enable the internet

VirtIO NIC is not enabled by default. To make it works, you need to

device driver.

  1. Download VirtIO device drivers ISO from Fedora Project.

    https://fedorapeople.org/groups/virt/virtio-win/direct-downloads/archive-virtio/virtio-win-0.1.190-1/virtio-win-0.1.190.iso

  2. Mount device drivers ISO

    Add next options to qemu-system-aarch64.

    -drive file=~/Downloads/virtio-win-0.1.190.iso,media=cdrom,if=none,id=drivers \
-device usb-storage,drive=drivers

    Please modify each path to the image depends on your environment.

  3. Disable device driver signature enforcement

    Boot Windows, then right click Windows Start button, then select Command Prompt (Admin).

    Use bcdedit to enable test-signed device drivers.

    bcdedit.exe -set TESTSIGNING ON

    Then reboot Windows.

    See here for the details.

  4. Install driver

    Once Windows booted again, then right click Windows Start button, then select Device Manager.

    In Device Manager, select View menu then Devices by Connection.

    Navigate in the device tree, select ACPU ARM64-based PC, Microsoft ACPI-Compliant System, PCI Express Root Complex, then you will see one Unknown device there. (There are many Unknown device in tree but the one under PCI Express Root Complex is the VirtIO NIC.)

    Right click Unknown device then select Update Drivers, then Browse my computer for drivers, then select D:\NetKVM\w10\ARM64.

    Click Next to install Red Hat VertIO Ethernet Adapter.

Compact disk image

The disk image, Windows10.qcow2, can be getting bigger as using Windows, especially after Windows Update, even if you delete files.

If the disk image is too big, you may want to compact it to release free space.

  1. Use Defragment and Optimize Drives coming with Windows 10 and optimize C: drive.

  2. Download SDelete. Run SDelete64a -z C: by using Administrator Command Prompt to zero-fill free space. This may take a while. While running this command, the disk image can be bigger, so be sure Mac have enough free space.

  3. Shutdown Windows, then run next command on Mac. This may take a while. Since this command creates compacted disk image, so be sure Mac has enough free space.

    qemu-img convert -O qcow2 ~/Downloads/Windows10.qcow2 ~/Downloads/Windows10_compacted.qcow2

  4. Replace Windows10.qcow2 by compacted Windows10_compacted.qcow2.

Running Ubuntu Server for ARM64

Follow the same steps for Windows 10 to prepare QEMU, then download Ubuntu Server for ARM64 and install it.

  1. Follow previous steps from 1. to 7. to prepare QEMU.

  2. Create an empty disk image.

    ./qemu-img create -f qcow2 ~/Downloads/ubuntu.qcow2 40G

  3. Download Ubuntu Server for ARM64

    https://ubuntu.com/download/server/arm

  4. Install Ubuntu Server for ARM

    ./qemu-system-aarch64 \
  -monitor stdio \
  -M virt,highmem=off \
  -accel hvf \
  -cpu cortex-a72 \
  -smp 4 \
  -m 4096 \
  -drive file=~/Downloads/pflash0.img,format=raw,if=pflash,readonly=on \
  -drive file=~/Downloads/pflash1.img,format=raw,if=pflash \
  -device virtio-gpu-pci \
  -display default,show-cursor=on \
  -device qemu-xhci \
  -device usb-kbd \
  -device usb-tablet \
  -device intel-hda \
  -device hda-duplex \
  -drive file=~/Downloads/ubuntu.qcow2,if=virtio,cache=writethrough \
  -cdrom ~/Downloads/ubuntu-20.04.1-live-server-arm64.iso
    • Follow instruction to install Ubuntu Server. Once it's installed, -cdrom argument is not needed.

Build EDK II OVMF EFI image from the source code

Follow the previous instructions to run Ubuntu Server for ARM64.

  1. Checkout EDK II source code.

    git clone --depth 1 --branch edk2-stable202011 https://github.com/tianocore/edk2.git
cd edk2
git submodule update --init --recursive

    You may want to disable xHCI due to current Hypervisor.framework patch limitation. Comment out MdeModulePkg/Bus/Pci/XhciDxe/XhciDxe.inf in /ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc and /ArmVirtPkg/ArmVirtQemuFvMain.fdf.inc. Probably this is no longer needed.

  2. Build it.

    sudo apt install iasl python3 python3-distutils uuid-dev make g++
source edksetup.sh
make -C BaseTools
build -a AARCH64 -t GCC5 -p ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc

    Then, you will get QEMU_EFI.fd and QEMU_VARS.fd in Build/ArmVirtQemu-AARCH64/DEBUG_GCC5/FV.

    • The easiest way to take these files to the host macOS, run Remote Login on macOS then scp these to 10.0.2.2.

    • To build these on x86_64 environment, use following toolchain to cross compile.

      sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu
env GCC5_AARCH64_PREFIX=aarch64-linux-gnu- build -a AARCH64 -t GCC5 -p ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc
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ARM 版 Windows 10 や Ubuntu for ARM64 を Apple Silicon な Mac で動かす

ARM 版 Windows 10 や Ubuntu を Apple Silicon な Mac で動かす簡単な方法です。

メモ: 2021年6月6日現時点での方法で、今後まだ改善されていくと思います。

ARM 版 Windows 10 を動かす

  1. Xcode を App Store で、あるいは Command Line Tools を Apple Silicon な Mac にインストール

    xcode-select --install

  2. ARM64 対応の Homebrew で QEMU の依存ライブラリをインストール

    すでに x86_64 の Homebrew が /usr/local にインストールされている場合は削除するなどしてください。 x86_64 の Homebrew では QEMU がビルドできません

    https://brew.sh/

    /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
brew install ninja pkgconfig glib pixman

  3. QEMU のソースコードをとってくる

    git clone https://git.qemu.org/git/qemu.git

  4. ローカルブランチを作って、@_AlexGraf氏がつくった Hypervisor.framework のパッチをあてる。

    cd qemu
git checkout 3c93dfa -b wip/hvf
curl 'https://patchwork.kernel.org/series/485309/mbox/'|git am --3way

  5. QEMU をビルドする

    mkdir build
cd build
../configure --target-list=aarch64-softmmu --enable-cocoa
make -j

  6. QEMU 用の EDK II OVMF EFI イメージをダウンロードする。

    このイメージは stable202011 タグに、QemuRamfb.c に追加の解像度を足したものです。

    https://gist.github.com/niw/4f1f9bb572f40d406866f23b3127919b/raw/f546faea68f4149c06cca88fa67ace07a3758268/QEMU_EFI-cb438b9-edk2-stable202011-with-extra-resolutions.tar.gz

    さらに解像度を追加するなど、ソースコードからビルドする場合は以下を参照のこと。

  7. pflash イメージを作って、画面サイズなどを設定する不揮発なストレージを準備する

    QEMU_EFI-....tar.gz をダウンロードしたディレクトリで以下を実行。

    cd ~/Downloads
tar xzvf QEMU_EFI-*.tar.gz
dd if=/dev/zero of=pflash0.img bs=1m count=64
dd if=/dev/zero of=pflash1.img bs=1m count=64
dd if=QEMU_EFI.fd of=pflash0.img conv=notrunc
dd if=QEMU_VARS.fd of=pflash1.img conv=notrunc
    • このステップは省略可能。その場合は次のステップで -drive ...,if=pflash,... のかわりに -bios ~/Downloads/QEMU_EFI.fd を指定すること。ただし、EFI での変更が保存されなくなります。

  8. Windows 10 on ARM Insider Preview をダウンロードする

    https://www.microsoft.com/en-us/software-download/windowsinsiderpreviewARM64

  9. VHDX から qcow2 に変換する

    VHDX のままだとかなりの頻度でイメージが壊れる印象があるので qcow2 に変換しておく。

    qemu-img convert -p -O qcow2 ~/Downloads/Windows10_InsiderPreview_Client_ARM64_en-us_21354.VHDX ~/Downloads/Windows10.qcow2

  10. Windows 10 を起動する

    ./qemu-system-aarch64 \
  -monitor stdio \
  -M virt,highmem=off \
  -accel hvf \
  -cpu cortex-a72 \
  -smp 4 \
  -m 4096 \
  -drive file=~/Downloads/pflash0.img,format=raw,if=pflash,readonly=on \
  -drive file=~/Downloads/pflash1.img,format=raw,if=pflash \
  -device ramfb \
  -device qemu-xhci \
  -device usb-kbd \
  -device usb-tablet \
  -device intel-hda \
  -device hda-duplex \
  -nic user,model=virtio \
  -drive file=~/Downloads/Windows10.qcow2,format=qcow2,if=none,id=boot,cache=writethrough \
  -device nvme,drive=boot,serial=boot
    • イメージへのパスなどは適宜修正してください。
    • TianoCore のロゴが出ている時に ESC を押して、Device Manager、OVMF Platform Configuration、Change Preferred Resolution for Next Boot と進めて解像度を変更できます。
    • 解像度を追加するには、下記の「EDK II の OVMF EFI イメージをビルドする」に従って OvmfPkg/QemuRamfbDxe/QemuRamfb.c を変更し、新しい QEMU_EFI.fd を作ってください。
    • -device usb-mouse より -device usb-tablet を使うことでマウスカーソルがロックされなくなり使いやすくなります。
    • -device intel-hda -device hda-duplex でオーディオが使えるようになります。
    • -nic user,model=virtio がネットワークインターフェイスです。有効にするには以下を参照してください。

インターネットに接続する

VirtIO NIC は標準では有効にならないので、デバイスドライバを入れる必要がある。

  1. VirtIO デバイスドライバの ISO を Fedora Project からダウンロード。

    https://fedorapeople.org/groups/virt/virtio-win/direct-downloads/archive-virtio/virtio-win-0.1.190-1/virtio-win-0.1.190.iso

  2. デバイスドライバの ISO をマウント

    qemu-system-aarch64 のオプションに以下を追加する。

    -drive file=~/Downloads/virtio-win-0.1.190.iso,media=cdrom,if=none,id=drivers \
-device usb-storage,drive=drivers

    イメージへのパスなどは適宜修正してください。

  3. デバイスドライバの署名検証を無効にする

    Windows を起動して Windows スタートボタン を右クリック、Command Prompt (Admin) を選択。

    bcdedit を使ってテスト署名されたデバイスドライバを有効にする。

    bcdedit.exe -set TESTSIGNING ON

    このあと Windows を再起動すること。

    詳細はこちらを参照のこと。

  4. デバイスドライバのインストール

    Windows が再度起動したら Windows スタートボタン を右クリック、Device Manager を選択。

    Device Manager のウィンドウで、View メニューの Devices by Connection を選択。

    デバイスのツリーから、ACPU ARM64-based PC、Microsoft ACPI-Compliant System、PCI Express Root Complex と選択してその中にある Unknown device を探す。 (Unknown device はデバイスのツリーに沢山あるけれど、PCI Express Root Complexの下にあるのが、VirtIO NIC。)

    該当の Unknown device を右クリックして、Update Drivers を選択、Browse my computer for drivers を選んで、D:\NetKVM\w10\ARM64 を指定。

    Next をクリックして Red Hat VertIO Ethernet Adapter をインストール。

ディスクイメージをを縮小する

ディスクイメージである Windows10.qcow2 ファイルは Windows Update などをすると容量まで大きくなる可能性があり、たとえファイルを削除してもディスクイメージのサイズは減りません。

そのため、ディスクサイズが大きくなりすぎた場合などは使用していない領域を開放する必要があります。

  1. Windows 10に付属の Defragment and Optimize Drives で、C: ドライブを Optimize する。

  2. SDelete をダウンロードする。SDelete64a -z C: を Administrator Command Prompt で実行し、使用していない領域をゼロで埋める。 このコマンドの実行はしばらくかかります。この時、ディスクイメージがとても大きくなるので Mac の空き容量に注意。

  3. Windows を終了して、以下のコマンドを Mac で実行する。 このコマンドの実行はしばらくかかります。また縮小したディスクイメージは別に作られるので Mac の空き容量に注意。

    qemu-img convert -O qcow2 ~/Downloads/Windows10.qcow2 ~/Downloads/Windows10_compacted.qcow2

  4. Windows10.qcow2 を縮小した Windows10_compacted.qcow2 で置き換え。

Ubuntu Server for ARM64 を動かす

ARM 版 Windows 10 を動かす手順に従って QEMU を準備して、Ubuntu Server for ARM64 をダウンロードしてインストールします。

  1. 上記の手順 1 から 7 までに従って QEMU を準備する。

  2. 空のディスクイメージを作成する。

    ./qemu-img create -f qcow2 ~/Downloads/ubuntu.qcow2 40G

  3. Ubuntu Server for ARM64 をダウンロードする。

    https://ubuntu.com/download/server/arm

  4. Ubuntu Server for ARM をインストールする。

    ./qemu-system-aarch64 \
  -monitor stdio \
  -M virt,highmem=off \
  -accel hvf \
  -cpu cortex-a72 \
  -smp 4 \
  -m 4096 \
  -drive file=~/Downloads/pflash0.img,format=raw,if=pflash,readonly=on \
  -drive file=~/Downloads/pflash1.img,format=raw,if=pflash \
  -device virtio-gpu-pci \
  -display default,show-cursor=on \
  -device qemu-xhci \
  -device usb-kbd \
  -device usb-tablet \
  -device intel-hda \
  -device hda-duplex \
  -drive file=~/Downloads/ubuntu.qcow2,if=virtio,cache=writethrough \
  -cdrom ~/Downloads/ubuntu-20.04.1-live-server-arm64.iso
    • 指示に従ってインストールしたあとは -cdrom は不要です。

EDK II の OVMF EFI イメージをビルドする

上記の手順に従って Ubuntu Server for ARM64 を動かします。

  1. EDK II のソースコードを取ってくる。

    git clone --depth 1 --branch edk2-stable202011 https://github.com/tianocore/edk2.git
cd edk2
git submodule update --init --recursive

    Hypervisor.framework パッチの制限で xHCI を無効にする必要があれば /ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc と /ArmVirtPkg/ArmVirtQemuFvMain.fdf.inc にある MdeModulePkg/Bus/Pci/XhciDxe/XhciDxe.inf の行をコメントアウト。たぶん現状は問題ない。

  2. ビルドする

    sudo apt install iasl python3 python3-distutils uuid-dev make g++
source edksetup.sh
make -C BaseTools
build -a AARCH64 -t GCC5 -p ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc

    Build/ArmVirtQemu-AARCH64/DEBUG_GCC5/FV に QEMU_EFI.fd と QEMU_VARS.fd ができるはず。

    • これらのファイルを簡単に macOS ホストに取り出すには macOS でリモートアクセスを有効にして scp で 10.0.2.2 にコピー。

    • x86_64 の環境でビルドする場合は以下のツールチェーンでクロスコンパイル。

      sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu
env GCC5_AARCH64_PREFIX=aarch64-linux-gnu- build -a AARCH64 -t GCC5 -p ArmVirtPkg/ArmVirtQemu.dsc
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