]> git.proxmox.com Git - mirror_qemu.git/blobdiff - qemu-tech.texi
Merge tag 'pull-aspeed-20240201' of https://github.com/legoater/qemu into staging
[mirror_qemu.git] / qemu-tech.texi
diff --git a/qemu-tech.texi b/qemu-tech.texi
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index 2e499a7..0000000
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@@ -1,443 +0,0 @@
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-* QEMU Internals: (qemu-tech).   The QEMU Emulator Internals.
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-@node Top
-@top
-
-@menu
-* CPU emulation::
-* Translator Internals::
-* Device emulation::
-* QEMU compared to other emulators::
-* Bibliography::
-@end menu
-@end ifnottex
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-@contents
-
-@node CPU emulation
-@chapter CPU emulation
-
-@menu
-* x86::     x86 and x86-64 emulation
-* ARM::     ARM emulation
-* MIPS::    MIPS emulation
-* PPC::     PowerPC emulation
-* SPARC::   Sparc32 and Sparc64 emulation
-* Xtensa::  Xtensa emulation
-@end menu
-
-@node x86
-@section x86 and x86-64 emulation
-
-QEMU x86 target features:
-
-@itemize
-
-@item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
-LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run
-DOSEMU. There is some support for MMX/3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3,
-and SSE4 as well as x86-64 SVM.
-
-@item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
-
-@item QEMU can emulate itself on x86.
-
-@item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
-It can be used to test other x86 virtual CPUs.
-
-@end itemize
-
-Current QEMU limitations:
-
-@itemize
-
-@item Limited x86-64 support.
-
-@item IPC syscalls are missing.
-
-@item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
-memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
-normal use.
-
-@end itemize
-
-@node ARM
-@section ARM emulation
-
-@itemize
-
-@item Full ARM 7 user emulation.
-
-@item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
-
-@item Can run most ARM Linux binaries.
-
-@end itemize
-
-@node MIPS
-@section MIPS emulation
-
-@itemize
-
-@item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
-including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
-endian modes.
-
-@item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
-
-@end itemize
-
-Current QEMU limitations:
-
-@itemize
-
-@item Self-modifying code is not always handled correctly.
-
-@item 64 bit userland emulation is not implemented.
-
-@item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
-
-@item The watchpoint debug facility is not implemented.
-
-@end itemize
-
-@node PPC
-@section PowerPC emulation
-
-@itemize
-
-@item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
-FPU and MMU.
-
-@item Can run most PowerPC Linux binaries.
-
-@end itemize
-
-@node SPARC
-@section Sparc32 and Sparc64 emulation
-
-@itemize
-
-@item Full SPARC V8 emulation, including privileged
-instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
-and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
-
-@item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
-some 64-bit SPARC Linux binaries.
-
-@end itemize
-
-Current QEMU limitations:
-
-@itemize
-
-@item IPC syscalls are missing.
-
-@item Floating point exception support is buggy.
-
-@item Atomic instructions are not correctly implemented.
-
-@item There are still some problems with Sparc64 emulators.
-
-@end itemize
-
-@node Xtensa
-@section Xtensa emulation
-
-@itemize
-
-@item Core Xtensa ISA emulation, including most options: code density,
-loop, extended L32R, 16- and 32-bit multiplication, 32-bit division,
-MAC16, miscellaneous operations, boolean, FP coprocessor, coprocessor
-context, debug, multiprocessor synchronization,
-conditional store, exceptions, relocatable vectors, unaligned exception,
-interrupts (including high priority and timer), hardware alignment,
-region protection, region translation, MMU, windowed registers, thread
-pointer, processor ID.
-
-@item Not implemented options: data/instruction cache (including cache
-prefetch and locking), XLMI, processor interface. Also options not
-covered by the core ISA (e.g. FLIX, wide branches) are not implemented.
-
-@item Can run most Xtensa Linux binaries.
-
-@item New core configuration that requires no additional instructions
-may be created from overlay with minimal amount of hand-written code.
-
-@end itemize
-
-@node Translator Internals
-@chapter Translator Internals
-
-@menu
-* CPU state optimisations::
-* Translation cache::
-* Direct block chaining::
-* Self-modifying code and translated code invalidation::
-* Exception support::
-* MMU emulation::
-@end menu
-
-QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
-it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
-are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
-which make it relatively easily portable and simple while achieving good
-performances.
-
-QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
-Generator". For more information, please take a look at @code{tcg/README}.
-
-@node CPU state optimisations
-@section CPU state optimisations
-
-The target CPUs have many internal states which change the way it
-evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
-translation phase considers that some state information of the virtual
-CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
-Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
-be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
-matches the state recorded in the previous TB. For example, if the SS,
-DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
-generate an addition for the segment base.
-
-[The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
-
-@node Translation cache
-@section Translation cache
-
-A 32 MByte cache holds the most recently used translations. For
-simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
-contains just a single basic block (a block of x86 instructions
-terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
-translator cannot deduce statically).
-
-@node Direct block chaining
-@section Direct block chaining
-
-After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
-Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
-segment base value) to find the next basic block.
-
-In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
-is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
-next one.
-
-The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
-it easier to make the jump target modification atomic. On some host
-architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
-directly patched so that the block chaining has no overhead.
-
-@node Self-modifying code and translated code invalidation
-@section Self-modifying code and translated code invalidation
-
-Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
-instruction cache invalidation is signaled by the application when code
-is modified.
-
-When translated code is generated for a basic block, the corresponding
-host page is write protected if it is not already read-only. Then, if
-a write access is done to the page, Linux raises a SEGV signal. QEMU
-then invalidates all the translated code in the page and enables write
-accesses to the page.
-
-Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
-a linked list of every translated block contained in a given page. Other
-linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
-
-On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
-cache flushes, so some of the protection above would not be
-necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
-matches the target instructions in memory in order to handle
-exceptions correctly.
-
-@node Exception support
-@section Exception support
-
-longjmp() is used when an exception such as division by zero is
-encountered.
-
-The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
-memory accesses. The simulated program counter is found by
-retranslating the corresponding basic block and by looking where the
-host program counter was at the exception point.
-
-The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
-in some cases it is not computed because of condition code
-optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
-still be restarted in any cases.
-
-@node MMU emulation
-@section MMU emulation
-
-For system emulation QEMU supports a soft MMU. In that mode, the MMU
-virtual to physical address translation is done at every memory
-access. QEMU uses an address translation cache to speed up the
-translation.
-
-In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
-mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
-means that each basic block is indexed with its physical address.
-
-When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
-reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
-
-@node Device emulation
-@chapter Device emulation
-
-Systems emulated by QEMU are organized by boards. At initialization
-phase, each board instantiates a number of CPUs, devices, RAM and
-ROM. Each device in turn can assign I/O ports or memory areas (for
-MMIO) to its handlers. When the emulation starts, an access to the
-ports or MMIO memory areas assigned to the device causes the
-corresponding handler to be called.
-
-RAM and ROM are handled more optimally, only the offset to the host
-memory needs to be added to the guest address.
-
-The video RAM of VGA and other display cards is special: it can be
-read or written directly like RAM, but write accesses cause the memory
-to be marked with VGA_DIRTY flag as well.
-
-QEMU supports some device classes like serial and parallel ports, USB,
-drives and network devices, by providing APIs for easier connection to
-the generic, higher level implementations. The API hides the
-implementation details from the devices, like native device use or
-advanced block device formats like QCOW.
-
-Usually the devices implement a reset method and register support for
-saving and loading of the device state. The devices can also use
-timers, especially together with the use of bottom halves (BHs).
-
-@node QEMU compared to other emulators
-@chapter QEMU compared to other emulators
-
-Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
-bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
-emulation while QEMU can emulate several processors.
-
-Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
-translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
-support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
-accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
-as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
-than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
-tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
-and system emulation.
-
-EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
-some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
-to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
-interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
-
-TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
-accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
-x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
-of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
-develop because all the data structures and function parameters exchanged
-between the API and the x86 code must be converted.
-
-User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
-Linux kernel as a process while not needing any host kernel
-patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
-QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
-slower.
-
-The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
-obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
-to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
-patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
-done except for some privileged instructions), it has the potential of
-being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
-potentially unsafe) host kernel patch is needed.
-
-The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
-than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
-and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
-provide cycle exact simulation as an emulator can.
-
-VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
-[12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
-developed in SystemC.
-
-@node Bibliography
-@chapter Bibliography
-
-@table @asis
-
-@item [1]
-@url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
-by Kevin Lawton et al.
-
-@item [2]
-@url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
-for GNU/Linux.
-
-@item [3]
-@url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
-the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
-
-@item [4]
-@url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
-DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
-Chernoff and Ray Hookway.
-
-@item [5]
-@url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
-The User-mode Linux Kernel.
-
-@item [6]
-@url{http://www.plex86.org/},
-The new Plex86 project.
-
-@item [7]
-@url{http://www.vmware.com/},
-The VMWare PC virtualizer.
-
-@item [8]
-@url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
-The VirtualPC PC virtualizer.
-
-@item [9]
-@url{http://virtualbox.org/},
-The VirtualBox PC virtualizer.
-
-@item [10]
-@url{http://www.xen.org/},
-The Xen hypervisor.
-
-@item [11]
-@url{http://www.linux-kvm.org/},
-Kernel Based Virtual Machine (KVM).
-
-@item [12]
-@url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
-QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
-
-@end table
-
-@bye