]> git.proxmox.com Git - mirror_qemu.git/blobdiff - qemu-tech.texi
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-\input texinfo @c -*- texinfo -*-
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-@setfilename qemu-tech.info
-@settitle QEMU Internals
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-@center @titlefont{QEMU Internals}
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-
-@ifnottex
-@node Top
-@top
-
-@menu
-* Introduction::
-* QEMU Internals::
-* Regression Tests::
-* Index::
-@end menu
-@end ifnottex
-
-@contents
-
-@node Introduction
-@chapter Introduction
-
-@menu
-* intro_features::        Features
-* intro_x86_emulation::   x86 emulation
-* intro_arm_emulation::   ARM emulation
-* intro_mips_emulation::  MIPS emulation
-* intro_ppc_emulation::   PowerPC emulation
-* intro_sparc_emulation:: SPARC emulation
-@end menu
-
-@node intro_features
-@section Features
-
-QEMU is a FAST! processor emulator using a portable dynamic
-translator.
-
-QEMU has two operating modes:
-
-@itemize @minus
-
-@item 
-Full system emulation. In this mode, QEMU emulates a full system
-(usually a PC), including a processor and various peripherals. It can
-be used to launch an different Operating System without rebooting the
-PC or to debug system code.
-
-@item 
-User mode emulation (Linux host only). In this mode, QEMU can launch
-Linux processes compiled for one CPU on another CPU. It can be used to
-launch the Wine Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}) or
-to ease cross-compilation and cross-debugging.
-
-@end itemize
-
-As QEMU requires no host kernel driver to run, it is very safe and
-easy to use.
-
-QEMU generic features:
-
-@itemize 
-
-@item User space only or full system emulation.
-
-@item Using dynamic translation to native code for reasonable speed.
-
-@item Working on x86 and PowerPC hosts. Being tested on ARM, Sparc32, Alpha and S390.
-
-@item Self-modifying code support.
-
-@item Precise exceptions support.
-
-@item The virtual CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
-in other projects (look at @file{qemu/tests/qruncom.c} to have an
-example of user mode @code{libqemu} usage).
-
-@end itemize
-
-QEMU user mode emulation features:
-@itemize 
-@item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
-
-@item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
-
-@item Accurate signal handling by remapping host signals to target signals. 
-@end itemize
-
-QEMU full system emulation features:
-@itemize 
-@item QEMU can either use a full software MMU for maximum portability or use the host system call mmap() to simulate the target MMU.
-@end itemize
-
-@node intro_x86_emulation
-@section x86 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.
-
-@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 No SSE/MMX support (yet).
-
-@item No 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.
-
-@item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
-10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
-maximum performances.
-
-@end itemize
-
-@node intro_arm_emulation
-@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 intro_mips_emulation
-@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 intro_ppc_emulation
-@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 intro_sparc_emulation
-@section SPARC emulation
-
-@itemize
-
-@item Full SPARC V8 emulation, including privileged
-instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
-instructions, FPU and I/D MMU, but misses most VIS instructions.
-
-@item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries and some handcrafted 64-bit SPARC Linux binaries.
-
-@end itemize
-
-Current QEMU limitations:
-
-@itemize 
-
-@item IPC syscalls are missing.
-
-@item 128-bit floating point operations are not supported, though none of the
-real CPUs implement them either. FCMPE[SD] are not correctly
-implemented.  Floating point exception support is untested.
-
-@item Alignment is not enforced at all.
-
-@item Atomic instructions are not correctly implemented.
-
-@item Sparc64 emulators are not usable for anything yet.
-
-@end itemize
-
-@node QEMU Internals
-@chapter QEMU Internals
-
-@menu
-* QEMU compared to other emulators::
-* Portable dynamic translation::
-* Register allocation::
-* Condition code optimisations::
-* CPU state optimisations::
-* Translation cache::
-* Direct block chaining::
-* Self-modifying code and translated code invalidation::
-* Exception support::
-* MMU emulation::
-* Hardware interrupts::
-* User emulation specific details::
-* Bibliography::
-@end menu
-
-@node QEMU compared to other emulators
-@section QEMU compared to other emulators
-
-Like bochs [3], 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 [4] 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 [5]).
-
-TWIN [6] is 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 [7] 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 new Plex86 [8] PC virtualizer is done in the same spirit as the
-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 priveledged 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 [9], VirtualPC [10], TwoOStwo
-[11]) are faster than QEMU, but they all need specific, proprietary
-and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
-provide cycle exact simulation as an emulator can.
-
-@node Portable dynamic translation
-@section Portable dynamic translation
-
-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.
-
-The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
-instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
-code (see @file{target-i386/op.c}). Then a compile time tool
-(@file{dyngen}) takes the corresponding object file (@file{op.o})
-to generate a dynamic code generator which concatenates the simple
-instructions to build a function (see @file{op.h:dyngen_code()}).
-
-In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
-compile time. 
-
-A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
-be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
-relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
-the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
-appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
-
-That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
-
-To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
-state of the virtual CPU.
-
-@node Register allocation
-@section Register allocation
-
-Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
-allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
-register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
-doing complicated register allocation.
-
-@node Condition code optimisations
-@section Condition code optimisations
-
-Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
-critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
-evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
-instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
-result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
-@code{CC_OP}).
-
-@code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
-because it is known at translation time.
-
-In order to increase performances, a backward pass is performed on the
-generated simple instructions (see
-@code{target-i386/translate.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
-the condition codes are not needed by the next instructions, no
-condition codes are computed at all.
-
-@node CPU state optimisations
-@section CPU state optimisations
-
-The x86 CPU has 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 x86 CPU cannot
-change in it. 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 16 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 informations (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 (with the
-system call @code{mprotect()}). 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. 
-
-Although the overhead of doing @code{mprotect()} calls is important,
-most MSDOS programs can be emulated at reasonnable speed with QEMU and
-DOSEMU.
-
-Note that QEMU also invalidates pages of translated code when it detects
-that memory mappings are modified with @code{mmap()} or @code{munmap()}.
-
-When using a software MMU, the code invalidation is more efficient: if
-a given code page is invalidated too often because of write accesses,
-then a bitmap representing all the code inside the page is
-built. Every store into that page checks the bitmap to see if the code
-really needs to be invalidated. It avoids invalidating the code when
-only data is modified in the page.
-
-@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 exact CPU state can be retrieved because all the
-x86 registers are stored in fixed host registers. 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 uses the mmap() system call to emulate the
-target CPU MMU. It works as long the emulated OS does not use an area
-reserved by the host OS (such as the area above 0xc0000000 on x86
-Linux).
-
-In order to be able to launch any OS, QEMU also 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 Hardware interrupts
-@section Hardware interrupts
-
-In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if an
-hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchrously
-call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
-function resets the chaining of the currently executing basic
-block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
-of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
-pending and handle it.
-
-@node User emulation specific details
-@section User emulation specific details
-
-@subsection Linux system call translation
-
-QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
-the parameters of the system calls can be converted to fix the
-endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
-type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
-
-QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
-the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
-system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
-because of bad page alignment.
-
-@subsection Linux signals
-
-Normal and real-time signals are queued along with their information
-(@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
-request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
-signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
-Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
-from the virtual signal handler.
-
-Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
-signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
-when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
-
-The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
-that most signal system calls can be redirected directly to the host
-Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
-calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
-
-@subsection clone() system call and threads
-
-The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
-uses the host clone() system call so that real host threads are created
-for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
-thread.
-
-The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
-that their semantic is preserved.
-
-Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
-particular, the translated cache flush is not protected yet against
-reentrancy.
-
-@subsection Self-virtualization
-
-QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
-it is not very useful, it is an important test to show the power of the
-emulator.
-
-Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
-space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
-shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
-relocated at load time.
-
-@node Bibliography
-@section Bibliography
-
-@table @asis
-
-@item [1] 
-@url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
-direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
-Riccardi.
-
-@item [2]
-@url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
-memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
-
-@item [3]
-@url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
-by Kevin Lawton et al.
-
-@item [4]
-@url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
-x86 emulator on Alpha-Linux.
-
-@item [5]
-@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 [6]
-@url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
-Willows Software.
-
-@item [7]
-@url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/}, 
-The User-mode Linux Kernel.
-
-@item [8]
-@url{http://www.plex86.org/}, 
-The new Plex86 project.
-
-@item [9]
-@url{http://www.vmware.com/}, 
-The VMWare PC virtualizer.
-
-@item [10]
-@url{http://www.microsoft.com/windowsxp/virtualpc/}, 
-The VirtualPC PC virtualizer.
-
-@item [11]
-@url{http://www.twoostwo.org/}, 
-The TwoOStwo PC virtualizer.
-
-@end table
-
-@node Regression Tests
-@chapter Regression Tests
-
-In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
-are available. They are used for regression testing.
-
-@menu
-* test-i386::
-* linux-test::
-* qruncom.c::
-@end menu
-
-@node test-i386
-@section @file{test-i386}
-
-This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
-generates a text output. It can be compared with the output obtained with
-a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
-program and a @code{diff} on the generated output.
-
-The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
-to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
-
-The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
-
-Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
-exception reporting.
-
-@node linux-test
-@section @file{linux-test}
-
-This program tests various Linux system calls. It is used to verify
-that the system call parameters are correctly converted between target
-and host CPUs.
-
-@node qruncom.c
-@section @file{qruncom.c}
-
-Example of usage of @code{libqemu} to emulate a user mode i386 CPU.
-
-@node Index
-@chapter Index
-@printindex cp
-
-@bye