Model more parts of the ETRAX mmu (still alot missing).
[qemu/malc.git] / qemu-tech.texi
blobcc027cf6a58bb83dbb22e01056850fbc6db20df3
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4 @settitle QEMU Internals
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10 @titlepage
11 @sp 7
12 @center @titlefont{QEMU Internals}
13 @sp 3
14 @end titlepage
15 @end iftex
17 @ifnottex
18 @node Top
19 @top
21 @menu
22 * Introduction::
23 * QEMU Internals::
24 * Regression Tests::
25 * Index::
26 @end menu
27 @end ifnottex
29 @contents
31 @node Introduction
32 @chapter Introduction
34 @menu
35 * intro_features::        Features
36 * intro_x86_emulation::   x86 emulation
37 * intro_arm_emulation::   ARM emulation
38 * intro_mips_emulation::  MIPS emulation
39 * intro_ppc_emulation::   PowerPC emulation
40 * intro_sparc_emulation:: SPARC emulation
41 @end menu
43 @node intro_features
44 @section Features
46 QEMU is a FAST! processor emulator using a portable dynamic
47 translator.
49 QEMU has two operating modes:
51 @itemize @minus
53 @item
54 Full system emulation. In this mode, QEMU emulates a full system
55 (usually a PC), including a processor and various peripherals. It can
56 be used to launch an different Operating System without rebooting the
57 PC or to debug system code.
59 @item
60 User mode emulation (Linux host only). In this mode, QEMU can launch
61 Linux processes compiled for one CPU on another CPU. It can be used to
62 launch the Wine Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}) or
63 to ease cross-compilation and cross-debugging.
65 @end itemize
67 As QEMU requires no host kernel driver to run, it is very safe and
68 easy to use.
70 QEMU generic features:
72 @itemize
74 @item User space only or full system emulation.
76 @item Using dynamic translation to native code for reasonable speed.
78 @item Working on x86 and PowerPC hosts. Being tested on ARM, Sparc32, Alpha and S390.
80 @item Self-modifying code support.
82 @item Precise exceptions support.
84 @item The virtual CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used
85 in other projects (look at @file{qemu/tests/qruncom.c} to have an
86 example of user mode @code{libqemu} usage).
88 @end itemize
90 QEMU user mode emulation features:
91 @itemize
92 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
94 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
96 @item Accurate signal handling by remapping host signals to target signals.
97 @end itemize
99 QEMU full system emulation features:
100 @itemize
101 @item QEMU can either use a full software MMU for maximum portability or use the host system call mmap() to simulate the target MMU.
102 @end itemize
104 @node intro_x86_emulation
105 @section x86 emulation
107 QEMU x86 target features:
109 @itemize
111 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
112 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run DOSEMU.
114 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
116 @item QEMU can emulate itself on x86.
118 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
119 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
121 @end itemize
123 Current QEMU limitations:
125 @itemize
127 @item No SSE/MMX support (yet).
129 @item No x86-64 support.
131 @item IPC syscalls are missing.
133 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
134 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
135 normal use.
137 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard
138 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
139 maximum performances.
141 @end itemize
143 @node intro_arm_emulation
144 @section ARM emulation
146 @itemize
148 @item Full ARM 7 user emulation.
150 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
152 @item Can run most ARM Linux binaries.
154 @end itemize
156 @node intro_mips_emulation
157 @section MIPS emulation
159 @itemize
161 @item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
162 including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
163 endian modes.
165 @item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
167 @end itemize
169 Current QEMU limitations:
171 @itemize
173 @item Self-modifying code is not always handled correctly.
175 @item 64 bit userland emulation is not implemented.
177 @item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
179 @item The watchpoint debug facility is not implemented.
181 @end itemize
183 @node intro_ppc_emulation
184 @section PowerPC emulation
186 @itemize
188 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
189 FPU and MMU.
191 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
193 @end itemize
195 @node intro_sparc_emulation
196 @section SPARC emulation
198 @itemize
200 @item Full SPARC V8 emulation, including privileged
201 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
202 and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
204 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
205 some 64-bit SPARC Linux binaries.
207 @end itemize
209 Current QEMU limitations:
211 @itemize
213 @item IPC syscalls are missing.
215 @item Floating point exception support is buggy.
217 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
219 @item Sparc64 emulators are not usable for anything yet.
221 @end itemize
223 @node QEMU Internals
224 @chapter QEMU Internals
226 @menu
227 * QEMU compared to other emulators::
228 * Portable dynamic translation::
229 * Register allocation::
230 * Condition code optimisations::
231 * CPU state optimisations::
232 * Translation cache::
233 * Direct block chaining::
234 * Self-modifying code and translated code invalidation::
235 * Exception support::
236 * MMU emulation::
237 * Hardware interrupts::
238 * User emulation specific details::
239 * Bibliography::
240 @end menu
242 @node QEMU compared to other emulators
243 @section QEMU compared to other emulators
245 Like bochs [3], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
246 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
247 emulation while QEMU can emulate several processors.
249 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
250 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
251 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
252 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
253 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
254 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
255 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
256 and system emulation.
258 EM86 [4] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
259 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
260 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
261 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
263 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
264 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
265 executables. Such an approach has greater potential because most of the
266 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
267 because all the data structures and function parameters exchanged
268 between the API and the x86 code must be converted.
270 User mode Linux [7] was the only solution before QEMU to launch a
271 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
272 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
273 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
274 slower.
276 The new Plex86 [8] PC virtualizer is done in the same spirit as the
277 qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel to work
278 (you cannot launch the same kernel on your PC), but the patches are
279 really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is done except
280 for some priveledged instructions), it has the potential of being
281 faster than QEMU. The downside is that a complicated (and potentially
282 unsafe) host kernel patch is needed.
284 The commercial PC Virtualizers (VMWare [9], VirtualPC [10], TwoOStwo
285 [11]) are faster than QEMU, but they all need specific, proprietary
286 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
287 provide cycle exact simulation as an emulator can.
289 @node Portable dynamic translation
290 @section Portable dynamic translation
292 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
293 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
294 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
295 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
296 performances.
298 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
299 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
300 code (see @file{target-i386/op.c}). Then a compile time tool
301 (@file{dyngen}) takes the corresponding object file (@file{op.o})
302 to generate a dynamic code generator which concatenates the simple
303 instructions to build a function (see @file{op.h:dyngen_code()}).
305 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
306 compile time.
308 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
309 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
310 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
311 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
312 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
314 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
316 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
317 state of the virtual CPU.
319 @node Register allocation
320 @section Register allocation
322 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
323 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
324 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
325 doing complicated register allocation.
327 @node Condition code optimisations
328 @section Condition code optimisations
330 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
331 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
332 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
333 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
334 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
335 @code{CC_OP}).
337 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
338 because it is known at translation time.
340 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
341 generated simple instructions (see
342 @code{target-i386/translate.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
343 the condition codes are not needed by the next instructions, no
344 condition codes are computed at all.
346 @node CPU state optimisations
347 @section CPU state optimisations
349 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
350 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
351 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
352 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
353 base, then the translator does not even generate an addition for the
354 segment base.
356 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
358 @node Translation cache
359 @section Translation cache
361 A 16 MByte cache holds the most recently used translations. For
362 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
363 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
364 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
365 translator cannot deduce statically).
367 @node Direct block chaining
368 @section Direct block chaining
370 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
371 Program Counter (PC) and other cpu state informations (such as the CS
372 segment base value) to find the next basic block.
374 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
375 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
376 next one.
378 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
379 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
380 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
381 directly patched so that the block chaining has no overhead.
383 @node Self-modifying code and translated code invalidation
384 @section Self-modifying code and translated code invalidation
386 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
387 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
388 is modified.
390 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
391 host page is write protected if it is not already read-only (with the
392 system call @code{mprotect()}). Then, if a write access is done to the
393 page, Linux raises a SEGV signal. QEMU then invalidates all the
394 translated code in the page and enables write accesses to the page.
396 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
397 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
398 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
400 Although the overhead of doing @code{mprotect()} calls is important,
401 most MSDOS programs can be emulated at reasonnable speed with QEMU and
402 DOSEMU.
404 Note that QEMU also invalidates pages of translated code when it detects
405 that memory mappings are modified with @code{mmap()} or @code{munmap()}.
407 When using a software MMU, the code invalidation is more efficient: if
408 a given code page is invalidated too often because of write accesses,
409 then a bitmap representing all the code inside the page is
410 built. Every store into that page checks the bitmap to see if the code
411 really needs to be invalidated. It avoids invalidating the code when
412 only data is modified in the page.
414 @node Exception support
415 @section Exception support
417 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
418 encountered.
420 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
421 memory accesses. The exact CPU state can be retrieved because all the
422 x86 registers are stored in fixed host registers. The simulated program
423 counter is found by retranslating the corresponding basic block and by
424 looking where the host program counter was at the exception point.
426 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
427 in some cases it is not computed because of condition code
428 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
429 still be restarted in any cases.
431 @node MMU emulation
432 @section MMU emulation
434 For system emulation, QEMU uses the mmap() system call to emulate the
435 target CPU MMU. It works as long the emulated OS does not use an area
436 reserved by the host OS (such as the area above 0xc0000000 on x86
437 Linux).
439 In order to be able to launch any OS, QEMU also supports a soft
440 MMU. In that mode, the MMU virtual to physical address translation is
441 done at every memory access. QEMU uses an address translation cache to
442 speed up the translation.
444 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
445 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
446 means that each basic block is indexed with its physical address.
448 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
449 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
451 @node Hardware interrupts
452 @section Hardware interrupts
454 In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if an
455 hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchrously
456 call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
457 function resets the chaining of the currently executing basic
458 block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
459 of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
460 pending and handle it.
462 @node User emulation specific details
463 @section User emulation specific details
465 @subsection Linux system call translation
467 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
468 the parameters of the system calls can be converted to fix the
469 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
470 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
472 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
473 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
474 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
475 because of bad page alignment.
477 @subsection Linux signals
479 Normal and real-time signals are queued along with their information
480 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
481 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
482 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
483 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
484 from the virtual signal handler.
486 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
487 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
488 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
490 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
491 that most signal system calls can be redirected directly to the host
492 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
493 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
495 @subsection clone() system call and threads
497 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
498 uses the host clone() system call so that real host threads are created
499 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
500 thread.
502 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
503 that their semantic is preserved.
505 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
506 particular, the translated cache flush is not protected yet against
507 reentrancy.
509 @subsection Self-virtualization
511 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
512 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
513 emulator.
515 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
516 space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
517 shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
518 relocated at load time.
520 @node Bibliography
521 @section Bibliography
523 @table @asis
525 @item [1]
526 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
527 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
528 Riccardi.
530 @item [2]
531 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
532 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
534 @item [3]
535 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
536 by Kevin Lawton et al.
538 @item [4]
539 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
540 x86 emulator on Alpha-Linux.
542 @item [5]
543 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
544 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
545 Chernoff and Ray Hookway.
547 @item [6]
548 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
549 Willows Software.
551 @item [7]
552 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
553 The User-mode Linux Kernel.
555 @item [8]
556 @url{http://www.plex86.org/},
557 The new Plex86 project.
559 @item [9]
560 @url{http://www.vmware.com/},
561 The VMWare PC virtualizer.
563 @item [10]
564 @url{http://www.microsoft.com/windowsxp/virtualpc/},
565 The VirtualPC PC virtualizer.
567 @item [11]
568 @url{http://www.twoostwo.org/},
569 The TwoOStwo PC virtualizer.
571 @end table
573 @node Regression Tests
574 @chapter Regression Tests
576 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
577 are available. They are used for regression testing.
579 @menu
580 * test-i386::
581 * linux-test::
582 * qruncom.c::
583 @end menu
585 @node test-i386
586 @section @file{test-i386}
588 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
589 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
590 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
591 program and a @code{diff} on the generated output.
593 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
594 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
596 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
598 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
599 exception reporting.
601 @node linux-test
602 @section @file{linux-test}
604 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
605 that the system call parameters are correctly converted between target
606 and host CPUs.
608 @node qruncom.c
609 @section @file{qruncom.c}
611 Example of usage of @code{libqemu} to emulate a user mode i386 CPU.
613 @node Index
614 @chapter Index
615 @printindex cp
617 @bye