Merge remote-tracking branch 'remotes/lalrae/tags/mips-20160923' into staging
[qemu.git] / qemu-tech.texi
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13 @ifinfo
14 @direntry
15 * QEMU Internals: (qemu-tech).   The QEMU Emulator Internals.
16 @end direntry
17 @end ifinfo
19 @iftex
20 @titlepage
21 @sp 7
22 @center @titlefont{QEMU Internals}
23 @sp 3
24 @end titlepage
25 @end iftex
27 @ifnottex
28 @node Top
29 @top
31 @menu
32 * Introduction::
33 * QEMU Internals::
34 * Regression Tests::
35 * Index::
36 @end menu
37 @end ifnottex
39 @contents
41 @node Introduction
42 @chapter Introduction
44 @menu
45 * intro_features::         Features
46 * intro_x86_emulation::    x86 and x86-64 emulation
47 * intro_arm_emulation::    ARM emulation
48 * intro_mips_emulation::   MIPS emulation
49 * intro_ppc_emulation::    PowerPC emulation
50 * intro_sparc_emulation::  Sparc32 and Sparc64 emulation
51 * intro_xtensa_emulation:: Xtensa emulation
52 * intro_other_emulation::  Other CPU emulation
53 @end menu
55 @node intro_features
56 @section Features
58 QEMU is a FAST! processor emulator using a portable dynamic
59 translator.
61 QEMU has two operating modes:
63 @itemize @minus
65 @item
66 Full system emulation. In this mode (full platform virtualization),
67 QEMU emulates a full system (usually a PC), including a processor and
68 various peripherals. It can be used to launch several different
69 Operating Systems at once without rebooting the host machine or to
70 debug system code.
72 @item
73 User mode emulation. In this mode (application level virtualization),
74 QEMU can launch processes compiled for one CPU on another CPU, however
75 the Operating Systems must match. This can be used for example to ease
76 cross-compilation and cross-debugging.
77 @end itemize
79 As QEMU requires no host kernel driver to run, it is very safe and
80 easy to use.
82 QEMU generic features:
84 @itemize
86 @item User space only or full system emulation.
88 @item Using dynamic translation to native code for reasonable speed.
90 @item
91 Working on x86, x86_64 and PowerPC32/64 hosts. Being tested on ARM,
92 S390x, Sparc32 and Sparc64.
94 @item Self-modifying code support.
96 @item Precise exceptions support.
98 @item
99 Floating point library supporting both full software emulation and
100 native host FPU instructions.
102 @end itemize
104 QEMU user mode emulation features:
105 @itemize
106 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
108 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
110 @item Accurate signal handling by remapping host signals to target signals.
111 @end itemize
113 Linux user emulator (Linux host only) can be used to launch the Wine
114 Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}). A BSD user emulator for BSD
115 hosts is under development. It would also be possible to develop a
116 similar user emulator for Solaris.
118 QEMU full system emulation features:
119 @itemize
120 @item
121 QEMU uses a full software MMU for maximum portability.
123 @item
124 QEMU can optionally use an in-kernel accelerator, like kvm. The accelerators 
125 execute some of the guest code natively, while
126 continuing to emulate the rest of the machine.
128 @item
129 Various hardware devices can be emulated and in some cases, host
130 devices (e.g. serial and parallel ports, USB, drives) can be used
131 transparently by the guest Operating System. Host device passthrough
132 can be used for talking to external physical peripherals (e.g. a
133 webcam, modem or tape drive).
135 @item
136 Symmetric multiprocessing (SMP) even on a host with a single CPU. On a
137 SMP host system, QEMU can use only one CPU fully due to difficulty in
138 implementing atomic memory accesses efficiently.
140 @end itemize
142 @node intro_x86_emulation
143 @section x86 and x86-64 emulation
145 QEMU x86 target features:
147 @itemize
149 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
150 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run
151 DOSEMU. There is some support for MMX/3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3,
152 and SSE4 as well as x86-64 SVM.
154 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
156 @item QEMU can emulate itself on x86.
158 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
159 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
161 @end itemize
163 Current QEMU limitations:
165 @itemize
167 @item Limited x86-64 support.
169 @item IPC syscalls are missing.
171 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
172 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
173 normal use.
175 @end itemize
177 @node intro_arm_emulation
178 @section ARM emulation
180 @itemize
182 @item Full ARM 7 user emulation.
184 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
186 @item Can run most ARM Linux binaries.
188 @end itemize
190 @node intro_mips_emulation
191 @section MIPS emulation
193 @itemize
195 @item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
196 including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
197 endian modes.
199 @item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
201 @end itemize
203 Current QEMU limitations:
205 @itemize
207 @item Self-modifying code is not always handled correctly.
209 @item 64 bit userland emulation is not implemented.
211 @item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
213 @item The watchpoint debug facility is not implemented.
215 @end itemize
217 @node intro_ppc_emulation
218 @section PowerPC emulation
220 @itemize
222 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
223 FPU and MMU.
225 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
227 @end itemize
229 @node intro_sparc_emulation
230 @section Sparc32 and Sparc64 emulation
232 @itemize
234 @item Full SPARC V8 emulation, including privileged
235 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
236 and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
238 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
239 some 64-bit SPARC Linux binaries.
241 @end itemize
243 Current QEMU limitations:
245 @itemize
247 @item IPC syscalls are missing.
249 @item Floating point exception support is buggy.
251 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
253 @item There are still some problems with Sparc64 emulators.
255 @end itemize
257 @node intro_xtensa_emulation
258 @section Xtensa emulation
260 @itemize
262 @item Core Xtensa ISA emulation, including most options: code density,
263 loop, extended L32R, 16- and 32-bit multiplication, 32-bit division,
264 MAC16, miscellaneous operations, boolean, FP coprocessor, coprocessor
265 context, debug, multiprocessor synchronization,
266 conditional store, exceptions, relocatable vectors, unaligned exception,
267 interrupts (including high priority and timer), hardware alignment,
268 region protection, region translation, MMU, windowed registers, thread
269 pointer, processor ID.
271 @item Not implemented options: data/instruction cache (including cache
272 prefetch and locking), XLMI, processor interface. Also options not
273 covered by the core ISA (e.g. FLIX, wide branches) are not implemented.
275 @item Can run most Xtensa Linux binaries.
277 @item New core configuration that requires no additional instructions
278 may be created from overlay with minimal amount of hand-written code.
280 @end itemize
282 @node intro_other_emulation
283 @section Other CPU emulation
285 In addition to the above, QEMU supports emulation of other CPUs with
286 varying levels of success. These are:
288 @itemize
290 @item
291 Alpha
292 @item
293 CRIS
294 @item
295 M68k
296 @item
298 @end itemize
300 @node QEMU Internals
301 @chapter QEMU Internals
303 @menu
304 * QEMU compared to other emulators::
305 * Portable dynamic translation::
306 * Condition code optimisations::
307 * CPU state optimisations::
308 * Translation cache::
309 * Direct block chaining::
310 * Self-modifying code and translated code invalidation::
311 * Exception support::
312 * MMU emulation::
313 * Device emulation::
314 * Hardware interrupts::
315 * User emulation specific details::
316 * Bibliography::
317 @end menu
319 @node QEMU compared to other emulators
320 @section QEMU compared to other emulators
322 Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
323 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
324 emulation while QEMU can emulate several processors.
326 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
327 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
328 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
329 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
330 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
331 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
332 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
333 and system emulation.
335 EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
336 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
337 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
338 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
340 TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
341 accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
342 x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
343 of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
344 develop because all the data structures and function parameters exchanged
345 between the API and the x86 code must be converted.
347 User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
348 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
349 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
350 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
351 slower.
353 The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
354 obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
355 to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
356 patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
357 done except for some privileged instructions), it has the potential of
358 being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
359 potentially unsafe) host kernel patch is needed.
361 The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
362 than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
363 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
364 provide cycle exact simulation as an emulator can.
366 VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
367 [12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
368 developed in SystemC.
370 @node Portable dynamic translation
371 @section Portable dynamic translation
373 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
374 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
375 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
376 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
377 performances.
379 After the release of version 0.9.1, QEMU switched to a new method of
380 generating code, Tiny Code Generator or TCG. TCG relaxes the
381 dependency on the exact version of the compiler used. The basic idea
382 is to split every target instruction into a couple of RISC-like TCG
383 ops (see @code{target-i386/translate.c}). Some optimizations can be
384 performed at this stage, including liveness analysis and trivial
385 constant expression evaluation. TCG ops are then implemented in the
386 host CPU back end, also known as TCG target (see
387 @code{tcg/i386/tcg-target.inc.c}). For more information, please take a
388 look at @code{tcg/README}.
390 @node Condition code optimisations
391 @section Condition code optimisations
393 Lazy evaluation of CPU condition codes (@code{EFLAGS} register on x86)
394 is important for CPUs where every instruction sets the condition
395 codes. It tends to be less important on conventional RISC systems
396 where condition codes are only updated when explicitly requested. On
397 Sparc64, costly update of both 32 and 64 bit condition codes can be
398 avoided with lazy evaluation.
400 Instead of computing the condition codes after each x86 instruction,
401 QEMU just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the result
402 (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
403 @code{CC_OP}). When the condition codes are needed, the condition
404 codes can be calculated using this information. In addition, an
405 optimized calculation can be performed for some instruction types like
406 conditional branches.
408 @code{CC_OP} is almost never explicitly set in the generated code
409 because it is known at translation time.
411 The lazy condition code evaluation is used on x86, m68k, cris and
412 Sparc. ARM uses a simplified variant for the N and Z flags.
414 @node CPU state optimisations
415 @section CPU state optimisations
417 The target CPUs have many internal states which change the way it
418 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
419 translation phase considers that some state information of the virtual
420 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
421 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
422 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
423 matches the state recorded in the previous TB. For example, if the SS,
424 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
425 generate an addition for the segment base.
427 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
429 @node Translation cache
430 @section Translation cache
432 A 32 MByte cache holds the most recently used translations. For
433 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
434 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
435 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
436 translator cannot deduce statically).
438 @node Direct block chaining
439 @section Direct block chaining
441 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
442 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
443 segment base value) to find the next basic block.
445 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
446 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
447 next one.
449 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
450 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
451 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
452 directly patched so that the block chaining has no overhead.
454 @node Self-modifying code and translated code invalidation
455 @section Self-modifying code and translated code invalidation
457 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
458 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
459 is modified.
461 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
462 host page is write protected if it is not already read-only. Then, if
463 a write access is done to the page, Linux raises a SEGV signal. QEMU
464 then invalidates all the translated code in the page and enables write
465 accesses to the page.
467 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
468 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
469 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
471 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
472 cache flushes, so some of the protection above would not be
473 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
474 matches the target instructions in memory in order to handle
475 exceptions correctly.
477 @node Exception support
478 @section Exception support
480 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
481 encountered.
483 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
484 memory accesses. The simulated program counter is found by
485 retranslating the corresponding basic block and by looking where the
486 host program counter was at the exception point.
488 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
489 in some cases it is not computed because of condition code
490 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
491 still be restarted in any cases.
493 @node MMU emulation
494 @section MMU emulation
496 For system emulation QEMU supports a soft MMU. In that mode, the MMU
497 virtual to physical address translation is done at every memory
498 access. QEMU uses an address translation cache to speed up the
499 translation.
501 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
502 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
503 means that each basic block is indexed with its physical address.
505 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
506 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
508 @node Device emulation
509 @section Device emulation
511 Systems emulated by QEMU are organized by boards. At initialization
512 phase, each board instantiates a number of CPUs, devices, RAM and
513 ROM. Each device in turn can assign I/O ports or memory areas (for
514 MMIO) to its handlers. When the emulation starts, an access to the
515 ports or MMIO memory areas assigned to the device causes the
516 corresponding handler to be called.
518 RAM and ROM are handled more optimally, only the offset to the host
519 memory needs to be added to the guest address.
521 The video RAM of VGA and other display cards is special: it can be
522 read or written directly like RAM, but write accesses cause the memory
523 to be marked with VGA_DIRTY flag as well.
525 QEMU supports some device classes like serial and parallel ports, USB,
526 drives and network devices, by providing APIs for easier connection to
527 the generic, higher level implementations. The API hides the
528 implementation details from the devices, like native device use or
529 advanced block device formats like QCOW.
531 Usually the devices implement a reset method and register support for
532 saving and loading of the device state. The devices can also use
533 timers, especially together with the use of bottom halves (BHs).
535 @node Hardware interrupts
536 @section Hardware interrupts
538 In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if a
539 hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchronously
540 call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
541 function resets the chaining of the currently executing basic
542 block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
543 of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
544 pending and handle it.
546 @node User emulation specific details
547 @section User emulation specific details
549 @subsection Linux system call translation
551 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
552 the parameters of the system calls can be converted to fix the
553 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
554 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
556 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
557 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
558 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
559 because of bad page alignment.
561 @subsection Linux signals
563 Normal and real-time signals are queued along with their information
564 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
565 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
566 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
567 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
568 from the virtual signal handler.
570 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
571 signals are synthesized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
572 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
574 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
575 that most signal system calls can be redirected directly to the host
576 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
577 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
579 @subsection clone() system call and threads
581 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
582 uses the host clone() system call so that real host threads are created
583 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
584 thread.
586 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
587 that their semantic is preserved.
589 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
590 particular, the translated cache flush is not protected yet against
591 reentrancy.
593 @subsection Self-virtualization
595 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
596 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
597 emulator.
599 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
600 space conflicts. QEMU user emulators solve this problem by being an
601 executable ELF shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That
602 way, it can be relocated at load time.
604 @node Bibliography
605 @section Bibliography
607 @table @asis
609 @item [1]
610 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
611 by Kevin Lawton et al.
613 @item [2]
614 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
615 for GNU/Linux.
617 @item [3]
618 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
619 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
621 @item [4]
622 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
623 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
624 Chernoff and Ray Hookway.
626 @item [5]
627 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
628 The User-mode Linux Kernel.
630 @item [6]
631 @url{http://www.plex86.org/},
632 The new Plex86 project.
634 @item [7]
635 @url{http://www.vmware.com/},
636 The VMWare PC virtualizer.
638 @item [8]
639 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
640 The VirtualPC PC virtualizer.
642 @item [9]
643 @url{http://virtualbox.org/},
644 The VirtualBox PC virtualizer.
646 @item [10]
647 @url{http://www.xen.org/},
648 The Xen hypervisor.
650 @item [11]
651 @url{http://www.linux-kvm.org/},
652 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
654 @item [12]
655 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
656 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
658 @end table
660 @node Regression Tests
661 @chapter Regression Tests
663 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
664 are available. They are used for regression testing.
666 @menu
667 * test-i386::
668 * linux-test::
669 @end menu
671 @node test-i386
672 @section @file{test-i386}
674 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
675 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
676 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
677 program and a @code{diff} on the generated output.
679 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
680 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
682 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
684 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
685 exception reporting.
687 @node linux-test
688 @section @file{linux-test}
690 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
691 that the system call parameters are correctly converted between target
692 and host CPUs.
694 @node Index
695 @chapter Index
696 @printindex cp
698 @bye