qemu-tech: move TCG test documentation to tests/tcg/README
[qemu/ar7.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 @end menu
35 @end ifnottex
37 @contents
39 @node Introduction
40 @chapter Introduction
42 @menu
43 * intro_x86_emulation::    x86 and x86-64 emulation
44 * intro_arm_emulation::    ARM emulation
45 * intro_mips_emulation::   MIPS emulation
46 * intro_ppc_emulation::    PowerPC emulation
47 * intro_sparc_emulation::  Sparc32 and Sparc64 emulation
48 * intro_xtensa_emulation:: Xtensa emulation
49 * intro_other_emulation::  Other CPU emulation
50 @end menu
52 @node intro_x86_emulation
53 @section x86 and x86-64 emulation
55 QEMU x86 target features:
57 @itemize
59 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
60 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run
61 DOSEMU. There is some support for MMX/3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3,
62 and SSE4 as well as x86-64 SVM.
64 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
66 @item QEMU can emulate itself on x86.
68 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
69 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
71 @end itemize
73 Current QEMU limitations:
75 @itemize
77 @item Limited x86-64 support.
79 @item IPC syscalls are missing.
81 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
82 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
83 normal use.
85 @end itemize
87 @node intro_arm_emulation
88 @section ARM emulation
90 @itemize
92 @item Full ARM 7 user emulation.
94 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
96 @item Can run most ARM Linux binaries.
98 @end itemize
100 @node intro_mips_emulation
101 @section MIPS emulation
103 @itemize
105 @item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
106 including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
107 endian modes.
109 @item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
111 @end itemize
113 Current QEMU limitations:
115 @itemize
117 @item Self-modifying code is not always handled correctly.
119 @item 64 bit userland emulation is not implemented.
121 @item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
123 @item The watchpoint debug facility is not implemented.
125 @end itemize
127 @node intro_ppc_emulation
128 @section PowerPC emulation
130 @itemize
132 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
133 FPU and MMU.
135 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
137 @end itemize
139 @node intro_sparc_emulation
140 @section Sparc32 and Sparc64 emulation
142 @itemize
144 @item Full SPARC V8 emulation, including privileged
145 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
146 and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
148 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
149 some 64-bit SPARC Linux binaries.
151 @end itemize
153 Current QEMU limitations:
155 @itemize
157 @item IPC syscalls are missing.
159 @item Floating point exception support is buggy.
161 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
163 @item There are still some problems with Sparc64 emulators.
165 @end itemize
167 @node intro_xtensa_emulation
168 @section Xtensa emulation
170 @itemize
172 @item Core Xtensa ISA emulation, including most options: code density,
173 loop, extended L32R, 16- and 32-bit multiplication, 32-bit division,
174 MAC16, miscellaneous operations, boolean, FP coprocessor, coprocessor
175 context, debug, multiprocessor synchronization,
176 conditional store, exceptions, relocatable vectors, unaligned exception,
177 interrupts (including high priority and timer), hardware alignment,
178 region protection, region translation, MMU, windowed registers, thread
179 pointer, processor ID.
181 @item Not implemented options: data/instruction cache (including cache
182 prefetch and locking), XLMI, processor interface. Also options not
183 covered by the core ISA (e.g. FLIX, wide branches) are not implemented.
185 @item Can run most Xtensa Linux binaries.
187 @item New core configuration that requires no additional instructions
188 may be created from overlay with minimal amount of hand-written code.
190 @end itemize
192 @node intro_other_emulation
193 @section Other CPU emulation
195 In addition to the above, QEMU supports emulation of other CPUs with
196 varying levels of success. These are:
198 @itemize
200 @item
201 Alpha
202 @item
203 CRIS
204 @item
205 M68k
206 @item
208 @end itemize
210 @node QEMU Internals
211 @chapter QEMU Internals
213 @menu
214 * QEMU compared to other emulators::
215 * Portable dynamic translation::
216 * CPU state optimisations::
217 * Translation cache::
218 * Direct block chaining::
219 * Self-modifying code and translated code invalidation::
220 * Exception support::
221 * MMU emulation::
222 * Device emulation::
223 * Bibliography::
224 @end menu
226 @node QEMU compared to other emulators
227 @section QEMU compared to other emulators
229 Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
230 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
231 emulation while QEMU can emulate several processors.
233 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
234 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
235 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
236 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
237 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
238 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
239 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
240 and system emulation.
242 EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
243 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
244 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
245 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
247 TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
248 accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
249 x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
250 of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
251 develop because all the data structures and function parameters exchanged
252 between the API and the x86 code must be converted.
254 User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
255 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
256 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
257 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
258 slower.
260 The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
261 obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
262 to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
263 patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
264 done except for some privileged instructions), it has the potential of
265 being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
266 potentially unsafe) host kernel patch is needed.
268 The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
269 than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
270 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
271 provide cycle exact simulation as an emulator can.
273 VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
274 [12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
275 developed in SystemC.
277 @node Portable dynamic translation
278 @section Portable dynamic translation
280 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
281 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
282 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
283 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
284 performances.
286 QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
287 Generator". For more information, please take a look at @code{tcg/README}.
289 @node CPU state optimisations
290 @section CPU state optimisations
292 The target CPUs have many internal states which change the way it
293 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
294 translation phase considers that some state information of the virtual
295 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
296 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
297 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
298 matches the state recorded in the previous TB. For example, if the SS,
299 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
300 generate an addition for the segment base.
302 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
304 @node Translation cache
305 @section Translation cache
307 A 32 MByte cache holds the most recently used translations. For
308 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
309 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
310 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
311 translator cannot deduce statically).
313 @node Direct block chaining
314 @section Direct block chaining
316 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
317 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
318 segment base value) to find the next basic block.
320 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
321 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
322 next one.
324 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
325 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
326 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
327 directly patched so that the block chaining has no overhead.
329 @node Self-modifying code and translated code invalidation
330 @section Self-modifying code and translated code invalidation
332 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
333 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
334 is modified.
336 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
337 host page is write protected if it is not already read-only. Then, if
338 a write access is done to the page, Linux raises a SEGV signal. QEMU
339 then invalidates all the translated code in the page and enables write
340 accesses to the page.
342 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
343 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
344 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
346 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
347 cache flushes, so some of the protection above would not be
348 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
349 matches the target instructions in memory in order to handle
350 exceptions correctly.
352 @node Exception support
353 @section Exception support
355 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
356 encountered.
358 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
359 memory accesses. The simulated program counter is found by
360 retranslating the corresponding basic block and by looking where the
361 host program counter was at the exception point.
363 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
364 in some cases it is not computed because of condition code
365 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
366 still be restarted in any cases.
368 @node MMU emulation
369 @section MMU emulation
371 For system emulation QEMU supports a soft MMU. In that mode, the MMU
372 virtual to physical address translation is done at every memory
373 access. QEMU uses an address translation cache to speed up the
374 translation.
376 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
377 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
378 means that each basic block is indexed with its physical address.
380 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
381 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
383 @node Device emulation
384 @section Device emulation
386 Systems emulated by QEMU are organized by boards. At initialization
387 phase, each board instantiates a number of CPUs, devices, RAM and
388 ROM. Each device in turn can assign I/O ports or memory areas (for
389 MMIO) to its handlers. When the emulation starts, an access to the
390 ports or MMIO memory areas assigned to the device causes the
391 corresponding handler to be called.
393 RAM and ROM are handled more optimally, only the offset to the host
394 memory needs to be added to the guest address.
396 The video RAM of VGA and other display cards is special: it can be
397 read or written directly like RAM, but write accesses cause the memory
398 to be marked with VGA_DIRTY flag as well.
400 QEMU supports some device classes like serial and parallel ports, USB,
401 drives and network devices, by providing APIs for easier connection to
402 the generic, higher level implementations. The API hides the
403 implementation details from the devices, like native device use or
404 advanced block device formats like QCOW.
406 Usually the devices implement a reset method and register support for
407 saving and loading of the device state. The devices can also use
408 timers, especially together with the use of bottom halves (BHs).
410 @node Bibliography
411 @section Bibliography
413 @table @asis
415 @item [1]
416 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
417 by Kevin Lawton et al.
419 @item [2]
420 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
421 for GNU/Linux.
423 @item [3]
424 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
425 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
427 @item [4]
428 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
429 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
430 Chernoff and Ray Hookway.
432 @item [5]
433 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
434 The User-mode Linux Kernel.
436 @item [6]
437 @url{http://www.plex86.org/},
438 The new Plex86 project.
440 @item [7]
441 @url{http://www.vmware.com/},
442 The VMWare PC virtualizer.
444 @item [8]
445 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
446 The VirtualPC PC virtualizer.
448 @item [9]
449 @url{http://virtualbox.org/},
450 The VirtualBox PC virtualizer.
452 @item [10]
453 @url{http://www.xen.org/},
454 The Xen hypervisor.
456 @item [11]
457 @url{http://www.linux-kvm.org/},
458 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
460 @item [12]
461 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
462 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
464 @end table
466 @bye