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1 \input texinfo @c -*- texinfo -*-
3 @settitle QEMU x86 Emulator Reference Documentation
4 @titlepage
5 @sp 7
6 @center @titlefont{QEMU x86 Emulator Reference Documentation}
7 @sp 3
8 @end titlepage
10 @chapter Introduction
12 QEMU is an x86 processor emulator. Its purpose is to run x86 Linux
13 processes on non-x86 Linux architectures such as PowerPC or ARM. By
14 using dynamic translation it achieves a reasonnable speed while being
15 easy to port on new host CPUs. Its main goal is to be able to launch the
16 @code{Wine} Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}) on
17 non-x86 CPUs.
19 QEMU features:
21 @itemize 
23 @item User space only x86 emulator.
25 @item Currently ported on i386, PowerPC and S390.
27 @item Using dynamic translation to native code for reasonnable speed.
29 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation. 
30 User space LDT and GDT are emulated. VM86 mode is also supported
31 (experimental).
33 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
35 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
37 @item Accurate signal handling by remapping host signals to virtual x86 signals.
39 @item QEMU can emulate itself on x86 (experimental).
41 @item The virtual x86 CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
42 in other projects.
44 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}. 
45 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
47 @end itemize
49 Current QEMU Limitations:
51 @itemize 
53 @item Not all x86 exceptions are precise (yet). [Very few programs need that].
55 @item No support for self-modifying code (yet). [Very few programs need that, a notable exception is QEMU itself !].
57 @item No SSE/MMX support (yet).
59 @item No x86-64 support.
61 @item Some Linux syscalls are missing.
63 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every 
64 memory access (and will never be to have good performances).
66 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
67 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
68 maximum performances.
70 @end itemize
72 @chapter Invocation
74 @section Quick Start
76 In order to launch a Linux process, QEMU needs the process executable
77 itself and all the target (x86) dynamic libraries used by it. 
79 @itemize
81 @item On x86, you can just try to launch any process by using the native
82 libraries:
84 @example 
85 qemu -L / /bin/ls
86 @end example
88 @code{-L /} tells that the x86 dynamic linker must be searched with a
89 @file{/} prefix.
91 @item Since QEMU is also a linux process, you can launch qemu with qemu:
93 @example 
94 qemu -L / qemu -L / /bin/ls
95 @end example
97 @item On non x86 CPUs, you need first to download at least an x86 glibc
98 (@file{qemu-XXX-i386-glibc21.tar.gz} on the QEMU web page). Ensure that
99 @code{LD_LIBRARY_PATH} is not set:
101 @example
102 unset LD_LIBRARY_PATH 
103 @end example
105 Then you can launch the precompiled @file{ls} x86 executable:
107 @example
108 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
109 @end example
110 You can look at @file{/usr/local/qemu-i386/bin/qemu-conf.sh} so that
111 QEMU is automatically launched by the Linux kernel when you try to
112 launch x86 executables. It requires the @code{binfmt_misc} module in the
113 Linux kernel.
115 @item The x86 version of QEMU is also included. You can try weird things such as:
116 @example
117 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/qemu-i386 /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
118 @end example
120 @end itemize
122 @section Wine launch (Currently only tested when emulating x86 on x86)
124 @itemize
126 @item Ensure that you have a working QEMU with the x86 glibc
127 distribution (see previous section). In order to verify it, you must be
128 able to do:
130 @example
131 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
132 @end example
134 @item Download the binary x86 Wine install
135 (@file{qemu-XXX-i386-wine.tar.gz} on the QEMU web page). 
137 @item Configure Wine on your account. Look at the provided script
138 @file{/usr/local/qemu-i386/bin/wine-conf.sh}. Your previous
139 @code{$@{HOME@}/.wine} directory is saved to @code{$@{HOME@}/.wine.org}.
141 @item Then you can try the example @file{putty.exe}:
143 @example
144 qemu /usr/local/qemu-i386/wine/bin/wine /usr/local/qemu-i386/wine/c/Program\ Files/putty.exe
145 @end example
147 @end itemize
149 @section Command line options
151 @example
152 usage: qemu [-h] [-d] [-L path] [-s size] program [arguments...]
153 @end example
155 @table @samp
156 @item -h
157 Print the help
158 @item -d
159 Activate log (logfile=/tmp/qemu.log)
160 @item -L path   
161 Set the x86 elf interpreter prefix (default=/usr/local/qemu-i386)
162 @item -s size
163 Set the x86 stack size in bytes (default=524288)
164 @end table
166 @chapter QEMU Internals
168 @section QEMU compared to other emulators
170 Unlike bochs [3], QEMU emulates only a user space x86 CPU. It means that
171 you cannot launch an operating system with it. The benefit is that it is
172 simpler and faster due to the fact that some of the low level CPU state
173 can be ignored (in particular, no virtual memory needs to be emulated).
175 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
176 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
177 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory accesses
178 as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data as
179 Valgrind does). Valgrind dynamic translator generates better code than
180 QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely tied
181 to an x86 host.
183 EM86 [4] is the closest project to QEMU (and QEMU still uses some of its
184 code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited to an alpha
185 host and used a proprietary and slow interpreter (the interpreter part
186 of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
188 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
189 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
190 executables. Such an approach as greater potential because most of the
191 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
192 because all the data structures and function parameters exchanged
193 between the API and the x86 code must be converted.
195 @section Portable dynamic translation
197 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
198 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
199 are very complicated and highly CPU dependant. QEMU uses some tricks
200 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
201 performances.
203 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
204 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
205 code (see @file{op-i386.c}). Then a compile time tool (@file{dyngen})
206 takes the corresponding object file (@file{op-i386.o}) to generate a
207 dynamic code generator which concatenates the simple instructions to
208 build a function (see @file{op-i386.h:dyngen_code()}).
210 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
211 compile time. 
213 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
214 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
215 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
216 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
217 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
219 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
221 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
222 state of the virtual CPU.
224 @section Register allocation
226 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
227 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
228 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
229 doing complicated register allocation.
231 @section Condition code optimisations
233 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
234 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
235 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
236 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
237 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
238 @code{CC_OP}).
240 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
241 because it is known at translation time.
243 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
244 generated simple instructions (see
245 @code{translate-i386.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
246 the condition codes are not needed by the next instructions, no
247 condition codes are computed at all.
249 @section CPU state optimisations
251 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
252 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
253 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
254 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
255 base, then the translator does not even generate an addition for the
256 segment base.
258 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
260 @section Translation cache
262 A 2MByte cache holds the most recently used translations. For
263 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
264 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
265 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
266 translator cannot deduce statically).
268 [Currently, the translated code is not patched if it jumps to another
269 translated code].
271 @section Exception support
273 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
274 encountered. The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get
275 invalid memory accesses. 
277 [Currently, the virtual CPU cannot retrieve the exact CPU state in some
278 exceptions, although it could except for the @code{EFLAGS} register].
280 @section Linux system call translation
282 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
283 the parameters of the system calls can be converted to fix the
284 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
285 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
287 @section Linux signals
289 Normal and real-time signals are queued along with their information
290 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
291 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
292 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
293 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
294 from the virtual signal handler.
296 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
297 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
298 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
300 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
301 that most signal system calls can be redirected directly to the host
302 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
303 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
305 @section clone() system call and threads
307 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
308 uses the host clone() system call so that real host threads are created
309 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
310 thread.
312 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
313 that their semantic is preserved.
315 @section Self-virtualization
317 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Althought
318 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
319 emulator.
321 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
322 space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
323 shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
324 relocated at load time.
326 Since self-modifying code is not supported yet, QEMU cannot emulate
327 itself in case of translation cache flush. This limitation will be
328 suppressed soon.
330 @section Bibliography
332 @table @asis
334 @item [1] 
335 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
336 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
337 Riccardi.
339 @item [2]
340 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
341 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
343 @item [3]
344 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
345 by Kevin Lawton et al.
347 @item [4]
348 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
349 x86 emulator on Alpha-Linux.
351 @item [5]
352 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
353 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
354 Chernoff and Ray Hookway.
356 @item [6]
357 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
358 Willows Software.
360 @end table
362 @chapter Regression Tests
364 In the directory @file{tests/}, various interesting x86 testing programs
365 are available. There are used for regression testing.
367 @section @file{hello}
369 Very simple statically linked x86 program, just to test QEMU during a
370 port to a new host CPU.
372 @section @file{test-i386}
374 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
375 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
376 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
377 program and a @code{diff} on the generated output.
379 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
380 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
382 @section @file{testsig}
384 This program tests various signal cases, including SIGFPE, SIGSEGV and
385 SIGILL.
387 @section @file{testclone}
389 Tests the @code{clone()} system call (basic test).
391 @section @file{testthread}
393 Tests the glibc threads (more complicated than @code{clone()} because signals
394 are also used).
396 @section @file{sha1}
398 It is a simple benchmark. Care must be taken to interpret the results
399 because it mostly tests the ability of the virtual CPU to optimize the
400 @code{rol} x86 instruction and the condition code computations.
402 @section @file{runcom}
404 A very simple MSDOS emulator to test the Linux vm86() system call
405 emulation. The excellent 54 byte @file{pi_10.com} PI number calculator
406 can be launched with it. @file{pi_10.com} was written by Bertram
407 Felgenhauer (more information at @url{http://www.boo.net/~jasonp/pipage.html}).