docs/tcg-plugins: add L2 arguments to cache docs
[qemu/ar7.git] / docs / devel / tcg-plugins.rst
blob59a7d838bee3d97a932f180c89bd029134312f45
1 ..
2    Copyright (C) 2017, Emilio G. Cota <cota@braap.org>
3    Copyright (c) 2019, Linaro Limited
4    Written by Emilio Cota and Alex Bennée
6 QEMU TCG Plugins
7 ================
9 QEMU TCG plugins provide a way for users to run experiments taking
10 advantage of the total system control emulation can have over a guest.
11 It provides a mechanism for plugins to subscribe to events during
12 translation and execution and optionally callback into the plugin
13 during these events. TCG plugins are unable to change the system state
14 only monitor it passively. However they can do this down to an
15 individual instruction granularity including potentially subscribing
16 to all load and store operations.
18 Usage
19 -----
21 Any QEMU binary with TCG support has plugins enabled by default.
22 Earlier releases needed to be explicitly enabled with::
24   configure --enable-plugins
26 Once built a program can be run with multiple plugins loaded each with
27 their own arguments::
29   $QEMU $OTHER_QEMU_ARGS \
30       -plugin tests/plugin/libhowvec.so,inline=on,count=hint \
31       -plugin tests/plugin/libhotblocks.so
33 Arguments are plugin specific and can be used to modify their
34 behaviour. In this case the howvec plugin is being asked to use inline
35 ops to count and break down the hint instructions by type.
37 Writing plugins
38 ---------------
40 API versioning
41 ~~~~~~~~~~~~~~
43 This is a new feature for QEMU and it does allow people to develop
44 out-of-tree plugins that can be dynamically linked into a running QEMU
45 process. However the project reserves the right to change or break the
46 API should it need to do so. The best way to avoid this is to submit
47 your plugin upstream so they can be updated if/when the API changes.
49 All plugins need to declare a symbol which exports the plugin API
50 version they were built against. This can be done simply by::
52   QEMU_PLUGIN_EXPORT int qemu_plugin_version = QEMU_PLUGIN_VERSION;
54 The core code will refuse to load a plugin that doesn't export a
55 ``qemu_plugin_version`` symbol or if plugin version is outside of QEMU's
56 supported range of API versions.
58 Additionally the ``qemu_info_t`` structure which is passed to the
59 ``qemu_plugin_install`` method of a plugin will detail the minimum and
60 current API versions supported by QEMU. The API version will be
61 incremented if new APIs are added. The minimum API version will be
62 incremented if existing APIs are changed or removed.
64 Lifetime of the query handle
65 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
67 Each callback provides an opaque anonymous information handle which
68 can usually be further queried to find out information about a
69 translation, instruction or operation. The handles themselves are only
70 valid during the lifetime of the callback so it is important that any
71 information that is needed is extracted during the callback and saved
72 by the plugin.
74 Plugin life cycle
75 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
77 First the plugin is loaded and the public qemu_plugin_install function
78 is called. The plugin will then register callbacks for various plugin
79 events. Generally plugins will register a handler for the *atexit*
80 if they want to dump a summary of collected information once the
81 program/system has finished running.
83 When a registered event occurs the plugin callback is invoked. The
84 callbacks may provide additional information. In the case of a
85 translation event the plugin has an option to enumerate the
86 instructions in a block of instructions and optionally register
87 callbacks to some or all instructions when they are executed.
89 There is also a facility to add an inline event where code to
90 increment a counter can be directly inlined with the translation.
91 Currently only a simple increment is supported. This is not atomic so
92 can miss counts. If you want absolute precision you should use a
93 callback which can then ensure atomicity itself.
95 Finally when QEMU exits all the registered *atexit* callbacks are
96 invoked.
98 Exposure of QEMU internals
99 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
101 The plugin architecture actively avoids leaking implementation details
102 about how QEMU's translation works to the plugins. While there are
103 conceptions such as translation time and translation blocks the
104 details are opaque to plugins. The plugin is able to query select
105 details of instructions and system configuration only through the
106 exported *qemu_plugin* functions.
111 .. kernel-doc:: include/qemu/qemu-plugin.h
113 Internals
114 ---------
116 Locking
117 ~~~~~~~
119 We have to ensure we cannot deadlock, particularly under MTTCG. For
120 this we acquire a lock when called from plugin code. We also keep the
121 list of callbacks under RCU so that we do not have to hold the lock
122 when calling the callbacks. This is also for performance, since some
123 callbacks (e.g. memory access callbacks) might be called very
124 frequently.
126   * A consequence of this is that we keep our own list of CPUs, so that
127     we do not have to worry about locking order wrt cpu_list_lock.
128   * Use a recursive lock, since we can get registration calls from
129     callbacks.
131 As a result registering/unregistering callbacks is "slow", since it
132 takes a lock. But this is very infrequent; we want performance when
133 calling (or not calling) callbacks, not when registering them. Using
134 RCU is great for this.
136 We support the uninstallation of a plugin at any time (e.g. from
137 plugin callbacks). This allows plugins to remove themselves if they no
138 longer want to instrument the code. This operation is asynchronous
139 which means callbacks may still occur after the uninstall operation is
140 requested. The plugin isn't completely uninstalled until the safe work
141 has executed while all vCPUs are quiescent.
143 Example Plugins
144 ---------------
146 There are a number of plugins included with QEMU and you are
147 encouraged to contribute your own plugins plugins upstream. There is a
148 ``contrib/plugins`` directory where they can go.
150 - tests/plugins
152 These are some basic plugins that are used to test and exercise the
153 API during the ``make check-tcg`` target.
155 - contrib/plugins/hotblocks.c
157 The hotblocks plugin allows you to examine the where hot paths of
158 execution are in your program. Once the program has finished you will
159 get a sorted list of blocks reporting the starting PC, translation
160 count, number of instructions and execution count. This will work best
161 with linux-user execution as system emulation tends to generate
162 re-translations as blocks from different programs get swapped in and
163 out of system memory.
165 If your program is single-threaded you can use the ``inline`` option for
166 slightly faster (but not thread safe) counters.
168 Example::
170   ./aarch64-linux-user/qemu-aarch64 \
171     -plugin contrib/plugins/libhotblocks.so -d plugin \
172     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
173   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
174   collected 903 entries in the hash table
175   pc, tcount, icount, ecount
176   0x0000000041ed10, 1, 5, 66087
177   0x000000004002b0, 1, 4, 66087
178   ...
180 - contrib/plugins/hotpages.c
182 Similar to hotblocks but this time tracks memory accesses::
184   ./aarch64-linux-user/qemu-aarch64 \
185     -plugin contrib/plugins/libhotpages.so -d plugin \
186     ./tests/tcg/aarch64-linux-user/sha1
187   SHA1=15dd99a1991e0b3826fede3deffc1feba42278e6
188   Addr, RCPUs, Reads, WCPUs, Writes
189   0x000055007fe000, 0x0001, 31747952, 0x0001, 8835161
190   0x000055007ff000, 0x0001, 29001054, 0x0001, 8780625
191   0x00005500800000, 0x0001, 687465, 0x0001, 335857
192   0x0000000048b000, 0x0001, 130594, 0x0001, 355
193   0x0000000048a000, 0x0001, 1826, 0x0001, 11
195 The hotpages plugin can be configured using the following arguments:
197   * sortby=reads|writes|address
199   Log the data sorted by either the number of reads, the number of writes, or
200   memory address. (Default: entries are sorted by the sum of reads and writes)
202   * io=on
204   Track IO addresses. Only relevant to full system emulation. (Default: off)
206   * pagesize=N
208   The page size used. (Default: N = 4096)
210 - contrib/plugins/howvec.c
212 This is an instruction classifier so can be used to count different
213 types of instructions. It has a number of options to refine which get
214 counted. You can give a value to the `count` argument for a class of
215 instructions to break it down fully, so for example to see all the system
216 registers accesses::
218   ./aarch64-softmmu/qemu-system-aarch64 $(QEMU_ARGS) \
219     -append "root=/dev/sda2 systemd.unit=benchmark.service" \
220     -smp 4 -plugin ./contrib/plugins/libhowvec.so,count=sreg -d plugin
222 which will lead to a sorted list after the class breakdown::
224   Instruction Classes:
225   Class:   UDEF                   not counted
226   Class:   SVE                    (68 hits)
227   Class:   PCrel addr             (47789483 hits)
228   Class:   Add/Sub (imm)          (192817388 hits)
229   Class:   Logical (imm)          (93852565 hits)
230   Class:   Move Wide (imm)        (76398116 hits)
231   Class:   Bitfield               (44706084 hits)
232   Class:   Extract                (5499257 hits)
233   Class:   Cond Branch (imm)      (147202932 hits)
234   Class:   Exception Gen          (193581 hits)
235   Class:     NOP                  not counted
236   Class:   Hints                  (6652291 hits)
237   Class:   Barriers               (8001661 hits)
238   Class:   PSTATE                 (1801695 hits)
239   Class:   System Insn            (6385349 hits)
240   Class:   System Reg             counted individually
241   Class:   Branch (reg)           (69497127 hits)
242   Class:   Branch (imm)           (84393665 hits)
243   Class:   Cmp & Branch           (110929659 hits)
244   Class:   Tst & Branch           (44681442 hits)
245   Class:   AdvSimd ldstmult       (736 hits)
246   Class:   ldst excl              (9098783 hits)
247   Class:   Load Reg (lit)         (87189424 hits)
248   Class:   ldst noalloc pair      (3264433 hits)
249   Class:   ldst pair              (412526434 hits)
250   Class:   ldst reg (imm)         (314734576 hits)
251   Class: Loads & Stores           (2117774 hits)
252   Class: Data Proc Reg            (223519077 hits)
253   Class: Scalar FP                (31657954 hits)
254   Individual Instructions:
255   Instr: mrs x0, sp_el0           (2682661 hits)  (op=0xd5384100/  System Reg)
256   Instr: mrs x1, tpidr_el2        (1789339 hits)  (op=0xd53cd041/  System Reg)
257   Instr: mrs x2, tpidr_el2        (1513494 hits)  (op=0xd53cd042/  System Reg)
258   Instr: mrs x0, tpidr_el2        (1490823 hits)  (op=0xd53cd040/  System Reg)
259   Instr: mrs x1, sp_el0           (933793 hits)   (op=0xd5384101/  System Reg)
260   Instr: mrs x2, sp_el0           (699516 hits)   (op=0xd5384102/  System Reg)
261   Instr: mrs x4, tpidr_el2        (528437 hits)   (op=0xd53cd044/  System Reg)
262   Instr: mrs x30, ttbr1_el1       (480776 hits)   (op=0xd538203e/  System Reg)
263   Instr: msr ttbr1_el1, x30       (480713 hits)   (op=0xd518203e/  System Reg)
264   Instr: msr vbar_el1, x30        (480671 hits)   (op=0xd518c01e/  System Reg)
265   ...
267 To find the argument shorthand for the class you need to examine the
268 source code of the plugin at the moment, specifically the ``*opt``
269 argument in the InsnClassExecCount tables.
271 - contrib/plugins/lockstep.c
273 This is a debugging tool for developers who want to find out when and
274 where execution diverges after a subtle change to TCG code generation.
275 It is not an exact science and results are likely to be mixed once
276 asynchronous events are introduced. While the use of -icount can
277 introduce determinism to the execution flow it doesn't always follow
278 the translation sequence will be exactly the same. Typically this is
279 caused by a timer firing to service the GUI causing a block to end
280 early. However in some cases it has proved to be useful in pointing
281 people at roughly where execution diverges. The only argument you need
282 for the plugin is a path for the socket the two instances will
283 communicate over::
286   ./sparc-softmmu/qemu-system-sparc -monitor none -parallel none \
287     -net none -M SS-20 -m 256 -kernel day11/zImage.elf \
288     -plugin ./contrib/plugins/liblockstep.so,sockpath=lockstep-sparc.sock \
289   -d plugin,nochain
291 which will eventually report::
293   qemu-system-sparc: warning: nic lance.0 has no peer
294   @ 0x000000ffd06678 vs 0x000000ffd001e0 (2/1 since last)
295   @ 0x000000ffd07d9c vs 0x000000ffd06678 (3/1 since last)
296   Δ insn_count @ 0x000000ffd07d9c (809900609) vs 0x000000ffd06678 (809900612)
297     previously @ 0x000000ffd06678/10 (809900609 insns)
298     previously @ 0x000000ffd001e0/4 (809900599 insns)
299     previously @ 0x000000ffd080ac/2 (809900595 insns)
300     previously @ 0x000000ffd08098/5 (809900593 insns)
301     previously @ 0x000000ffd080c0/1 (809900588 insns)
303 - contrib/plugins/hwprofile.c
305 The hwprofile tool can only be used with system emulation and allows
306 the user to see what hardware is accessed how often. It has a number of options:
308  * track=read or track=write
310  By default the plugin tracks both reads and writes. You can use one
311  of these options to limit the tracking to just one class of accesses.
313  * source
315  Will include a detailed break down of what the guest PC that made the
316  access was. Not compatible with the pattern option. Example output::
318    cirrus-low-memory @ 0xfffffd00000a0000
319     pc:fffffc0000005cdc, 1, 256
320     pc:fffffc0000005ce8, 1, 256
321     pc:fffffc0000005cec, 1, 256
323  * pattern
325  Instead break down the accesses based on the offset into the HW
326  region. This can be useful for seeing the most used registers of a
327  device. Example output::
329     pci0-conf @ 0xfffffd01fe000000
330       off:00000004, 1, 1
331       off:00000010, 1, 3
332       off:00000014, 1, 3
333       off:00000018, 1, 2
334       off:0000001c, 1, 2
335       off:00000020, 1, 2
336       ...
338 - contrib/plugins/execlog.c
340 The execlog tool traces executed instructions with memory access. It can be used
341 for debugging and security analysis purposes.
342 Please be aware that this will generate a lot of output.
344 The plugin takes no argument::
346   qemu-system-arm $(QEMU_ARGS) \
347     -plugin ./contrib/plugins/libexeclog.so -d plugin
349 which will output an execution trace following this structure::
351   # vCPU, vAddr, opcode, disassembly[, load/store, memory addr, device]...
352   0, 0xa12, 0xf8012400, "movs r4, #0"
353   0, 0xa14, 0xf87f42b4, "cmp r4, r6"
354   0, 0xa16, 0xd206, "bhs #0xa26"
355   0, 0xa18, 0xfff94803, "ldr r0, [pc, #0xc]", load, 0x00010a28, RAM
356   0, 0xa1a, 0xf989f000, "bl #0xd30"
357   0, 0xd30, 0xfff9b510, "push {r4, lr}", store, 0x20003ee0, RAM, store, 0x20003ee4, RAM
358   0, 0xd32, 0xf9893014, "adds r0, #0x14"
359   0, 0xd34, 0xf9c8f000, "bl #0x10c8"
360   0, 0x10c8, 0xfff96c43, "ldr r3, [r0, #0x44]", load, 0x200000e4, RAM
362 - contrib/plugins/cache.c
364 Cache modelling plugin that measures the performance of a given L1 cache
365 configuration, and optionally a unified L2 per-core cache when a given working
366 set is run::
368     qemu-x86_64 -plugin ./contrib/plugins/libcache.so \
369       -d plugin -D cache.log ./tests/tcg/x86_64-linux-user/float_convs
371 will report the following::
373     core #, data accesses, data misses, dmiss rate, insn accesses, insn misses, imiss rate
374     0       996695         508             0.0510%  2642799        18617           0.7044%
376     address, data misses, instruction
377     0x424f1e (_int_malloc), 109, movq %rax, 8(%rcx)
378     0x41f395 (_IO_default_xsputn), 49, movb %dl, (%rdi, %rax)
379     0x42584d (ptmalloc_init.part.0), 33, movaps %xmm0, (%rax)
380     0x454d48 (__tunables_init), 20, cmpb $0, (%r8)
381     ...
383     address, fetch misses, instruction
384     0x4160a0 (__vfprintf_internal), 744, movl $1, %ebx
385     0x41f0a0 (_IO_setb), 744, endbr64
386     0x415882 (__vfprintf_internal), 744, movq %r12, %rdi
387     0x4268a0 (__malloc), 696, andq $0xfffffffffffffff0, %rax
388     ...
390 The plugin has a number of arguments, all of them are optional:
392   * limit=N
394   Print top N icache and dcache thrashing instructions along with their
395   address, number of misses, and its disassembly. (default: 32)
397   * icachesize=N
398   * iblksize=B
399   * iassoc=A
401   Instruction cache configuration arguments. They specify the cache size, block
402   size, and associativity of the instruction cache, respectively.
403   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
405   * dcachesize=N
406   * dblksize=B
407   * dassoc=A
409   Data cache configuration arguments. They specify the cache size, block size,
410   and associativity of the data cache, respectively.
411   (default: N = 16384, B = 64, A = 8)
413   * evict=POLICY
415   Sets the eviction policy to POLICY. Available policies are: :code:`lru`,
416   :code:`fifo`, and :code:`rand`. The plugin will use the specified policy for
417   both instruction and data caches. (default: POLICY = :code:`lru`)
419   * cores=N
421   Sets the number of cores for which we maintain separate icache and dcache.
422   (default: for linux-user, N = 1, for full system emulation: N = cores
423   available to guest)
425   * l2=on
427   Simulates a unified L2 cache (stores blocks for both instructions and data)
428   using the default L2 configuration (cache size = 2MB, associativity = 16-way,
429   block size = 64B).
431   * l2cachesize=N
432   * l2blksize=B
433   * l2assoc=A
435   L2 cache configuration arguments. They specify the cache size, block size, and
436   associativity of the L2 cache, respectively. Setting any of the L2
437   configuration arguments implies ``l2=on``.
438   (default: N = 2097152 (2MB), B = 64, A = 16)