Add support for dynamic ticks, by Luca Tettamanti and Dan Kenigsberg.
[qemu/dscho.git] / qemu-tech.texi
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12 @center @titlefont{QEMU Internals}
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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 instructions, FPU and I/D MMU, but misses most VIS instructions.
204 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries and some handcrafted 64-bit SPARC Linux binaries.
206 @end itemize
208 Current QEMU limitations:
210 @itemize 
212 @item IPC syscalls are missing.
214 @item 128-bit floating point operations are not supported, though none of the
215 real CPUs implement them either. FCMPE[SD] are not correctly
216 implemented.  Floating point exception support is untested.
218 @item Alignment is not enforced at all.
220 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
222 @item Sparc64 emulators are not usable for anything yet.
224 @end itemize
226 @node QEMU Internals
227 @chapter QEMU Internals
229 @menu
230 * QEMU compared to other emulators::
231 * Portable dynamic translation::
232 * Register allocation::
233 * Condition code optimisations::
234 * CPU state optimisations::
235 * Translation cache::
236 * Direct block chaining::
237 * Self-modifying code and translated code invalidation::
238 * Exception support::
239 * MMU emulation::
240 * Hardware interrupts::
241 * User emulation specific details::
242 * Bibliography::
243 @end menu
245 @node QEMU compared to other emulators
246 @section QEMU compared to other emulators
248 Like bochs [3], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
249 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
250 emulation while QEMU can emulate several processors.
252 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
253 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
254 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
255 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
256 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
257 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
258 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
259 and system emulation.
261 EM86 [4] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
262 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
263 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
264 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
266 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
267 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
268 executables. Such an approach has greater potential because most of the
269 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
270 because all the data structures and function parameters exchanged
271 between the API and the x86 code must be converted.
273 User mode Linux [7] was the only solution before QEMU to launch a
274 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
275 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
276 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
277 slower.
279 The new Plex86 [8] PC virtualizer is done in the same spirit as the
280 qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel to work
281 (you cannot launch the same kernel on your PC), but the patches are
282 really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is done except
283 for some priveledged instructions), it has the potential of being
284 faster than QEMU. The downside is that a complicated (and potentially
285 unsafe) host kernel patch is needed.
287 The commercial PC Virtualizers (VMWare [9], VirtualPC [10], TwoOStwo
288 [11]) are faster than QEMU, but they all need specific, proprietary
289 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
290 provide cycle exact simulation as an emulator can.
292 @node Portable dynamic translation
293 @section Portable dynamic translation
295 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
296 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
297 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
298 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
299 performances.
301 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
302 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
303 code (see @file{target-i386/op.c}). Then a compile time tool
304 (@file{dyngen}) takes the corresponding object file (@file{op.o})
305 to generate a dynamic code generator which concatenates the simple
306 instructions to build a function (see @file{op.h:dyngen_code()}).
308 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
309 compile time. 
311 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
312 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
313 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
314 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
315 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
317 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
319 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
320 state of the virtual CPU.
322 @node Register allocation
323 @section Register allocation
325 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
326 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
327 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
328 doing complicated register allocation.
330 @node Condition code optimisations
331 @section Condition code optimisations
333 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
334 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
335 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
336 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
337 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
338 @code{CC_OP}).
340 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
341 because it is known at translation time.
343 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
344 generated simple instructions (see
345 @code{target-i386/translate.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
346 the condition codes are not needed by the next instructions, no
347 condition codes are computed at all.
349 @node CPU state optimisations
350 @section CPU state optimisations
352 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
353 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
354 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
355 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
356 base, then the translator does not even generate an addition for the
357 segment base.
359 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
361 @node Translation cache
362 @section Translation cache
364 A 16 MByte cache holds the most recently used translations. For
365 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
366 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
367 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
368 translator cannot deduce statically).
370 @node Direct block chaining
371 @section Direct block chaining
373 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
374 Program Counter (PC) and other cpu state informations (such as the CS
375 segment base value) to find the next basic block.
377 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
378 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
379 next one.
381 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
382 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
383 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
384 directly patched so that the block chaining has no overhead.
386 @node Self-modifying code and translated code invalidation
387 @section Self-modifying code and translated code invalidation
389 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
390 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
391 is modified.
393 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
394 host page is write protected if it is not already read-only (with the
395 system call @code{mprotect()}). Then, if a write access is done to the
396 page, Linux raises a SEGV signal. QEMU then invalidates all the
397 translated code in the page and enables write accesses to the page.
399 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
400 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
401 linked lists are also maintained to undo direct block chaining. 
403 Although the overhead of doing @code{mprotect()} calls is important,
404 most MSDOS programs can be emulated at reasonnable speed with QEMU and
405 DOSEMU.
407 Note that QEMU also invalidates pages of translated code when it detects
408 that memory mappings are modified with @code{mmap()} or @code{munmap()}.
410 When using a software MMU, the code invalidation is more efficient: if
411 a given code page is invalidated too often because of write accesses,
412 then a bitmap representing all the code inside the page is
413 built. Every store into that page checks the bitmap to see if the code
414 really needs to be invalidated. It avoids invalidating the code when
415 only data is modified in the page.
417 @node Exception support
418 @section Exception support
420 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
421 encountered. 
423 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
424 memory accesses. The exact CPU state can be retrieved because all the
425 x86 registers are stored in fixed host registers. The simulated program
426 counter is found by retranslating the corresponding basic block and by
427 looking where the host program counter was at the exception point.
429 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
430 in some cases it is not computed because of condition code
431 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
432 still be restarted in any cases.
434 @node MMU emulation
435 @section MMU emulation
437 For system emulation, QEMU uses the mmap() system call to emulate the
438 target CPU MMU. It works as long the emulated OS does not use an area
439 reserved by the host OS (such as the area above 0xc0000000 on x86
440 Linux).
442 In order to be able to launch any OS, QEMU also supports a soft
443 MMU. In that mode, the MMU virtual to physical address translation is
444 done at every memory access. QEMU uses an address translation cache to
445 speed up the translation.
447 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
448 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
449 means that each basic block is indexed with its physical address. 
451 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
452 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
454 @node Hardware interrupts
455 @section Hardware interrupts
457 In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if an
458 hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchrously
459 call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
460 function resets the chaining of the currently executing basic
461 block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
462 of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
463 pending and handle it.
465 @node User emulation specific details
466 @section User emulation specific details
468 @subsection Linux system call translation
470 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
471 the parameters of the system calls can be converted to fix the
472 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
473 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
475 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
476 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
477 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
478 because of bad page alignment.
480 @subsection Linux signals
482 Normal and real-time signals are queued along with their information
483 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
484 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
485 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
486 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
487 from the virtual signal handler.
489 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
490 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
491 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
493 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
494 that most signal system calls can be redirected directly to the host
495 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
496 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
498 @subsection clone() system call and threads
500 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
501 uses the host clone() system call so that real host threads are created
502 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
503 thread.
505 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
506 that their semantic is preserved.
508 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
509 particular, the translated cache flush is not protected yet against
510 reentrancy.
512 @subsection Self-virtualization
514 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
515 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
516 emulator.
518 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
519 space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
520 shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
521 relocated at load time.
523 @node Bibliography
524 @section Bibliography
526 @table @asis
528 @item [1] 
529 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
530 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
531 Riccardi.
533 @item [2]
534 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
535 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
537 @item [3]
538 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
539 by Kevin Lawton et al.
541 @item [4]
542 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
543 x86 emulator on Alpha-Linux.
545 @item [5]
546 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
547 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
548 Chernoff and Ray Hookway.
550 @item [6]
551 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
552 Willows Software.
554 @item [7]
555 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/}, 
556 The User-mode Linux Kernel.
558 @item [8]
559 @url{http://www.plex86.org/}, 
560 The new Plex86 project.
562 @item [9]
563 @url{http://www.vmware.com/}, 
564 The VMWare PC virtualizer.
566 @item [10]
567 @url{http://www.microsoft.com/windowsxp/virtualpc/}, 
568 The VirtualPC PC virtualizer.
570 @item [11]
571 @url{http://www.twoostwo.org/}, 
572 The TwoOStwo PC virtualizer.
574 @end table
576 @node Regression Tests
577 @chapter Regression Tests
579 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
580 are available. They are used for regression testing.
582 @menu
583 * test-i386::
584 * linux-test::
585 * qruncom.c::
586 @end menu
588 @node test-i386
589 @section @file{test-i386}
591 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
592 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
593 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
594 program and a @code{diff} on the generated output.
596 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
597 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
599 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
601 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
602 exception reporting.
604 @node linux-test
605 @section @file{linux-test}
607 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
608 that the system call parameters are correctly converted between target
609 and host CPUs.
611 @node qruncom.c
612 @section @file{qruncom.c}
614 Example of usage of @code{libqemu} to emulate a user mode i386 CPU.
616 @node Index
617 @chapter Index
618 @printindex cp
620 @bye