docs/devel/tcg.rst

   1 ====================
   2 Translator Internals
   3 ====================
   4
   5 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
   6 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
   7 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
   8 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
   9 performances.
  10
  11 QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
  12 Generator". For more information, please take a look at ``tcg/README``.
  13
  14 Some notable features of QEMU's dynamic translator are:
  15
  16 CPU state optimisations
  17 -----------------------
  18
  19 The target CPUs have many internal states which change the way it
  20 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
  21 translation phase considers that some state information of the virtual
  22 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
  23 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
  24 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
  25 matches the state recorded in the previous TB. The same idea can be applied
  26 to other aspects of the CPU state.  For example, on x86, if the SS,
  27 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
  28 generate an addition for the segment base.
  29
  30 Direct block chaining
  31 ---------------------
  32
  33 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
  34 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
  35 segment base value) to find the next basic block.
  36
  37 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
  38 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
  39 next one.
  40
  41 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
  42 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
  43 architectures (such as x86 or PowerPC), the ``JUMP`` opcode is
  44 directly patched so that the block chaining has no overhead.
  45
  46 Self-modifying code and translated code invalidation
  47 ----------------------------------------------------
  48
  49 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
  50 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
  51 is modified.
  52
  53 User-mode emulation marks a host page as write-protected (if it is
  54 not already read-only) every time translated code is generated for a
  55 basic block.  Then, if a write access is done to the page, Linux raises
  56 a SEGV signal. QEMU then invalidates all the translated code in the page
  57 and enables write accesses to the page.  For system emulation, write
  58 protection is achieved through the software MMU.
  59
  60 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
  61 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
  62 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
  63
  64 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
  65 cache flushes, so some of the protection above would not be
  66 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
  67 matches the target instructions in memory in order to handle
  68 exceptions correctly.
  69
  70 Exception support
  71 -----------------
  72
  73 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
  74 encountered.
  75
  76 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
  77 memory accesses.  QEMU keeps a map from host program counter to
  78 target program counter, and looks up where the exception happened
  79 based on the host program counter at the exception point.
  80
  81 On some targets, some bits of the virtual CPU's state are not flushed to the
  82 memory until the end of the translation block.  This is done for internal
  83 emulation state that is rarely accessed directly by the program and/or changes
  84 very often throughout the execution of a translation block---this includes
  85 condition codes on x86, delay slots on SPARC, conditional execution on
  86 Arm, and so on.  This state is stored for each target instruction, and
  87 looked up on exceptions.
  88
  89 MMU emulation
  90 -------------
  91
  92 For system emulation QEMU uses a software MMU. In that mode, the MMU
  93 virtual to physical address translation is done at every memory
  94 access.
  95
  96 QEMU uses an address translation cache (TLB) to speed up the translation.
  97 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
  98 mappings change, all caches in QEMU are physically indexed.  This
  99 means that each basic block is indexed with its physical address.
 100
 101 In order to avoid invalidating the basic block chain when MMU mappings
 102 change, chaining is only performed when the destination of the jump
 103 shares a page with the basic block that is performing the jump.
 104
 105 The MMU can also distinguish RAM and ROM memory areas from MMIO memory
 106 areas.  Access is faster for RAM and ROM because the translation cache also
 107 hosts the offset between guest address and host memory.  Accessing MMIO
 108 memory areas instead calls out to C code for device emulation.
 109 Finally, the MMU helps tracking dirty pages and pages pointed to by
 110 translation blocks.
 111