moved IDE driver to ide.c
[qemu/qemu_0_9_1_stable.git] / qemu-doc.texi
blob0b8c069fc7e1b6d2b30f89031e2db60e548c37fd
1 \input texinfo @c -*- texinfo -*-
3 @iftex
4 @settitle QEMU CPU Emulator Reference Documentation
5 @titlepage
6 @sp 7
7 @center @titlefont{QEMU CPU Emulator Reference Documentation}
8 @sp 3
9 @end titlepage
10 @end iftex
12 @chapter Introduction
14 @section Features
16 QEMU is a FAST! processor emulator. By using dynamic translation it
17 achieves a reasonnable speed while being easy to port on new host
18 CPUs.
20 QEMU has two operating modes:
22 @itemize @minus
24 @item 
25 User mode emulation. In this mode, QEMU can launch Linux processes
26 compiled for one CPU on another CPU. Linux system calls are converted
27 because of endianness and 32/64 bit mismatches. The Wine Windows API
28 emulator (@url{http://www.winehq.org}) and the DOSEMU DOS emulator
29 (@url{www.dosemu.org}) are the main targets for QEMU.
31 @item 
32 Full system emulation. In this mode, QEMU emulates a full
33 system, including a processor and various peripherials. Currently, it
34 is only used to launch an x86 Linux kernel on an x86 Linux system. It
35 enables easier testing and debugging of system code. It can also be
36 used to provide virtual hosting of several virtual PCs on a single
37 server.
39 @end itemize
41 As QEMU requires no host kernel patches to run, it is very safe and
42 easy to use.
44 QEMU generic features:
46 @itemize 
48 @item User space only or full system emulation.
50 @item Using dynamic translation to native code for reasonnable speed.
52 @item Working on x86 and PowerPC hosts. Being tested on ARM, Sparc32, Alpha and S390.
54 @item Self-modifying code support.
56 @item Precise exceptions support.
58 @item The virtual CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
59 in other projects.
61 @end itemize
63 QEMU user mode emulation features:
64 @itemize 
65 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
67 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
69 @item Accurate signal handling by remapping host signals to target signals. 
70 @end itemize
71 @end itemize
73 QEMU full system emulation features:
74 @itemize 
75 @item QEMU can either use a full software MMU for maximum portability or use the host system call mmap() to simulate the target MMU.
76 @end itemize
78 @section x86 emulation
80 QEMU x86 target features:
82 @itemize 
84 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation. 
85 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run DOSEMU.
87 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
89 @item QEMU can emulate itself on x86.
91 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}. 
92 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
94 @end itemize
96 Current QEMU limitations:
98 @itemize 
100 @item No SSE/MMX support (yet).
102 @item No x86-64 support.
104 @item IPC syscalls are missing.
106 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every 
107 memory access.
109 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
110 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
111 maximum performances.
113 @item Some priviledged instructions or behaviors are missing, especially for segment protection testing (yet). 
115 @end itemize
117 @section ARM emulation
119 @itemize
121 @item ARM emulation can currently launch small programs while using the
122 generic dynamic code generation architecture of QEMU.
124 @item No FPU support (yet).
126 @item No automatic regression testing (yet).
128 @end itemize
130 @section SPARC emulation
132 The SPARC emulation is currently in development.
134 @chapter Installation
136 If you want to compile QEMU, please read the @file{README} which gives
137 the related information. Otherwise just download the binary
138 distribution (@file{qemu-XXX-i386.tar.gz}) and untar it as root in
139 @file{/}:
141 @example
143 cd /
144 tar zxvf /tmp/qemu-XXX-i386.tar.gz
145 @end example
147 @chapter QEMU User space emulator invocation
149 @section Quick Start
151 In order to launch a Linux process, QEMU needs the process executable
152 itself and all the target (x86) dynamic libraries used by it. 
154 @itemize
156 @item On x86, you can just try to launch any process by using the native
157 libraries:
159 @example 
160 qemu-i386 -L / /bin/ls
161 @end example
163 @code{-L /} tells that the x86 dynamic linker must be searched with a
164 @file{/} prefix.
166 @item Since QEMU is also a linux process, you can launch qemu with qemu (NOTE: you can only do that if you compiled QEMU from the sources):
168 @example 
169 qemu-i386 -L / qemu-i386 -L / /bin/ls
170 @end example
172 @item On non x86 CPUs, you need first to download at least an x86 glibc
173 (@file{qemu-runtime-i386-XXX-.tar.gz} on the QEMU web page). Ensure that
174 @code{LD_LIBRARY_PATH} is not set:
176 @example
177 unset LD_LIBRARY_PATH 
178 @end example
180 Then you can launch the precompiled @file{ls} x86 executable:
182 @example
183 qemu-i386 tests/i386/ls
184 @end example
185 You can look at @file{qemu-binfmt-conf.sh} so that
186 QEMU is automatically launched by the Linux kernel when you try to
187 launch x86 executables. It requires the @code{binfmt_misc} module in the
188 Linux kernel.
190 @item The x86 version of QEMU is also included. You can try weird things such as:
191 @example
192 qemu-i386 /usr/local/qemu-i386/bin/qemu-i386 /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
193 @end example
195 @end itemize
197 @section Wine launch
199 @itemize
201 @item Ensure that you have a working QEMU with the x86 glibc
202 distribution (see previous section). In order to verify it, you must be
203 able to do:
205 @example
206 qemu-i386 /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
207 @end example
209 @item Download the binary x86 Wine install
210 (@file{qemu-XXX-i386-wine.tar.gz} on the QEMU web page). 
212 @item Configure Wine on your account. Look at the provided script
213 @file{/usr/local/qemu-i386/bin/wine-conf.sh}. Your previous
214 @code{$@{HOME@}/.wine} directory is saved to @code{$@{HOME@}/.wine.org}.
216 @item Then you can try the example @file{putty.exe}:
218 @example
219 qemu-i386 /usr/local/qemu-i386/wine/bin/wine /usr/local/qemu-i386/wine/c/Program\ Files/putty.exe
220 @end example
222 @end itemize
224 @section Command line options
226 @example
227 usage: qemu-i386 [-h] [-d] [-L path] [-s size] program [arguments...]
228 @end example
230 @table @option
231 @item -h
232 Print the help
233 @item -L path   
234 Set the x86 elf interpreter prefix (default=/usr/local/qemu-i386)
235 @item -s size
236 Set the x86 stack size in bytes (default=524288)
237 @end table
239 Debug options:
241 @table @option
242 @item -d
243 Activate log (logfile=/tmp/qemu.log)
244 @item -p pagesize
245 Act as if the host page size was 'pagesize' bytes
246 @end table
248 @chapter QEMU System emulator invocation
250 @section Introduction
252 @c man begin DESCRIPTION
254 The QEMU System emulator simulates a complete PC. It can either boot
255 directly a Linux kernel (without any BIOS or boot loader) or boot like a
256 real PC with the included BIOS.
258 In order to meet specific user needs, two versions of QEMU are
259 available:
261 @enumerate
263 @item 
264 @code{qemu-fast} uses the host Memory Management Unit (MMU) to simulate 
265 the x86 MMU. It is @emph{fast} but has limitations because the whole 4 GB
266 address space cannot be used and some memory mapped peripherials
267 cannot be emulated accurately yet. Therefore, a specific Linux kernel
268 must be used (@xref{linux_compile}).
270 @item 
271 @code{qemu} uses a software MMU. It is about @emph{two times 
272 slower} but gives a more accurate emulation. 
274 @end enumerate
276 QEMU emulates the following PC peripherials:
278 @itemize @minus
279 @item
280 VGA (hardware level, including all non standard modes)
281 @item
282 PS/2 mouse and keyboard
283 @item 
284 IDE disk interface (port=0x1f0, irq=14)
285 @item 
286 NE2000 network adapter (port=0x300, irq=9)
287 @item
288 Serial port (port=0x3f8, irq=4)
289 @item
290 PIC (interrupt controler)
291 @item
292 PIT (timers)
293 @item 
294 CMOS memory
295 @end itemize
297 @c man end
299 @section Quick Start
301 Download and uncompress the linux image (@file{linux.img}) and type:
303 @example
304 qemu linux.img
305 @end example
307 Linux should boot and give you a prompt.
309 @section Direct Linux Boot and Network emulation
311 This section explains how to launch a Linux kernel inside QEMU without
312 having to make a full bootable image. It is very useful for fast Linux
313 kernel testing. The QEMU network configuration is also explained.
315 @enumerate
316 @item
317 Download the archive @file{linux-test-xxx.tar.gz} containing a Linux
318 kernel and a disk image. 
320 @item Optional: If you want network support (for example to launch X11 examples), you
321 must copy the script @file{qemu-ifup} in @file{/etc} and configure
322 properly @code{sudo} so that the command @code{ifconfig} contained in
323 @file{qemu-ifup} can be executed as root. You must verify that your host
324 kernel supports the TUN/TAP network interfaces: the device
325 @file{/dev/net/tun} must be present.
327 When network is enabled, there is a virtual network connection between
328 the host kernel and the emulated kernel. The emulated kernel is seen
329 from the host kernel at IP address 172.20.0.2 and the host kernel is
330 seen from the emulated kernel at IP address 172.20.0.1.
332 @item Launch @code{qemu.sh}. You should have the following output:
334 @example
335 > ./qemu.sh 
336 connected to host network interface: tun0
337 Uncompressing Linux... Ok, booting the kernel.
338 Linux version 2.4.20 (fabrice@localhost.localdomain) (gcc version 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)) #22 lun jui 7 13:37:41 CEST 2003
339 BIOS-provided physical RAM map:
340  BIOS-e801: 0000000000000000 - 000000000009f000 (usable)
341  BIOS-e801: 0000000000100000 - 0000000002000000 (usable)
342 32MB LOWMEM available.
343 On node 0 totalpages: 8192
344 zone(0): 4096 pages.
345 zone(1): 4096 pages.
346 zone(2): 0 pages.
347 Kernel command line: root=/dev/hda ide1=noprobe ide2=noprobe ide3=noprobe ide4=noprobe ide5=noprobe
348 ide_setup: ide1=noprobe
349 ide_setup: ide2=noprobe
350 ide_setup: ide3=noprobe
351 ide_setup: ide4=noprobe
352 ide_setup: ide5=noprobe
353 Initializing CPU#0
354 Detected 501.285 MHz processor.
355 Calibrating delay loop... 989.59 BogoMIPS
356 Memory: 29268k/32768k available (907k kernel code, 3112k reserved, 212k data, 52k init, 0k highmem)
357 Dentry cache hash table entries: 4096 (order: 3, 32768 bytes)
358 Inode cache hash table entries: 2048 (order: 2, 16384 bytes)
359 Mount-cache hash table entries: 512 (order: 0, 4096 bytes)
360 Buffer-cache hash table entries: 1024 (order: 0, 4096 bytes)
361 Page-cache hash table entries: 8192 (order: 3, 32768 bytes)
362 CPU: Intel Pentium Pro stepping 03
363 Checking 'hlt' instruction... OK.
364 POSIX conformance testing by UNIFIX
365 Linux NET4.0 for Linux 2.4
366 Based upon Swansea University Computer Society NET3.039
367 Initializing RT netlink socket
368 apm: BIOS not found.
369 Starting kswapd
370 Journalled Block Device driver loaded
371 pty: 256 Unix98 ptys configured
372 Serial driver version 5.05c (2001-07-08) with no serial options enabled
373 ttyS00 at 0x03f8 (irq = 4) is a 16450
374 Uniform Multi-Platform E-IDE driver Revision: 6.31
375 ide: Assuming 50MHz system bus speed for PIO modes; override with idebus=xx
376 hda: QEMU HARDDISK, ATA DISK drive
377 ide0 at 0x1f0-0x1f7,0x3f6 on irq 14
378 hda: 12288 sectors (6 MB) w/256KiB Cache, CHS=12/16/63
379 Partition check:
380  hda: unknown partition table
381 ne.c:v1.10 9/23/94 Donald Becker (becker@scyld.com)
382 Last modified Nov 1, 2000 by Paul Gortmaker
383 NE*000 ethercard probe at 0x300: 52 54 00 12 34 56
384 eth0: NE2000 found at 0x300, using IRQ 9.
385 RAMDISK driver initialized: 16 RAM disks of 4096K size 1024 blocksize
386 NET4: Linux TCP/IP 1.0 for NET4.0
387 IP Protocols: ICMP, UDP, TCP, IGMP
388 IP: routing cache hash table of 512 buckets, 4Kbytes
389 TCP: Hash tables configured (established 2048 bind 4096)
390 NET4: Unix domain sockets 1.0/SMP for Linux NET4.0.
391 EXT2-fs warning: mounting unchecked fs, running e2fsck is recommended
392 VFS: Mounted root (ext2 filesystem).
393 Freeing unused kernel memory: 52k freed
394 sh: can't access tty; job control turned off
396 @end example
398 @item
399 Then you can play with the kernel inside the virtual serial console. You
400 can launch @code{ls} for example. Type @key{Ctrl-a h} to have an help
401 about the keys you can type inside the virtual serial console. In
402 particular, use @key{Ctrl-a x} to exit QEMU and use @key{Ctrl-a b} as
403 the Magic SysRq key.
405 @item 
406 If the network is enabled, launch the script @file{/etc/linuxrc} in the
407 emulator (don't forget the leading dot):
408 @example
409 . /etc/linuxrc
410 @end example
412 Then enable X11 connections on your PC from the emulated Linux: 
413 @example
414 xhost +172.20.0.2
415 @end example
417 You can now launch @file{xterm} or @file{xlogo} and verify that you have
418 a real Virtual Linux system !
420 @end enumerate
422 NOTES:
423 @enumerate
424 @item 
425 A 2.5.74 kernel is also included in the archive. Just
426 replace the bzImage in qemu.sh to try it.
428 @item 
429 qemu creates a temporary file in @var{$QEMU_TMPDIR} (@file{/tmp} is the
430 default) containing all the simulated PC memory. If possible, try to use
431 a temporary directory using the tmpfs filesystem to avoid too many
432 unnecessary disk accesses.
434 @item 
435 In order to exit cleanly from qemu, you can do a @emph{shutdown} inside
436 qemu. qemu will automatically exit when the Linux shutdown is done.
438 @item 
439 You can boot slightly faster by disabling the probe of non present IDE
440 interfaces. To do so, add the following options on the kernel command
441 line:
442 @example
443 ide1=noprobe ide2=noprobe ide3=noprobe ide4=noprobe ide5=noprobe
444 @end example
446 @item 
447 The example disk image is a modified version of the one made by Kevin
448 Lawton for the plex86 Project (@url{www.plex86.org}).
450 @end enumerate
452 @section Invocation
454 @example
455 @c man begin SYNOPSIS
456 usage: qemu [options] [disk_image]
457 @c man end
458 @end example
460 @c man begin OPTIONS
461 @var{disk_image} is a raw hard disk image for IDE hard disk 0.
463 General options:
464 @table @option
465 @item -hda file
466 @item -hdb file
467 Use @var{file} as hard disk 0 or 1 image (@xref{disk_images}). 
469 @item -snapshot
471 Write to temporary files instead of disk image files. In this case,
472 the raw disk image you use is not written back. You can however force
473 the write back by pressing @key{C-a s} (@xref{disk_images}). 
475 @item -m megs
476 Set virtual RAM size to @var{megs} megabytes.
478 @item -n script      
479 Set network init script [default=/etc/qemu-ifup]. This script is
480 launched to configure the host network interface (usually tun0)
481 corresponding to the virtual NE2000 card.
483 @item -initrd file
484 Use @var{file} as initial ram disk.
486 @item -tun-fd fd      
487 Assumes @var{fd} talks to tap/tun and use it. Read
488 @url{http://bellard.org/qemu/tetrinet.html} to have an example of its
489 use.
491 @item -nographic
493 Normally, QEMU uses SDL to display the VGA output. With this option,
494 you can totally disable graphical output so that QEMU is a simple
495 command line application. The emulated serial port is redirected on
496 the console. Therefore, you can still use QEMU to debug a Linux kernel
497 with a serial console.
499 @end table
501 Linux boot specific (does not require a full PC boot with a BIOS):
502 @table @option
504 @item -kernel bzImage 
505 Use @var{bzImage} as kernel image.
507 @item -append cmdline 
508 Use @var{cmdline} as kernel command line
510 @item -initrd file
511 Use @var{file} as initial ram disk.
513 @end table
515 Debug options:
516 @table @option
517 @item -s
518 Wait gdb connection to port 1234 (@xref{gdb_usage}). 
519 @item -p port
520 Change gdb connection port.
521 @item -d             
522 Output log in /tmp/qemu.log
523 @end table
525 During emulation, use @key{C-a h} to get terminal commands:
527 @table @key
528 @item C-a h
529 Print this help
530 @item C-a x    
531 Exit emulatior
532 @item C-a s    
533 Save disk data back to file (if -snapshot)
534 @item C-a b
535 Send break (magic sysrq)
536 @item C-a C-a
537 Send C-a
538 @end table
539 @c man end
541 @ignore
543 @setfilename qemu 
544 @settitle QEMU System Emulator
546 @c man begin SEEALSO
547 The HTML documentation of QEMU for more precise information and Linux
548 user mode emulator invocation.
549 @c man end
551 @c man begin AUTHOR
552 Fabrice Bellard
553 @c man end
555 @end ignore
557 @end ignore
558 @node disk_images
559 @section Disk Images
561 @subsection Raw disk images
563 The disk images can simply be raw images of the hard disk. You can
564 create them with the command:
565 @example
566 dd if=/dev/zero of=myimage bs=1024 count=mysize
567 @end example
568 where @var{myimage} is the image filename and @var{mysize} is its size
569 in kilobytes.
571 @subsection Snapshot mode
573 If you use the option @option{-snapshot}, all disk images are
574 considered as read only. When sectors in written, they are written in
575 a temporary file created in @file{/tmp}. You can however force the
576 write back to the raw disk images by pressing @key{C-a s}.
578 NOTE: The snapshot mode only works with raw disk images.
580 @subsection Copy On Write disk images
582 QEMU also supports user mode Linux
583 (@url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/}) Copy On Write (COW)
584 disk images. The COW disk images are much smaller than normal images
585 as they store only modified sectors. They also permit the use of the
586 same disk image template for many users.
588 To create a COW disk images, use the command:
590 @example
591 qemu-mkcow -f myrawimage.bin mycowimage.cow
592 @end example
594 @file{myrawimage.bin} is a raw image you want to use as original disk
595 image. It will never be written to.
597 @file{mycowimage.cow} is the COW disk image which is created by
598 @code{qemu-mkcow}. You can use it directly with the @option{-hdx}
599 options. You must not modify the original raw disk image if you use
600 COW images, as COW images only store the modified sectors from the raw
601 disk image. QEMU stores the original raw disk image name and its
602 modified time in the COW disk image so that chances of mistakes are
603 reduced.
605 If the raw disk image is not read-only, by pressing @key{C-a s} you
606 can flush the COW disk image back into the raw disk image, as in
607 snapshot mode.
609 COW disk images can also be created without a corresponding raw disk
610 image. It is useful to have a big initial virtual disk image without
611 using much disk space. Use:
613 @example
614 qemu-mkcow mycowimage.cow 1024
615 @end example
617 to create a 1 gigabyte empty COW disk image.
619 NOTES: 
620 @enumerate
621 @item
622 COW disk images must be created on file systems supporting
623 @emph{holes} such as ext2 or ext3.
624 @item 
625 Since holes are used, the displayed size of the COW disk image is not
626 the real one. To know it, use the @code{ls -ls} command.
627 @end enumerate
629 @node linux_compile
630 @section Linux Kernel Compilation
632 You can use any linux kernel with QEMU. However, if you want to use
633 @code{qemu-fast} to get maximum performances, you should make the
634 following changes to the Linux kernel (only 2.4.x and 2.5.x were
635 tested):
637 @enumerate
638 @item
639 The kernel must be mapped at 0x90000000 (the default is
640 0xc0000000). You must modify only two lines in the kernel source:
642 In @file{include/asm/page.h}, replace
643 @example
644 #define __PAGE_OFFSET           (0xc0000000)
645 @end example
647 @example
648 #define __PAGE_OFFSET           (0x90000000)
649 @end example
651 And in @file{arch/i386/vmlinux.lds}, replace
652 @example
653   . = 0xc0000000 + 0x100000;
654 @end example
655 by 
656 @example
657   . = 0x90000000 + 0x100000;
658 @end example
660 @item
661 If you want to enable SMP (Symmetric Multi-Processing) support, you
662 must make the following change in @file{include/asm/fixmap.h}. Replace
663 @example
664 #define FIXADDR_TOP     (0xffffX000UL)
665 @end example
666 by 
667 @example
668 #define FIXADDR_TOP     (0xa7ffX000UL)
669 @end example
670 (X is 'e' or 'f' depending on the kernel version). Although you can
671 use an SMP kernel with QEMU, it only supports one CPU.
673 @item
674 If you are not using a 2.5 kernel as host kernel but if you use a target
675 2.5 kernel, you must also ensure that the 'HZ' define is set to 100
676 (1000 is the default) as QEMU cannot currently emulate timers at
677 frequencies greater than 100 Hz on host Linux systems < 2.5. In
678 @file{include/asm/param.h}, replace:
680 @example
681 # define HZ             1000            /* Internal kernel timer frequency */
682 @end example
684 @example
685 # define HZ             100             /* Internal kernel timer frequency */
686 @end example
688 @end enumerate
690 The file config-2.x.x gives the configuration of the example kernels.
692 Just type
693 @example
694 make bzImage
695 @end example
697 As you would do to make a real kernel. Then you can use with QEMU
698 exactly the same kernel as you would boot on your PC (in
699 @file{arch/i386/boot/bzImage}).
701 @node gdb_usage
702 @section GDB usage
704 QEMU has a primitive support to work with gdb, so that you can do
705 'Ctrl-C' while the virtual machine is running and inspect its state.
707 In order to use gdb, launch qemu with the '-s' option. It will wait for a
708 gdb connection:
709 @example
710 > qemu -s arch/i386/boot/bzImage -hda root-2.4.20.img root=/dev/hda
711 Connected to host network interface: tun0
712 Waiting gdb connection on port 1234
713 @end example
715 Then launch gdb on the 'vmlinux' executable:
716 @example
717 > gdb vmlinux
718 @end example
720 In gdb, connect to QEMU:
721 @example
722 (gdb) target remote locahost:1234
723 @end example
725 Then you can use gdb normally. For example, type 'c' to launch the kernel:
726 @example
727 (gdb) c
728 @end example
730 Here are some useful tips in order to use gdb on system code:
732 @enumerate
733 @item
734 Use @code{info reg} to display all the CPU registers.
735 @item
736 Use @code{x/10i $eip} to display the code at the PC position.
737 @item
738 Use @code{set architecture i8086} to dump 16 bit code. Then use
739 @code{x/10i $cs*16+*eip} to dump the code at the PC position.
740 @end enumerate
742 @chapter QEMU Internals
744 @section QEMU compared to other emulators
746 Like bochs [3], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
747 bochs as it uses dynamic compilation and because it uses the host MMU to
748 simulate the x86 MMU. The downside is that currently the emulation is
749 not as accurate as bochs (for example, you cannot currently run Windows
750 inside QEMU).
752 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
753 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
754 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
755 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
756 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
757 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
758 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
759 and system emulation.
761 EM86 [4] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
762 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
763 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
764 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
766 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
767 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
768 executables. Such an approach as greater potential because most of the
769 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
770 because all the data structures and function parameters exchanged
771 between the API and the x86 code must be converted.
773 User mode Linux [7] was the only solution before QEMU to launch a Linux
774 kernel as a process while not needing any host kernel patches. However,
775 user mode Linux requires heavy kernel patches while QEMU accepts
776 unpatched Linux kernels. It would be interesting to compare the
777 performance of the two approaches.
779 The new Plex86 [8] PC virtualizer is done in the same spirit as the QEMU
780 system emulator. It requires a patched Linux kernel to work (you cannot
781 launch the same kernel on your PC), but the patches are really small. As
782 it is a PC virtualizer (no emulation is done except for some priveledged
783 instructions), it has the potential of being faster than QEMU. The
784 downside is that a complicated (and potentially unsafe) host kernel
785 patch is needed.
787 @section Portable dynamic translation
789 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
790 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
791 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
792 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
793 performances.
795 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
796 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
797 code (see @file{op-i386.c}). Then a compile time tool (@file{dyngen})
798 takes the corresponding object file (@file{op-i386.o}) to generate a
799 dynamic code generator which concatenates the simple instructions to
800 build a function (see @file{op-i386.h:dyngen_code()}).
802 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
803 compile time. 
805 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
806 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
807 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
808 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
809 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
811 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
813 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
814 state of the virtual CPU.
816 @section Register allocation
818 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
819 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
820 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
821 doing complicated register allocation.
823 @section Condition code optimisations
825 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
826 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
827 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
828 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
829 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
830 @code{CC_OP}).
832 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
833 because it is known at translation time.
835 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
836 generated simple instructions (see
837 @code{translate-i386.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
838 the condition codes are not needed by the next instructions, no
839 condition codes are computed at all.
841 @section CPU state optimisations
843 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
844 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
845 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
846 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
847 base, then the translator does not even generate an addition for the
848 segment base.
850 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
852 @section Translation cache
854 A 2MByte cache holds the most recently used translations. For
855 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
856 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
857 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
858 translator cannot deduce statically).
860 @section Direct block chaining
862 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
863 Program Counter (PC) and other cpu state informations (such as the CS
864 segment base value) to find the next basic block.
866 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
867 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
868 next one.
870 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes it
871 easier to make the jump target modification atomic. On some
872 architectures (such as PowerPC), the @code{JUMP} opcode is directly
873 patched so that the block chaining has no overhead.
875 @section Self-modifying code and translated code invalidation
877 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
878 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
879 is modified.
881 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
882 host page is write protected if it is not already read-only (with the
883 system call @code{mprotect()}). Then, if a write access is done to the
884 page, Linux raises a SEGV signal. QEMU then invalidates all the
885 translated code in the page and enables write accesses to the page.
887 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
888 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
889 linked lists are also maintained to undo direct block chaining. 
891 Although the overhead of doing @code{mprotect()} calls is important,
892 most MSDOS programs can be emulated at reasonnable speed with QEMU and
893 DOSEMU.
895 Note that QEMU also invalidates pages of translated code when it detects
896 that memory mappings are modified with @code{mmap()} or @code{munmap()}.
898 @section Exception support
900 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
901 encountered. 
903 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
904 memory accesses. The exact CPU state can be retrieved because all the
905 x86 registers are stored in fixed host registers. The simulated program
906 counter is found by retranslating the corresponding basic block and by
907 looking where the host program counter was at the exception point.
909 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
910 in some cases it is not computed because of condition code
911 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
912 still be restarted in any cases.
914 @section Linux system call translation
916 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
917 the parameters of the system calls can be converted to fix the
918 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
919 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
921 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
922 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
923 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
924 because of bad page alignment.
926 @section Linux signals
928 Normal and real-time signals are queued along with their information
929 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
930 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
931 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
932 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
933 from the virtual signal handler.
935 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
936 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
937 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
939 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
940 that most signal system calls can be redirected directly to the host
941 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
942 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
944 @section clone() system call and threads
946 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
947 uses the host clone() system call so that real host threads are created
948 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
949 thread.
951 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
952 that their semantic is preserved.
954 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
955 particular, the translated cache flush is not protected yet against
956 reentrancy.
958 @section Self-virtualization
960 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
961 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
962 emulator.
964 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
965 space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
966 shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
967 relocated at load time.
969 @section MMU emulation
971 For system emulation, QEMU uses the mmap() system call to emulate the
972 target CPU MMU. It works as long the emulated OS does not use an area
973 reserved by the host OS (such as the area above 0xc0000000 on x86
974 Linux).
976 It is planned to add a slower but more precise MMU emulation
977 with a software MMU.
979 @section Bibliography
981 @table @asis
983 @item [1] 
984 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
985 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
986 Riccardi.
988 @item [2]
989 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
990 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
992 @item [3]
993 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
994 by Kevin Lawton et al.
996 @item [4]
997 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
998 x86 emulator on Alpha-Linux.
1000 @item [5]
1001 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
1002 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
1003 Chernoff and Ray Hookway.
1005 @item [6]
1006 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
1007 Willows Software.
1009 @item [7]
1010 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/}, 
1011 The User-mode Linux Kernel.
1013 @item [8]
1014 @url{http://www.plex86.org/}, 
1015 The new Plex86 project.
1017 @end table
1019 @chapter Regression Tests
1021 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
1022 are available. There are used for regression testing.
1024 @section @file{test-i386}
1026 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
1027 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
1028 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
1029 program and a @code{diff} on the generated output.
1031 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
1032 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
1034 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
1036 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
1037 exception reporting.
1039 @section @file{linux-test}
1041 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
1042 that the system call parameters are correctly converted between target
1043 and host CPUs.
1045 @section @file{hello-i386}
1047 Very simple statically linked x86 program, just to test QEMU during a
1048 port to a new host CPU.
1050 @section @file{hello-arm}
1052 Very simple statically linked ARM program, just to test QEMU during a
1053 port to a new host CPU.
1055 @section @file{sha1}
1057 It is a simple benchmark. Care must be taken to interpret the results
1058 because it mostly tests the ability of the virtual CPU to optimize the
1059 @code{rol} x86 instruction and the condition code computations.