cpu-exec.c

   1 /*
   2  *  emulator main execution loop
   3  *
   4  *  Copyright (c) 2003-2005 Fabrice Bellard
   5  *
   6  * This library is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with this library; if not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  18  */
  19 #include "config.h"
  20 #include "cpu.h"
  21 #include "trace.h"
  22 #include "disas/disas.h"
  23 #include "tcg.h"
  24 #include "qemu/atomic.h"
  25 #include "sysemu/qtest.h"
  26 #include "qemu/timer.h"
  27
  28 /* -icount align implementation. */
  29
  30 typedef struct SyncClocks {
  31     int64_t diff_clk;
  32     int64_t last_cpu_icount;
  33     int64_t realtime_clock;
  34 } SyncClocks;
  35
  36 #if !defined(CONFIG_USER_ONLY)
  37 /* Allow the guest to have a max 3ms advance.
  38  * The difference between the 2 clocks could therefore
  39  * oscillate around 0.
  40  */
  41 #define VM_CLOCK_ADVANCE 3000000
  42 #define THRESHOLD_REDUCE 1.5
  43 #define MAX_DELAY_PRINT_RATE 2000000000LL
  44 #define MAX_NB_PRINTS 100
  45
  46 static void align_clocks(SyncClocks *sc, const CPUState *cpu)
  47 {
  48     int64_t cpu_icount;
  49
  50     if (!icount_align_option) {
  51         return;
  52     }
  53
  54     cpu_icount = cpu->icount_extra + cpu->icount_decr.u16.low;
  55     sc->diff_clk += cpu_icount_to_ns(sc->last_cpu_icount - cpu_icount);
  56     sc->last_cpu_icount = cpu_icount;
  57
  58     if (sc->diff_clk > VM_CLOCK_ADVANCE) {
  59 #ifndef _WIN32
  60         struct timespec sleep_delay, rem_delay;
  61         sleep_delay.tv_sec = sc->diff_clk / 1000000000LL;
  62         sleep_delay.tv_nsec = sc->diff_clk % 1000000000LL;
  63         if (nanosleep(&sleep_delay, &rem_delay) < 0) {
  64             sc->diff_clk -= (sleep_delay.tv_sec - rem_delay.tv_sec) * 1000000000LL;
  65             sc->diff_clk -= sleep_delay.tv_nsec - rem_delay.tv_nsec;
  66         } else {
  67             sc->diff_clk = 0;
  68         }
  69 #else
  70         Sleep(sc->diff_clk / SCALE_MS);
  71         sc->diff_clk = 0;
  72 #endif
  73     }
  74 }
  75
  76 static void print_delay(const SyncClocks *sc)
  77 {
  78     static float threshold_delay;
  79     static int64_t last_realtime_clock;
  80     static int nb_prints;
  81
  82     if (icount_align_option &&
  83         sc->realtime_clock - last_realtime_clock >= MAX_DELAY_PRINT_RATE &&
  84         nb_prints < MAX_NB_PRINTS) {
  85         if ((-sc->diff_clk / (float)1000000000LL > threshold_delay) ||
  86             (-sc->diff_clk / (float)1000000000LL <
  87              (threshold_delay - THRESHOLD_REDUCE))) {
  88             threshold_delay = (-sc->diff_clk / 1000000000LL) + 1;
  89             printf("Warning: The guest is now late by %.1f to %.1f seconds\n",
  90                    threshold_delay - 1,
  91                    threshold_delay);
  92             nb_prints++;
  93             last_realtime_clock = sc->realtime_clock;
  94         }
  95     }
  96 }
  97
  98 static void init_delay_params(SyncClocks *sc,
  99                               const CPUState *cpu)
 100 {
 101     if (!icount_align_option) {
 102         return;
 103     }
 104     sc->realtime_clock = qemu_clock_get_ns(QEMU_CLOCK_REALTIME);
 105     sc->diff_clk = qemu_clock_get_ns(QEMU_CLOCK_VIRTUAL) -
 106                    sc->realtime_clock +
 107                    cpu_get_clock_offset();
 108     sc->last_cpu_icount = cpu->icount_extra + cpu->icount_decr.u16.low;
 109     if (sc->diff_clk < max_delay) {
 110         max_delay = sc->diff_clk;
 111     }
 112     if (sc->diff_clk > max_advance) {
 113         max_advance = sc->diff_clk;
 114     }
 115
 116     /* Print every 2s max if the guest is late. We limit the number
 117        of printed messages to NB_PRINT_MAX(currently 100) */
 118     print_delay(sc);
 119 }
 120 #else
 121 static void align_clocks(SyncClocks *sc, const CPUState *cpu)
 122 {
 123 }
 124
 125 static void init_delay_params(SyncClocks *sc, const CPUState *cpu)
 126 {
 127 }
 128 #endif /* CONFIG USER ONLY */
 129
 130 void cpu_loop_exit(CPUState *cpu)
 131 {
 132     cpu->current_tb = NULL;
 133     siglongjmp(cpu->jmp_env, 1);
 134 }
 135
 136 /* exit the current TB from a signal handler. The host registers are
 137    restored in a state compatible with the CPU emulator
 138  */
 139 #if defined(CONFIG_SOFTMMU)
 140 void cpu_resume_from_signal(CPUState *cpu, void *puc)
 141 {
 142     /* XXX: restore cpu registers saved in host registers */
 143
 144     cpu->exception_index = -1;
 145     siglongjmp(cpu->jmp_env, 1);
 146 }
 147 #endif
 148
 149 /* Execute a TB, and fix up the CPU state afterwards if necessary */
 150 static inline tcg_target_ulong cpu_tb_exec(CPUState *cpu, uint8_t *tb_ptr)
 151 {
 152     CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
 153     uintptr_t next_tb;
 154
 155 #if defined(DEBUG_DISAS)
 156     if (qemu_loglevel_mask(CPU_LOG_TB_CPU)) {
 157 #if defined(TARGET_I386)
 158         log_cpu_state(cpu, CPU_DUMP_CCOP);
 159 #elif defined(TARGET_M68K)
 160         /* ??? Should not modify env state for dumping.  */
 161         cpu_m68k_flush_flags(env, env->cc_op);
 162         env->cc_op = CC_OP_FLAGS;
 163         env->sr = (env->sr & 0xffe0) | env->cc_dest | (env->cc_x << 4);
 164         log_cpu_state(cpu, 0);
 165 #else
 166         log_cpu_state(cpu, 0);
 167 #endif
 168     }
 169 #endif /* DEBUG_DISAS */
 170
 171     next_tb = tcg_qemu_tb_exec(env, tb_ptr);
 172     trace_exec_tb_exit((void *) (next_tb & ~TB_EXIT_MASK),
 173                        next_tb & TB_EXIT_MASK);
 174
 175     if ((next_tb & TB_EXIT_MASK) > TB_EXIT_IDX1) {
 176         /* We didn't start executing this TB (eg because the instruction
 177          * counter hit zero); we must restore the guest PC to the address
 178          * of the start of the TB.
 179          */
 180         CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 181         TranslationBlock *tb = (TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK);
 182         if (cc->synchronize_from_tb) {
 183             cc->synchronize_from_tb(cpu, tb);
 184         } else {
 185             assert(cc->set_pc);
 186             cc->set_pc(cpu, tb->pc);
 187         }
 188     }
 189     if ((next_tb & TB_EXIT_MASK) == TB_EXIT_REQUESTED) {
 190         /* We were asked to stop executing TBs (probably a pending
 191          * interrupt. We've now stopped, so clear the flag.
 192          */
 193         cpu->tcg_exit_req = 0;
 194     }
 195     return next_tb;
 196 }
 197
 198 /* Execute the code without caching the generated code. An interpreter
 199    could be used if available. */
 200 static void cpu_exec_nocache(CPUArchState *env, int max_cycles,
 201                              TranslationBlock *orig_tb)
 202 {
 203     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 204     TranslationBlock *tb;
 205     target_ulong pc = orig_tb->pc;
 206     target_ulong cs_base = orig_tb->cs_base;
 207     uint64_t flags = orig_tb->flags;
 208
 209     /* Should never happen.
 210        We only end up here when an existing TB is too long.  */
 211     if (max_cycles > CF_COUNT_MASK)
 212         max_cycles = CF_COUNT_MASK;
 213
 214     /* tb_gen_code can flush our orig_tb, invalidate it now */
 215     tb_phys_invalidate(orig_tb, -1);
 216     tb = tb_gen_code(cpu, pc, cs_base, flags,
 217                      max_cycles);
 218     cpu->current_tb = tb;
 219     /* execute the generated code */
 220     trace_exec_tb_nocache(tb, tb->pc);
 221     cpu_tb_exec(cpu, tb->tc_ptr);
 222     cpu->current_tb = NULL;
 223     tb_phys_invalidate(tb, -1);
 224     tb_free(tb);
 225 }
 226
 227 static TranslationBlock *tb_find_slow(CPUArchState *env,
 228                                       target_ulong pc,
 229                                       target_ulong cs_base,
 230                                       uint64_t flags)
 231 {
 232     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 233     TranslationBlock *tb, **ptb1;
 234     unsigned int h;
 235     tb_page_addr_t phys_pc, phys_page1;
 236     target_ulong virt_page2;
 237
 238     tcg_ctx.tb_ctx.tb_invalidated_flag = 0;
 239
 240     /* find translated block using physical mappings */
 241     phys_pc = get_page_addr_code(env, pc);
 242     phys_page1 = phys_pc & TARGET_PAGE_MASK;
 243     h = tb_phys_hash_func(phys_pc);
 244     ptb1 = &tcg_ctx.tb_ctx.tb_phys_hash[h];
 245     for(;;) {
 246         tb = *ptb1;
 247         if (!tb)
 248             goto not_found;
 249         if (tb->pc == pc &&
 250             tb->page_addr[0] == phys_page1 &&
 251             tb->cs_base == cs_base &&
 252             tb->flags == flags) {
 253             /* check next page if needed */
 254             if (tb->page_addr[1] != -1) {
 255                 tb_page_addr_t phys_page2;
 256
 257                 virt_page2 = (pc & TARGET_PAGE_MASK) +
 258                     TARGET_PAGE_SIZE;
 259                 phys_page2 = get_page_addr_code(env, virt_page2);
 260                 if (tb->page_addr[1] == phys_page2)
 261                     goto found;
 262             } else {
 263                 goto found;
 264             }
 265         }
 266         ptb1 = &tb->phys_hash_next;
 267     }
 268  not_found:
 269    /* if no translated code available, then translate it now */
 270     tb = tb_gen_code(cpu, pc, cs_base, flags, 0);
 271
 272  found:
 273     /* Move the last found TB to the head of the list */
 274     if (likely(*ptb1)) {
 275         *ptb1 = tb->phys_hash_next;
 276         tb->phys_hash_next = tcg_ctx.tb_ctx.tb_phys_hash[h];
 277         tcg_ctx.tb_ctx.tb_phys_hash[h] = tb;
 278     }
 279     /* we add the TB in the virtual pc hash table */
 280     cpu->tb_jmp_cache[tb_jmp_cache_hash_func(pc)] = tb;
 281     return tb;
 282 }
 283
 284 static inline TranslationBlock *tb_find_fast(CPUArchState *env)
 285 {
 286     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 287     TranslationBlock *tb;
 288     target_ulong cs_base, pc;
 289     int flags;
 290
 291     /* we record a subset of the CPU state. It will
 292        always be the same before a given translated block
 293        is executed. */
 294     cpu_get_tb_cpu_state(env, &pc, &cs_base, &flags);
 295     tb = cpu->tb_jmp_cache[tb_jmp_cache_hash_func(pc)];
 296     if (unlikely(!tb || tb->pc != pc || tb->cs_base != cs_base ||
 297                  tb->flags != flags)) {
 298         tb = tb_find_slow(env, pc, cs_base, flags);
 299     }
 300     return tb;
 301 }
 302
 303 static void cpu_handle_debug_exception(CPUArchState *env)
 304 {
 305     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 306     CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 307     CPUWatchpoint *wp;
 308
 309     if (!cpu->watchpoint_hit) {
 310         QTAILQ_FOREACH(wp, &cpu->watchpoints, entry) {
 311             wp->flags &= ~BP_WATCHPOINT_HIT;
 312         }
 313     }
 314
 315     cc->debug_excp_handler(cpu);
 316 }
 317
 318 /* main execution loop */
 319
 320 volatile sig_atomic_t exit_request;
 321
 322 int cpu_exec(CPUArchState *env)
 323 {
 324     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 325     CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 326 #ifdef TARGET_I386
 327     X86CPU *x86_cpu = X86_CPU(cpu);
 328 #endif
 329     int ret, interrupt_request;
 330     TranslationBlock *tb;
 331     uint8_t *tc_ptr;
 332     uintptr_t next_tb;
 333     SyncClocks sc;
 334
 335     /* This must be volatile so it is not trashed by longjmp() */
 336     volatile bool have_tb_lock = false;
 337
 338     if (cpu->halted) {
 339         if (!cpu_has_work(cpu)) {
 340             return EXCP_HALTED;
 341         }
 342
 343         cpu->halted = 0;
 344     }
 345
 346     current_cpu = cpu;
 347
 348     /* As long as current_cpu is null, up to the assignment just above,
 349      * requests by other threads to exit the execution loop are expected to
 350      * be issued using the exit_request global. We must make sure that our
 351      * evaluation of the global value is performed past the current_cpu
 352      * value transition point, which requires a memory barrier as well as
 353      * an instruction scheduling constraint on modern architectures.  */
 354     smp_mb();
 355
 356     if (unlikely(exit_request)) {
 357         cpu->exit_request = 1;
 358     }
 359
 360     cc->cpu_exec_enter(cpu);
 361     cpu->exception_index = -1;
 362
 363     /* Calculate difference between guest clock and host clock.
 364      * This delay includes the delay of the last cycle, so
 365      * what we have to do is sleep until it is 0. As for the
 366      * advance/delay we gain here, we try to fix it next time.
 367      */
 368     init_delay_params(&sc, cpu);
 369
 370     /* prepare setjmp context for exception handling */
 371     for(;;) {
 372         if (sigsetjmp(cpu->jmp_env, 0) == 0) {
 373             /* if an exception is pending, we execute it here */
 374             if (cpu->exception_index >= 0) {
 375                 if (cpu->exception_index >= EXCP_INTERRUPT) {
 376                     /* exit request from the cpu execution loop */
 377                     ret = cpu->exception_index;
 378                     if (ret == EXCP_DEBUG) {
 379                         cpu_handle_debug_exception(env);
 380                     }
 381                     break;
 382                 } else {
 383 #if defined(CONFIG_USER_ONLY)
 384                     /* if user mode only, we simulate a fake exception
 385                        which will be handled outside the cpu execution
 386                        loop */
 387 #if defined(TARGET_I386)
 388                     cc->do_interrupt(cpu);
 389 #endif
 390                     ret = cpu->exception_index;
 391                     break;
 392 #else
 393                     cc->do_interrupt(cpu);
 394                     cpu->exception_index = -1;
 395 #endif
 396                 }
 397             }
 398
 399             next_tb = 0; /* force lookup of first TB */
 400             for(;;) {
 401                 interrupt_request = cpu->interrupt_request;
 402                 if (unlikely(interrupt_request)) {
 403                     if (unlikely(cpu->singlestep_enabled & SSTEP_NOIRQ)) {
 404                         /* Mask out external interrupts for this step. */
 405                         interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_SSTEP_MASK;
 406                     }
 407                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_DEBUG) {
 408                         cpu->interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_DEBUG;
 409                         cpu->exception_index = EXCP_DEBUG;
 410                         cpu_loop_exit(cpu);
 411                     }
 412                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_HALT) {
 413                         cpu->interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_HALT;
 414                         cpu->halted = 1;
 415                         cpu->exception_index = EXCP_HLT;
 416                         cpu_loop_exit(cpu);
 417                     }
 418 #if defined(TARGET_I386)
 419                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_INIT) {
 420                         cpu_svm_check_intercept_param(env, SVM_EXIT_INIT, 0);
 421                         do_cpu_init(x86_cpu);
 422                         cpu->exception_index = EXCP_HALTED;
 423                         cpu_loop_exit(cpu);
 424                     }
 425 #else
 426                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_RESET) {
 427                         cpu_reset(cpu);
 428                     }
 429 #endif
 430                     /* The target hook has 3 exit conditions:
 431                        False when the interrupt isn't processed,
 432                        True when it is, and we should restart on a new TB,
 433                        and via longjmp via cpu_loop_exit.  */
 434                     if (cc->cpu_exec_interrupt(cpu, interrupt_request)) {
 435                         next_tb = 0;
 436                     }
 437                     /* Don't use the cached interrupt_request value,
 438                        do_interrupt may have updated the EXITTB flag. */
 439                     if (cpu->interrupt_request & CPU_INTERRUPT_EXITTB) {
 440                         cpu->interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_EXITTB;
 441                         /* ensure that no TB jump will be modified as
 442                            the program flow was changed */
 443                         next_tb = 0;
 444                     }
 445                 }
 446                 if (unlikely(cpu->exit_request)) {
 447                     cpu->exit_request = 0;
 448                     cpu->exception_index = EXCP_INTERRUPT;
 449                     cpu_loop_exit(cpu);
 450                 }
 451                 spin_lock(&tcg_ctx.tb_ctx.tb_lock);
 452                 have_tb_lock = true;
 453                 tb = tb_find_fast(env);
 454                 /* Note: we do it here to avoid a gcc bug on Mac OS X when
 455                    doing it in tb_find_slow */
 456                 if (tcg_ctx.tb_ctx.tb_invalidated_flag) {
 457                     /* as some TB could have been invalidated because
 458                        of memory exceptions while generating the code, we
 459                        must recompute the hash index here */
 460                     next_tb = 0;
 461                     tcg_ctx.tb_ctx.tb_invalidated_flag = 0;
 462                 }
 463                 if (qemu_loglevel_mask(CPU_LOG_EXEC)) {
 464                     qemu_log("Trace %p [" TARGET_FMT_lx "] %s\n",
 465                              tb->tc_ptr, tb->pc, lookup_symbol(tb->pc));
 466                 }
 467                 /* see if we can patch the calling TB. When the TB
 468                    spans two pages, we cannot safely do a direct
 469                    jump. */
 470                 if (next_tb != 0 && tb->page_addr[1] == -1) {
 471                     tb_add_jump((TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK),
 472                                 next_tb & TB_EXIT_MASK, tb);
 473                 }
 474                 have_tb_lock = false;
 475                 spin_unlock(&tcg_ctx.tb_ctx.tb_lock);
 476
 477                 /* cpu_interrupt might be called while translating the
 478                    TB, but before it is linked into a potentially
 479                    infinite loop and becomes env->current_tb. Avoid
 480                    starting execution if there is a pending interrupt. */
 481                 cpu->current_tb = tb;
 482                 barrier();
 483                 if (likely(!cpu->exit_request)) {
 484                     trace_exec_tb(tb, tb->pc);
 485                     tc_ptr = tb->tc_ptr;
 486                     /* execute the generated code */
 487                     next_tb = cpu_tb_exec(cpu, tc_ptr);
 488                     switch (next_tb & TB_EXIT_MASK) {
 489                     case TB_EXIT_REQUESTED:
 490                         /* Something asked us to stop executing
 491                          * chained TBs; just continue round the main
 492                          * loop. Whatever requested the exit will also
 493                          * have set something else (eg exit_request or
 494                          * interrupt_request) which we will handle
 495                          * next time around the loop.
 496                          */
 497                         tb = (TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK);
 498                         next_tb = 0;
 499                         break;
 500                     case TB_EXIT_ICOUNT_EXPIRED:
 501                     {
 502                         /* Instruction counter expired.  */
 503                         int insns_left;
 504                         tb = (TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK);
 505                         insns_left = cpu->icount_decr.u32;
 506                         if (cpu->icount_extra && insns_left >= 0) {
 507                             /* Refill decrementer and continue execution.  */
 508                             cpu->icount_extra += insns_left;
 509                             if (cpu->icount_extra > 0xffff) {
 510                                 insns_left = 0xffff;
 511                             } else {
 512                                 insns_left = cpu->icount_extra;
 513                             }
 514                             cpu->icount_extra -= insns_left;
 515                             cpu->icount_decr.u16.low = insns_left;
 516                         } else {
 517                             if (insns_left > 0) {
 518                                 /* Execute remaining instructions.  */
 519                                 cpu_exec_nocache(env, insns_left, tb);
 520                                 align_clocks(&sc, cpu);
 521                             }
 522                             cpu->exception_index = EXCP_INTERRUPT;
 523                             next_tb = 0;
 524                             cpu_loop_exit(cpu);
 525                         }
 526                         break;
 527                     }
 528                     default:
 529                         break;
 530                     }
 531                 }
 532                 cpu->current_tb = NULL;
 533                 /* Try to align the host and virtual clocks
 534                    if the guest is in advance */
 535                 align_clocks(&sc, cpu);
 536                 /* reset soft MMU for next block (it can currently
 537                    only be set by a memory fault) */
 538             } /* for(;;) */
 539         } else {
 540             /* Reload env after longjmp - the compiler may have smashed all
 541              * local variables as longjmp is marked 'noreturn'. */
 542             cpu = current_cpu;
 543             env = cpu->env_ptr;
 544             cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 545 #ifdef TARGET_I386
 546             x86_cpu = X86_CPU(cpu);
 547 #endif
 548             if (have_tb_lock) {
 549                 spin_unlock(&tcg_ctx.tb_ctx.tb_lock);
 550                 have_tb_lock = false;
 551             }
 552         }
 553     } /* for(;;) */
 554
 555     cc->cpu_exec_exit(cpu);
 556
 557     /* fail safe : never use current_cpu outside cpu_exec() */
 558     current_cpu = NULL;
 559     return ret;
 560 }