qemu-doc: replace introduction with the one from the internals manual
[sdk/emulator/qemu.git] / qemu-tech.texi
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8 @settitle QEMU Internals
9 @exampleindent 0
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11 @c %**end of header
12
13 @ifinfo
14 @direntry
15 * QEMU Internals: (qemu-tech).   The QEMU Emulator Internals.
16 @end direntry
17 @end ifinfo
18
19 @iftex
20 @titlepage
21 @sp 7
22 @center @titlefont{QEMU Internals}
23 @sp 3
24 @end titlepage
25 @end iftex
26
27 @ifnottex
28 @node Top
29 @top
30
31 @menu
32 * Introduction::
33 * QEMU Internals::
34 * Regression Tests::
35 @end menu
36 @end ifnottex
37
38 @contents
39
40 @node Introduction
41 @chapter Introduction
42
43 @menu
44 * intro_x86_emulation::    x86 and x86-64 emulation
45 * intro_arm_emulation::    ARM emulation
46 * intro_mips_emulation::   MIPS emulation
47 * intro_ppc_emulation::    PowerPC emulation
48 * intro_sparc_emulation::  Sparc32 and Sparc64 emulation
49 * intro_xtensa_emulation:: Xtensa emulation
50 * intro_other_emulation::  Other CPU emulation
51 @end menu
52
53 @node intro_x86_emulation
54 @section x86 and x86-64 emulation
55
56 QEMU x86 target features:
57
58 @itemize
59
60 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
61 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run
62 DOSEMU. There is some support for MMX/3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3,
63 and SSE4 as well as x86-64 SVM.
64
65 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
66
67 @item QEMU can emulate itself on x86.
68
69 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
70 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
71
72 @end itemize
73
74 Current QEMU limitations:
75
76 @itemize
77
78 @item Limited x86-64 support.
79
80 @item IPC syscalls are missing.
81
82 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
83 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
84 normal use.
85
86 @end itemize
87
88 @node intro_arm_emulation
89 @section ARM emulation
90
91 @itemize
92
93 @item Full ARM 7 user emulation.
94
95 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
96
97 @item Can run most ARM Linux binaries.
98
99 @end itemize
100
101 @node intro_mips_emulation
102 @section MIPS emulation
103
104 @itemize
105
106 @item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
107 including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
108 endian modes.
109
110 @item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
111
112 @end itemize
113
114 Current QEMU limitations:
115
116 @itemize
117
118 @item Self-modifying code is not always handled correctly.
119
120 @item 64 bit userland emulation is not implemented.
121
122 @item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
123
124 @item The watchpoint debug facility is not implemented.
125
126 @end itemize
127
128 @node intro_ppc_emulation
129 @section PowerPC emulation
130
131 @itemize
132
133 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
134 FPU and MMU.
135
136 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
137
138 @end itemize
139
140 @node intro_sparc_emulation
141 @section Sparc32 and Sparc64 emulation
142
143 @itemize
144
145 @item Full SPARC V8 emulation, including privileged
146 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
147 and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
148
149 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
150 some 64-bit SPARC Linux binaries.
151
152 @end itemize
153
154 Current QEMU limitations:
155
156 @itemize
157
158 @item IPC syscalls are missing.
159
160 @item Floating point exception support is buggy.
161
162 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
163
164 @item There are still some problems with Sparc64 emulators.
165
166 @end itemize
167
168 @node intro_xtensa_emulation
169 @section Xtensa emulation
170
171 @itemize
172
173 @item Core Xtensa ISA emulation, including most options: code density,
174 loop, extended L32R, 16- and 32-bit multiplication, 32-bit division,
175 MAC16, miscellaneous operations, boolean, FP coprocessor, coprocessor
176 context, debug, multiprocessor synchronization,
177 conditional store, exceptions, relocatable vectors, unaligned exception,
178 interrupts (including high priority and timer), hardware alignment,
179 region protection, region translation, MMU, windowed registers, thread
180 pointer, processor ID.
181
182 @item Not implemented options: data/instruction cache (including cache
183 prefetch and locking), XLMI, processor interface. Also options not
184 covered by the core ISA (e.g. FLIX, wide branches) are not implemented.
185
186 @item Can run most Xtensa Linux binaries.
187
188 @item New core configuration that requires no additional instructions
189 may be created from overlay with minimal amount of hand-written code.
190
191 @end itemize
192
193 @node intro_other_emulation
194 @section Other CPU emulation
195
196 In addition to the above, QEMU supports emulation of other CPUs with
197 varying levels of success. These are:
198
199 @itemize
200
201 @item
202 Alpha
203 @item
204 CRIS
205 @item
206 M68k
207 @item
208 SH4
209 @end itemize
210
211 @node QEMU Internals
212 @chapter QEMU Internals
213
214 @menu
215 * QEMU compared to other emulators::
216 * Portable dynamic translation::
217 * Condition code optimisations::
218 * CPU state optimisations::
219 * Translation cache::
220 * Direct block chaining::
221 * Self-modifying code and translated code invalidation::
222 * Exception support::
223 * MMU emulation::
224 * Device emulation::
225 * Hardware interrupts::
226 * User emulation specific details::
227 * Bibliography::
228 @end menu
229
230 @node QEMU compared to other emulators
231 @section QEMU compared to other emulators
232
233 Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
234 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
235 emulation while QEMU can emulate several processors.
236
237 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
238 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
239 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
240 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
241 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
242 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
243 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
244 and system emulation.
245
246 EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
247 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
248 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
249 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
250
251 TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
252 accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
253 x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
254 of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
255 develop because all the data structures and function parameters exchanged
256 between the API and the x86 code must be converted.
257
258 User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
259 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
260 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
261 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
262 slower.
263
264 The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
265 obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
266 to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
267 patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
268 done except for some privileged instructions), it has the potential of
269 being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
270 potentially unsafe) host kernel patch is needed.
271
272 The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
273 than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
274 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
275 provide cycle exact simulation as an emulator can.
276
277 VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
278 [12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
279 developed in SystemC.
280
281 @node Portable dynamic translation
282 @section Portable dynamic translation
283
284 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
285 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
286 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
287 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
288 performances.
289
290 After the release of version 0.9.1, QEMU switched to a new method of
291 generating code, Tiny Code Generator or TCG. TCG relaxes the
292 dependency on the exact version of the compiler used. The basic idea
293 is to split every target instruction into a couple of RISC-like TCG
294 ops (see @code{target-i386/translate.c}). Some optimizations can be
295 performed at this stage, including liveness analysis and trivial
296 constant expression evaluation. TCG ops are then implemented in the
297 host CPU back end, also known as TCG target (see
298 @code{tcg/i386/tcg-target.inc.c}). For more information, please take a
299 look at @code{tcg/README}.
300
301 @node Condition code optimisations
302 @section Condition code optimisations
303
304 Lazy evaluation of CPU condition codes (@code{EFLAGS} register on x86)
305 is important for CPUs where every instruction sets the condition
306 codes. It tends to be less important on conventional RISC systems
307 where condition codes are only updated when explicitly requested. On
308 Sparc64, costly update of both 32 and 64 bit condition codes can be
309 avoided with lazy evaluation.
310
311 Instead of computing the condition codes after each x86 instruction,
312 QEMU just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the result
313 (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
314 @code{CC_OP}). When the condition codes are needed, the condition
315 codes can be calculated using this information. In addition, an
316 optimized calculation can be performed for some instruction types like
317 conditional branches.
318
319 @code{CC_OP} is almost never explicitly set in the generated code
320 because it is known at translation time.
321
322 The lazy condition code evaluation is used on x86, m68k, cris and
323 Sparc. ARM uses a simplified variant for the N and Z flags.
324
325 @node CPU state optimisations
326 @section CPU state optimisations
327
328 The target CPUs have many internal states which change the way it
329 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
330 translation phase considers that some state information of the virtual
331 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
332 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
333 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
334 matches the state recorded in the previous TB. For example, if the SS,
335 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
336 generate an addition for the segment base.
337
338 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
339
340 @node Translation cache
341 @section Translation cache
342
343 A 32 MByte cache holds the most recently used translations. For
344 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
345 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
346 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
347 translator cannot deduce statically).
348
349 @node Direct block chaining
350 @section Direct block chaining
351
352 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
353 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
354 segment base value) to find the next basic block.
355
356 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
357 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
358 next one.
359
360 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
361 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
362 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
363 directly patched so that the block chaining has no overhead.
364
365 @node Self-modifying code and translated code invalidation
366 @section Self-modifying code and translated code invalidation
367
368 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
369 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
370 is modified.
371
372 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
373 host page is write protected if it is not already read-only. Then, if
374 a write access is done to the page, Linux raises a SEGV signal. QEMU
375 then invalidates all the translated code in the page and enables write
376 accesses to the page.
377
378 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
379 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
380 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
381
382 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
383 cache flushes, so some of the protection above would not be
384 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
385 matches the target instructions in memory in order to handle
386 exceptions correctly.
387
388 @node Exception support
389 @section Exception support
390
391 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
392 encountered.
393
394 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
395 memory accesses. The simulated program counter is found by
396 retranslating the corresponding basic block and by looking where the
397 host program counter was at the exception point.
398
399 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
400 in some cases it is not computed because of condition code
401 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
402 still be restarted in any cases.
403
404 @node MMU emulation
405 @section MMU emulation
406
407 For system emulation QEMU supports a soft MMU. In that mode, the MMU
408 virtual to physical address translation is done at every memory
409 access. QEMU uses an address translation cache to speed up the
410 translation.
411
412 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
413 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
414 means that each basic block is indexed with its physical address.
415
416 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
417 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
418
419 @node Device emulation
420 @section Device emulation
421
422 Systems emulated by QEMU are organized by boards. At initialization
423 phase, each board instantiates a number of CPUs, devices, RAM and
424 ROM. Each device in turn can assign I/O ports or memory areas (for
425 MMIO) to its handlers. When the emulation starts, an access to the
426 ports or MMIO memory areas assigned to the device causes the
427 corresponding handler to be called.
428
429 RAM and ROM are handled more optimally, only the offset to the host
430 memory needs to be added to the guest address.
431
432 The video RAM of VGA and other display cards is special: it can be
433 read or written directly like RAM, but write accesses cause the memory
434 to be marked with VGA_DIRTY flag as well.
435
436 QEMU supports some device classes like serial and parallel ports, USB,
437 drives and network devices, by providing APIs for easier connection to
438 the generic, higher level implementations. The API hides the
439 implementation details from the devices, like native device use or
440 advanced block device formats like QCOW.
441
442 Usually the devices implement a reset method and register support for
443 saving and loading of the device state. The devices can also use
444 timers, especially together with the use of bottom halves (BHs).
445
446 @node Hardware interrupts
447 @section Hardware interrupts
448
449 In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if a
450 hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchronously
451 call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
452 function resets the chaining of the currently executing basic
453 block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
454 of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
455 pending and handle it.
456
457 @node User emulation specific details
458 @section User emulation specific details
459
460 @subsection Linux system call translation
461
462 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
463 the parameters of the system calls can be converted to fix the
464 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
465 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
466
467 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
468 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
469 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
470 because of bad page alignment.
471
472 @subsection Linux signals
473
474 Normal and real-time signals are queued along with their information
475 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
476 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
477 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
478 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
479 from the virtual signal handler.
480
481 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
482 signals are synthesized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
483 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
484
485 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
486 that most signal system calls can be redirected directly to the host
487 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
488 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
489
490 @subsection clone() system call and threads
491
492 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
493 uses the host clone() system call so that real host threads are created
494 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
495 thread.
496
497 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
498 that their semantic is preserved.
499
500 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
501 particular, the translated cache flush is not protected yet against
502 reentrancy.
503
504 @subsection Self-virtualization
505
506 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
507 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
508 emulator.
509
510 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
511 space conflicts. QEMU user emulators solve this problem by being an
512 executable ELF shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That
513 way, it can be relocated at load time.
514
515 @node Bibliography
516 @section Bibliography
517
518 @table @asis
519
520 @item [1]
521 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
522 by Kevin Lawton et al.
523
524 @item [2]
525 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
526 for GNU/Linux.
527
528 @item [3]
529 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
530 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
531
532 @item [4]
533 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
534 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
535 Chernoff and Ray Hookway.
536
537 @item [5]
538 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
539 The User-mode Linux Kernel.
540
541 @item [6]
542 @url{http://www.plex86.org/},
543 The new Plex86 project.
544
545 @item [7]
546 @url{http://www.vmware.com/},
547 The VMWare PC virtualizer.
548
549 @item [8]
550 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
551 The VirtualPC PC virtualizer.
552
553 @item [9]
554 @url{http://virtualbox.org/},
555 The VirtualBox PC virtualizer.
556
557 @item [10]
558 @url{http://www.xen.org/},
559 The Xen hypervisor.
560
561 @item [11]
562 @url{http://www.linux-kvm.org/},
563 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
564
565 @item [12]
566 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
567 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
568
569 @end table
570
571 @node Regression Tests
572 @chapter Regression Tests
573
574 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
575 are available. They are used for regression testing.
576
577 @menu
578 * test-i386::
579 * linux-test::
580 @end menu
581
582 @node test-i386
583 @section @file{test-i386}
584
585 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
586 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
587 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
588 program and a @code{diff} on the generated output.
589
590 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
591 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
592
593 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
594
595 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
596 exception reporting.
597
598 @node linux-test
599 @section @file{linux-test}
600
601 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
602 that the system call parameters are correctly converted between target
603 and host CPUs.
604
605 @bye