sparc64 marge (Blue Swirl)
[sdk/emulator/qemu.git] / qemu-tech.texi
1 \input texinfo @c -*- texinfo -*-
2
3 @iftex
4 @settitle QEMU Internals
5 @titlepage
6 @sp 7
7 @center @titlefont{QEMU Internals}
8 @sp 3
9 @end titlepage
10 @end iftex
11
12 @chapter Introduction
13
14 @section Features
15
16 QEMU is a FAST! processor emulator using a portable dynamic
17 translator.
18
19 QEMU has two operating modes:
20
21 @itemize @minus
22
23 @item 
24 Full system emulation. In this mode, QEMU emulates a full system
25 (usually a PC), including a processor and various peripherals. It can
26 be used to launch an different Operating System without rebooting the
27 PC or to debug system code.
28
29 @item 
30 User mode emulation (Linux host only). In this mode, QEMU can launch
31 Linux processes compiled for one CPU on another CPU. It can be used to
32 launch the Wine Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}) or
33 to ease cross-compilation and cross-debugging.
34
35 @end itemize
36
37 As QEMU requires no host kernel driver to run, it is very safe and
38 easy to use.
39
40 QEMU generic features:
41
42 @itemize 
43
44 @item User space only or full system emulation.
45
46 @item Using dynamic translation to native code for reasonnable speed.
47
48 @item Working on x86 and PowerPC hosts. Being tested on ARM, Sparc32, Alpha and S390.
49
50 @item Self-modifying code support.
51
52 @item Precise exceptions support.
53
54 @item The virtual CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
55 in other projects (look at @file{qemu/tests/qruncom.c} to have an
56 example of user mode @code{libqemu} usage).
57
58 @end itemize
59
60 QEMU user mode emulation features:
61 @itemize 
62 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
63
64 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
65
66 @item Accurate signal handling by remapping host signals to target signals. 
67 @end itemize
68 @end itemize
69
70 QEMU full system emulation features:
71 @itemize 
72 @item QEMU can either use a full software MMU for maximum portability or use the host system call mmap() to simulate the target MMU.
73 @end itemize
74
75 @section x86 emulation
76
77 QEMU x86 target features:
78
79 @itemize 
80
81 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation. 
82 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run DOSEMU.
83
84 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
85
86 @item QEMU can emulate itself on x86.
87
88 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}. 
89 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
90
91 @end itemize
92
93 Current QEMU limitations:
94
95 @itemize 
96
97 @item No SSE/MMX support (yet).
98
99 @item No x86-64 support.
100
101 @item IPC syscalls are missing.
102
103 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every 
104 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
105 normal use.
106
107 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
108 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
109 maximum performances.
110
111 @end itemize
112
113 @section ARM emulation
114
115 @itemize
116
117 @item Full ARM 7 user emulation.
118
119 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
120
121 @item Can run most ARM Linux binaries.
122
123 @end itemize
124
125 @section PowerPC emulation
126
127 @itemize
128
129 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions, 
130 FPU and MMU.
131
132 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
133
134 @end itemize
135
136 @section SPARC emulation
137
138 @itemize
139
140 @item Somewhat complete SPARC V8 emulation, including privileged
141 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
142 instructions, FPU and I/D MMU, but misses VIS instructions.
143
144 @item Can run some 32-bit SPARC Linux binaries.
145
146 @end itemize
147
148 Current QEMU limitations:
149
150 @itemize 
151
152 @item Tagged add/subtract instructions are not supported, but they are
153 probably not used.
154
155 @item IPC syscalls are missing.
156
157 @item 128-bit floating point operations are not supported, though none of the
158 real CPUs implement them either. FCMPE[SD] are not correctly
159 implemented.  Floating point exception support is untested.
160
161 @item Alignment is not enforced at all.
162
163 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
164
165 @item Sparc64 emulators are not usable for anything yet.
166 Address space is limited to first 4 gigabytes.
167
168 @end itemize
169
170 @chapter QEMU Internals
171
172 @section QEMU compared to other emulators
173
174 Like bochs [3], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
175 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
176 emulation while QEMU can emulate several processors.
177
178 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
179 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
180 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
181 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
182 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
183 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
184 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
185 and system emulation.
186
187 EM86 [4] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
188 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
189 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
190 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
191
192 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
193 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
194 executables. Such an approach has greater potential because most of the
195 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
196 because all the data structures and function parameters exchanged
197 between the API and the x86 code must be converted.
198
199 User mode Linux [7] was the only solution before QEMU to launch a
200 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
201 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
202 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
203 slower.
204
205 The new Plex86 [8] PC virtualizer is done in the same spirit as the
206 qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel to work
207 (you cannot launch the same kernel on your PC), but the patches are
208 really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is done except
209 for some priveledged instructions), it has the potential of being
210 faster than QEMU. The downside is that a complicated (and potentially
211 unsafe) host kernel patch is needed.
212
213 The commercial PC Virtualizers (VMWare [9], VirtualPC [10], TwoOStwo
214 [11]) are faster than QEMU, but they all need specific, proprietary
215 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
216 provide cycle exact simulation as an emulator can.
217
218 @section Portable dynamic translation
219
220 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
221 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
222 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
223 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
224 performances.
225
226 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
227 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
228 code (see @file{target-i386/op.c}). Then a compile time tool
229 (@file{dyngen}) takes the corresponding object file (@file{op.o})
230 to generate a dynamic code generator which concatenates the simple
231 instructions to build a function (see @file{op.h:dyngen_code()}).
232
233 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
234 compile time. 
235
236 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
237 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
238 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
239 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
240 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
241
242 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
243
244 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
245 state of the virtual CPU.
246
247 @section Register allocation
248
249 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
250 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
251 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
252 doing complicated register allocation.
253
254 @section Condition code optimisations
255
256 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
257 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
258 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
259 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
260 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
261 @code{CC_OP}).
262
263 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
264 because it is known at translation time.
265
266 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
267 generated simple instructions (see
268 @code{target-i386/translate.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
269 the condition codes are not needed by the next instructions, no
270 condition codes are computed at all.
271
272 @section CPU state optimisations
273
274 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
275 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
276 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
277 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
278 base, then the translator does not even generate an addition for the
279 segment base.
280
281 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
282
283 @section Translation cache
284
285 A 16 MByte cache holds the most recently used translations. For
286 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
287 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
288 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
289 translator cannot deduce statically).
290
291 @section Direct block chaining
292
293 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
294 Program Counter (PC) and other cpu state informations (such as the CS
295 segment base value) to find the next basic block.
296
297 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
298 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
299 next one.
300
301 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
302 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
303 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
304 directly patched so that the block chaining has no overhead.
305
306 @section Self-modifying code and translated code invalidation
307
308 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
309 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
310 is modified.
311
312 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
313 host page is write protected if it is not already read-only (with the
314 system call @code{mprotect()}). Then, if a write access is done to the
315 page, Linux raises a SEGV signal. QEMU then invalidates all the
316 translated code in the page and enables write accesses to the page.
317
318 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
319 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
320 linked lists are also maintained to undo direct block chaining. 
321
322 Although the overhead of doing @code{mprotect()} calls is important,
323 most MSDOS programs can be emulated at reasonnable speed with QEMU and
324 DOSEMU.
325
326 Note that QEMU also invalidates pages of translated code when it detects
327 that memory mappings are modified with @code{mmap()} or @code{munmap()}.
328
329 When using a software MMU, the code invalidation is more efficient: if
330 a given code page is invalidated too often because of write accesses,
331 then a bitmap representing all the code inside the page is
332 built. Every store into that page checks the bitmap to see if the code
333 really needs to be invalidated. It avoids invalidating the code when
334 only data is modified in the page.
335
336 @section Exception support
337
338 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
339 encountered. 
340
341 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
342 memory accesses. The exact CPU state can be retrieved because all the
343 x86 registers are stored in fixed host registers. The simulated program
344 counter is found by retranslating the corresponding basic block and by
345 looking where the host program counter was at the exception point.
346
347 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
348 in some cases it is not computed because of condition code
349 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
350 still be restarted in any cases.
351
352 @section MMU emulation
353
354 For system emulation, QEMU uses the mmap() system call to emulate the
355 target CPU MMU. It works as long the emulated OS does not use an area
356 reserved by the host OS (such as the area above 0xc0000000 on x86
357 Linux).
358
359 In order to be able to launch any OS, QEMU also supports a soft
360 MMU. In that mode, the MMU virtual to physical address translation is
361 done at every memory access. QEMU uses an address translation cache to
362 speed up the translation.
363
364 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
365 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
366 means that each basic block is indexed with its physical address. 
367
368 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
369 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
370
371 @section Hardware interrupts
372
373 In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if an
374 hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchrously
375 call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
376 function resets the chaining of the currently executing basic
377 block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
378 of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
379 pending and handle it.
380
381 @section User emulation specific details
382
383 @subsection Linux system call translation
384
385 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
386 the parameters of the system calls can be converted to fix the
387 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
388 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
389
390 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
391 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
392 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
393 because of bad page alignment.
394
395 @subsection Linux signals
396
397 Normal and real-time signals are queued along with their information
398 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
399 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
400 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
401 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
402 from the virtual signal handler.
403
404 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
405 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
406 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
407
408 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
409 that most signal system calls can be redirected directly to the host
410 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
411 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
412
413 @subsection clone() system call and threads
414
415 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
416 uses the host clone() system call so that real host threads are created
417 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
418 thread.
419
420 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
421 that their semantic is preserved.
422
423 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
424 particular, the translated cache flush is not protected yet against
425 reentrancy.
426
427 @subsection Self-virtualization
428
429 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
430 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
431 emulator.
432
433 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
434 space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
435 shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
436 relocated at load time.
437
438 @section Bibliography
439
440 @table @asis
441
442 @item [1] 
443 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
444 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
445 Riccardi.
446
447 @item [2]
448 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
449 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
450
451 @item [3]
452 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
453 by Kevin Lawton et al.
454
455 @item [4]
456 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
457 x86 emulator on Alpha-Linux.
458
459 @item [5]
460 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
461 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
462 Chernoff and Ray Hookway.
463
464 @item [6]
465 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
466 Willows Software.
467
468 @item [7]
469 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/}, 
470 The User-mode Linux Kernel.
471
472 @item [8]
473 @url{http://www.plex86.org/}, 
474 The new Plex86 project.
475
476 @item [9]
477 @url{http://www.vmware.com/}, 
478 The VMWare PC virtualizer.
479
480 @item [10]
481 @url{http://www.microsoft.com/windowsxp/virtualpc/}, 
482 The VirtualPC PC virtualizer.
483
484 @item [11]
485 @url{http://www.twoostwo.org/}, 
486 The TwoOStwo PC virtualizer.
487
488 @end table
489
490 @chapter Regression Tests
491
492 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
493 are available. There are used for regression testing.
494
495 @section @file{test-i386}
496
497 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
498 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
499 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
500 program and a @code{diff} on the generated output.
501
502 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
503 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
504
505 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
506
507 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
508 exception reporting.
509
510 @section @file{linux-test}
511
512 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
513 that the system call parameters are correctly converted between target
514 and host CPUs.
515
516 @section @file{qruncom.c}
517
518 Example of usage of @code{libqemu} to emulate a user mode i386 CPU.