qemu-tech: rewrite some parts
[sdk/emulator/qemu.git] / qemu-tech.texi
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8 @settitle QEMU Internals
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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 * CPU emulation::
33 * Translator Internals::
34 * QEMU compared to other emulators::
35 * Bibliography::
36 @end menu
37 @end ifnottex
38
39 @contents
40
41 @node CPU emulation
42 @chapter CPU emulation
43
44 @menu
45 * x86::     x86 and x86-64 emulation
46 * ARM::     ARM emulation
47 * MIPS::    MIPS emulation
48 * PPC::     PowerPC emulation
49 * SPARC::   Sparc32 and Sparc64 emulation
50 * Xtensa::  Xtensa emulation
51 @end menu
52
53 @node x86
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 ARM
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 MIPS
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 PPC
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 SPARC
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 Xtensa
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 Translator Internals
194 @chapter Translator Internals
195
196 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
197 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
198 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
199 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
200 performances.
201
202 QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
203 Generator". For more information, please take a look at @code{tcg/README}.
204
205 Some notable features of QEMU's dynamic translator are:
206
207 @table @strong
208
209 @item CPU state optimisations:
210 The target CPUs have many internal states which change the way it
211 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
212 translation phase considers that some state information of the virtual
213 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
214 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
215 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
216 matches the state recorded in the previous TB. The same idea can be applied
217 to other aspects of the CPU state.  For example, on x86, if the SS,
218 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
219 generate an addition for the segment base.
220
221 @item Direct block chaining:
222 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
223 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
224 segment base value) to find the next basic block.
225
226 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
227 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
228 next one.
229
230 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
231 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
232 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
233 directly patched so that the block chaining has no overhead.
234
235 @item Self-modifying code and translated code invalidation:
236 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
237 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
238 is modified.
239
240 User-mode emulation marks a host page as write-protected (if it is
241 not already read-only) every time translated code is generated for a
242 basic block.  Then, if a write access is done to the page, Linux raises
243 a SEGV signal. QEMU then invalidates all the translated code in the page
244 and enables write accesses to the page.  For system emulation, write
245 protection is achieved through the software MMU.
246
247 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
248 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
249 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
250
251 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
252 cache flushes, so some of the protection above would not be
253 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
254 matches the target instructions in memory in order to handle
255 exceptions correctly.
256
257 @item Exception support:
258 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
259 encountered.
260
261 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
262 memory accesses.  QEMU keeps a map from host program counter to
263 target program counter, and looks up where the exception happened
264 based on the host program counter at the exception point.
265
266 On some targets, some bits of the virtual CPU's state are not flushed to the
267 memory until the end of the translation block.  This is done for internal
268 emulation state that is rarely accessed directly by the program and/or changes
269 very often throughout the execution of a translation block---this includes
270 condition codes on x86, delay slots on SPARC, conditional execution on
271 ARM, and so on.  This state is stored for each target instruction, and
272 looked up on exceptions.
273
274 @item MMU emulation:
275 For system emulation QEMU uses a software MMU. In that mode, the MMU
276 virtual to physical address translation is done at every memory
277 access.
278
279 QEMU uses an address translation cache (TLB) to speed up the translation.
280 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
281 mappings change, all caches in QEMU are physically indexed.  This
282 means that each basic block is indexed with its physical address.
283
284 In order to avoid invalidating the basic block chain when MMU mappings
285 change, chaining is only performed when the destination of the jump
286 shares a page with the basic block that is performing the jump.
287
288 The MMU can also distinguish RAM and ROM memory areas from MMIO memory
289 areas.  Access is faster for RAM and ROM because the translation cache also
290 hosts the offset between guest address and host memory.  Accessing MMIO
291 memory areas instead calls out to C code for device emulation.
292 Finally, the MMU helps tracking dirty pages and pages pointed to by
293 translation blocks.
294 @end table
295
296 @node QEMU compared to other emulators
297 @chapter QEMU compared to other emulators
298
299 Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
300 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
301 emulation while QEMU can emulate several processors.
302
303 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
304 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
305 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
306 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
307 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
308 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
309 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
310 and system emulation.
311
312 EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
313 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
314 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
315 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
316
317 TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
318 accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
319 x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
320 of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
321 develop because all the data structures and function parameters exchanged
322 between the API and the x86 code must be converted.
323
324 User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
325 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
326 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
327 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
328 slower.
329
330 The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
331 obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
332 to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
333 patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
334 done except for some privileged instructions), it has the potential of
335 being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
336 potentially unsafe) host kernel patch is needed.
337
338 The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
339 than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
340 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
341 provide cycle exact simulation as an emulator can.
342
343 VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
344 [12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
345 developed in SystemC.
346
347 @node Bibliography
348 @chapter Bibliography
349
350 @table @asis
351
352 @item [1]
353 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
354 by Kevin Lawton et al.
355
356 @item [2]
357 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
358 for GNU/Linux.
359
360 @item [3]
361 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
362 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
363
364 @item [4]
365 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
366 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
367 Chernoff and Ray Hookway.
368
369 @item [5]
370 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
371 The User-mode Linux Kernel.
372
373 @item [6]
374 @url{http://www.plex86.org/},
375 The new Plex86 project.
376
377 @item [7]
378 @url{http://www.vmware.com/},
379 The VMWare PC virtualizer.
380
381 @item [8]
382 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
383 The VirtualPC PC virtualizer.
384
385 @item [9]
386 @url{http://virtualbox.org/},
387 The VirtualBox PC virtualizer.
388
389 @item [10]
390 @url{http://www.xen.org/},
391 The Xen hypervisor.
392
393 @item [11]
394 @url{http://www.linux-kvm.org/},
395 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
396
397 @item [12]
398 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
399 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
400
401 @end table
402
403 @bye