qemu-tech: reorganize content
[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 * Device emulation::
35 * QEMU compared to other emulators::
36 * Bibliography::
37 @end menu
38 @end ifnottex
39
40 @contents
41
42 @node CPU emulation
43 @chapter CPU emulation
44
45 @menu
46 * x86::     x86 and x86-64 emulation
47 * ARM::     ARM emulation
48 * MIPS::    MIPS emulation
49 * PPC::     PowerPC emulation
50 * SPARC::   Sparc32 and Sparc64 emulation
51 * Xtensa::  Xtensa emulation
52 @end menu
53
54 @node x86
55 @section x86 and x86-64 emulation
56
57 QEMU x86 target features:
58
59 @itemize
60
61 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
62 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run
63 DOSEMU. There is some support for MMX/3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3,
64 and SSE4 as well as x86-64 SVM.
65
66 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
67
68 @item QEMU can emulate itself on x86.
69
70 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
71 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
72
73 @end itemize
74
75 Current QEMU limitations:
76
77 @itemize
78
79 @item Limited x86-64 support.
80
81 @item IPC syscalls are missing.
82
83 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
84 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
85 normal use.
86
87 @end itemize
88
89 @node ARM
90 @section ARM emulation
91
92 @itemize
93
94 @item Full ARM 7 user emulation.
95
96 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
97
98 @item Can run most ARM Linux binaries.
99
100 @end itemize
101
102 @node MIPS
103 @section MIPS emulation
104
105 @itemize
106
107 @item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
108 including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
109 endian modes.
110
111 @item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
112
113 @end itemize
114
115 Current QEMU limitations:
116
117 @itemize
118
119 @item Self-modifying code is not always handled correctly.
120
121 @item 64 bit userland emulation is not implemented.
122
123 @item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
124
125 @item The watchpoint debug facility is not implemented.
126
127 @end itemize
128
129 @node PPC
130 @section PowerPC emulation
131
132 @itemize
133
134 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
135 FPU and MMU.
136
137 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
138
139 @end itemize
140
141 @node SPARC
142 @section Sparc32 and Sparc64 emulation
143
144 @itemize
145
146 @item Full SPARC V8 emulation, including privileged
147 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
148 and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
149
150 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
151 some 64-bit SPARC Linux binaries.
152
153 @end itemize
154
155 Current QEMU limitations:
156
157 @itemize
158
159 @item IPC syscalls are missing.
160
161 @item Floating point exception support is buggy.
162
163 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
164
165 @item There are still some problems with Sparc64 emulators.
166
167 @end itemize
168
169 @node Xtensa
170 @section Xtensa emulation
171
172 @itemize
173
174 @item Core Xtensa ISA emulation, including most options: code density,
175 loop, extended L32R, 16- and 32-bit multiplication, 32-bit division,
176 MAC16, miscellaneous operations, boolean, FP coprocessor, coprocessor
177 context, debug, multiprocessor synchronization,
178 conditional store, exceptions, relocatable vectors, unaligned exception,
179 interrupts (including high priority and timer), hardware alignment,
180 region protection, region translation, MMU, windowed registers, thread
181 pointer, processor ID.
182
183 @item Not implemented options: data/instruction cache (including cache
184 prefetch and locking), XLMI, processor interface. Also options not
185 covered by the core ISA (e.g. FLIX, wide branches) are not implemented.
186
187 @item Can run most Xtensa Linux binaries.
188
189 @item New core configuration that requires no additional instructions
190 may be created from overlay with minimal amount of hand-written code.
191
192 @end itemize
193
194 @node Translator Internals
195 @chapter Translator Internals
196
197 @menu
198 * CPU state optimisations::
199 * Translation cache::
200 * Direct block chaining::
201 * Self-modifying code and translated code invalidation::
202 * Exception support::
203 * MMU emulation::
204 @end menu
205
206 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
207 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
208 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
209 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
210 performances.
211
212 QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
213 Generator". For more information, please take a look at @code{tcg/README}.
214
215 @node CPU state optimisations
216 @section CPU state optimisations
217
218 The target CPUs have many internal states which change the way it
219 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
220 translation phase considers that some state information of the virtual
221 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
222 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
223 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
224 matches the state recorded in the previous TB. For example, if the SS,
225 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
226 generate an addition for the segment base.
227
228 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
229
230 @node Translation cache
231 @section Translation cache
232
233 A 32 MByte cache holds the most recently used translations. For
234 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
235 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
236 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
237 translator cannot deduce statically).
238
239 @node Direct block chaining
240 @section Direct block chaining
241
242 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
243 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
244 segment base value) to find the next basic block.
245
246 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
247 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
248 next one.
249
250 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
251 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
252 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
253 directly patched so that the block chaining has no overhead.
254
255 @node Self-modifying code and translated code invalidation
256 @section Self-modifying code and translated code invalidation
257
258 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
259 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
260 is modified.
261
262 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
263 host page is write protected if it is not already read-only. Then, if
264 a write access is done to the page, Linux raises a SEGV signal. QEMU
265 then invalidates all the translated code in the page and enables write
266 accesses to the page.
267
268 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
269 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
270 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
271
272 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
273 cache flushes, so some of the protection above would not be
274 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
275 matches the target instructions in memory in order to handle
276 exceptions correctly.
277
278 @node Exception support
279 @section Exception support
280
281 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
282 encountered.
283
284 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
285 memory accesses. The simulated program counter is found by
286 retranslating the corresponding basic block and by looking where the
287 host program counter was at the exception point.
288
289 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
290 in some cases it is not computed because of condition code
291 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
292 still be restarted in any cases.
293
294 @node MMU emulation
295 @section MMU emulation
296
297 For system emulation QEMU supports a soft MMU. In that mode, the MMU
298 virtual to physical address translation is done at every memory
299 access. QEMU uses an address translation cache to speed up the
300 translation.
301
302 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
303 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
304 means that each basic block is indexed with its physical address.
305
306 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
307 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
308
309 @node Device emulation
310 @chapter Device emulation
311
312 Systems emulated by QEMU are organized by boards. At initialization
313 phase, each board instantiates a number of CPUs, devices, RAM and
314 ROM. Each device in turn can assign I/O ports or memory areas (for
315 MMIO) to its handlers. When the emulation starts, an access to the
316 ports or MMIO memory areas assigned to the device causes the
317 corresponding handler to be called.
318
319 RAM and ROM are handled more optimally, only the offset to the host
320 memory needs to be added to the guest address.
321
322 The video RAM of VGA and other display cards is special: it can be
323 read or written directly like RAM, but write accesses cause the memory
324 to be marked with VGA_DIRTY flag as well.
325
326 QEMU supports some device classes like serial and parallel ports, USB,
327 drives and network devices, by providing APIs for easier connection to
328 the generic, higher level implementations. The API hides the
329 implementation details from the devices, like native device use or
330 advanced block device formats like QCOW.
331
332 Usually the devices implement a reset method and register support for
333 saving and loading of the device state. The devices can also use
334 timers, especially together with the use of bottom halves (BHs).
335
336 @node QEMU compared to other emulators
337 @chapter QEMU compared to other emulators
338
339 Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
340 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
341 emulation while QEMU can emulate several processors.
342
343 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
344 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
345 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
346 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
347 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
348 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
349 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
350 and system emulation.
351
352 EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
353 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
354 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
355 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
356
357 TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
358 accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
359 x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
360 of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
361 develop because all the data structures and function parameters exchanged
362 between the API and the x86 code must be converted.
363
364 User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
365 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
366 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
367 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
368 slower.
369
370 The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
371 obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
372 to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
373 patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
374 done except for some privileged instructions), it has the potential of
375 being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
376 potentially unsafe) host kernel patch is needed.
377
378 The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
379 than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
380 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
381 provide cycle exact simulation as an emulator can.
382
383 VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
384 [12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
385 developed in SystemC.
386
387 @node Bibliography
388 @chapter Bibliography
389
390 @table @asis
391
392 @item [1]
393 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
394 by Kevin Lawton et al.
395
396 @item [2]
397 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
398 for GNU/Linux.
399
400 @item [3]
401 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
402 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
403
404 @item [4]
405 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
406 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
407 Chernoff and Ray Hookway.
408
409 @item [5]
410 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
411 The User-mode Linux Kernel.
412
413 @item [6]
414 @url{http://www.plex86.org/},
415 The new Plex86 project.
416
417 @item [7]
418 @url{http://www.vmware.com/},
419 The VMWare PC virtualizer.
420
421 @item [8]
422 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
423 The VirtualPC PC virtualizer.
424
425 @item [9]
426 @url{http://virtualbox.org/},
427 The VirtualBox PC virtualizer.
428
429 @item [10]
430 @url{http://www.xen.org/},
431 The Xen hypervisor.
432
433 @item [11]
434 @url{http://www.linux-kvm.org/},
435 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
436
437 @item [12]
438 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
439 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
440
441 @end table
442
443 @bye