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