qemu-tech: move text from qemu-tech to tcg/README
[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 * 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 QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
291 Generator". For more information, please take a look at @code{tcg/README}.
292
293 @node Condition code optimisations
294 @section Condition code optimisations
295
296 Lazy evaluation of CPU condition codes (@code{EFLAGS} register on x86)
297 is important for CPUs where every instruction sets the condition
298 codes. It tends to be less important on conventional RISC systems
299 where condition codes are only updated when explicitly requested. On
300 Sparc64, costly update of both 32 and 64 bit condition codes can be
301 avoided with lazy evaluation.
302
303 Instead of computing the condition codes after each x86 instruction,
304 QEMU just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the result
305 (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
306 @code{CC_OP}). When the condition codes are needed, the condition
307 codes can be calculated using this information. In addition, an
308 optimized calculation can be performed for some instruction types like
309 conditional branches.
310
311 @code{CC_OP} is almost never explicitly set in the generated code
312 because it is known at translation time.
313
314 The lazy condition code evaluation is used on x86, m68k, cris and
315 Sparc. ARM uses a simplified variant for the N and Z flags.
316
317 @node CPU state optimisations
318 @section CPU state optimisations
319
320 The target CPUs have many internal states which change the way it
321 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
322 translation phase considers that some state information of the virtual
323 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
324 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
325 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
326 matches the state recorded in the previous TB. For example, if the SS,
327 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
328 generate an addition for the segment base.
329
330 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
331
332 @node Translation cache
333 @section Translation cache
334
335 A 32 MByte cache holds the most recently used translations. For
336 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
337 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
338 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
339 translator cannot deduce statically).
340
341 @node Direct block chaining
342 @section Direct block chaining
343
344 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
345 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
346 segment base value) to find the next basic block.
347
348 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
349 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
350 next one.
351
352 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
353 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
354 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
355 directly patched so that the block chaining has no overhead.
356
357 @node Self-modifying code and translated code invalidation
358 @section Self-modifying code and translated code invalidation
359
360 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
361 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
362 is modified.
363
364 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
365 host page is write protected if it is not already read-only. Then, if
366 a write access is done to the page, Linux raises a SEGV signal. QEMU
367 then invalidates all the translated code in the page and enables write
368 accesses to the page.
369
370 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
371 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
372 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
373
374 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
375 cache flushes, so some of the protection above would not be
376 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
377 matches the target instructions in memory in order to handle
378 exceptions correctly.
379
380 @node Exception support
381 @section Exception support
382
383 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
384 encountered.
385
386 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
387 memory accesses. The simulated program counter is found by
388 retranslating the corresponding basic block and by looking where the
389 host program counter was at the exception point.
390
391 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
392 in some cases it is not computed because of condition code
393 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
394 still be restarted in any cases.
395
396 @node MMU emulation
397 @section MMU emulation
398
399 For system emulation QEMU supports a soft MMU. In that mode, the MMU
400 virtual to physical address translation is done at every memory
401 access. QEMU uses an address translation cache to speed up the
402 translation.
403
404 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
405 mappings change, QEMU uses a physically indexed translation cache. It
406 means that each basic block is indexed with its physical address.
407
408 When MMU mappings change, only the chaining of the basic blocks is
409 reset (i.e. a basic block can no longer jump directly to another one).
410
411 @node Device emulation
412 @section Device emulation
413
414 Systems emulated by QEMU are organized by boards. At initialization
415 phase, each board instantiates a number of CPUs, devices, RAM and
416 ROM. Each device in turn can assign I/O ports or memory areas (for
417 MMIO) to its handlers. When the emulation starts, an access to the
418 ports or MMIO memory areas assigned to the device causes the
419 corresponding handler to be called.
420
421 RAM and ROM are handled more optimally, only the offset to the host
422 memory needs to be added to the guest address.
423
424 The video RAM of VGA and other display cards is special: it can be
425 read or written directly like RAM, but write accesses cause the memory
426 to be marked with VGA_DIRTY flag as well.
427
428 QEMU supports some device classes like serial and parallel ports, USB,
429 drives and network devices, by providing APIs for easier connection to
430 the generic, higher level implementations. The API hides the
431 implementation details from the devices, like native device use or
432 advanced block device formats like QCOW.
433
434 Usually the devices implement a reset method and register support for
435 saving and loading of the device state. The devices can also use
436 timers, especially together with the use of bottom halves (BHs).
437
438 @node Hardware interrupts
439 @section Hardware interrupts
440
441 In order to be faster, QEMU does not check at every basic block if a
442 hardware interrupt is pending. Instead, the user must asynchronously
443 call a specific function to tell that an interrupt is pending. This
444 function resets the chaining of the currently executing basic
445 block. It ensures that the execution will return soon in the main loop
446 of the CPU emulator. Then the main loop can test if the interrupt is
447 pending and handle it.
448
449 @node User emulation specific details
450 @section User emulation specific details
451
452 @subsection Linux system call translation
453
454 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
455 the parameters of the system calls can be converted to fix the
456 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
457 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
458
459 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
460 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
461 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
462 because of bad page alignment.
463
464 @subsection Linux signals
465
466 Normal and real-time signals are queued along with their information
467 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
468 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
469 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
470 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
471 from the virtual signal handler.
472
473 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
474 signals are synthesized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
475 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
476
477 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
478 that most signal system calls can be redirected directly to the host
479 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
480 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
481
482 @subsection clone() system call and threads
483
484 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
485 uses the host clone() system call so that real host threads are created
486 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
487 thread.
488
489 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
490 that their semantic is preserved.
491
492 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
493 particular, the translated cache flush is not protected yet against
494 reentrancy.
495
496 @subsection Self-virtualization
497
498 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Although
499 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
500 emulator.
501
502 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
503 space conflicts. QEMU user emulators solve this problem by being an
504 executable ELF shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That
505 way, it can be relocated at load time.
506
507 @node Bibliography
508 @section Bibliography
509
510 @table @asis
511
512 @item [1]
513 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
514 by Kevin Lawton et al.
515
516 @item [2]
517 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
518 for GNU/Linux.
519
520 @item [3]
521 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
522 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
523
524 @item [4]
525 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
526 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
527 Chernoff and Ray Hookway.
528
529 @item [5]
530 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
531 The User-mode Linux Kernel.
532
533 @item [6]
534 @url{http://www.plex86.org/},
535 The new Plex86 project.
536
537 @item [7]
538 @url{http://www.vmware.com/},
539 The VMWare PC virtualizer.
540
541 @item [8]
542 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
543 The VirtualPC PC virtualizer.
544
545 @item [9]
546 @url{http://virtualbox.org/},
547 The VirtualBox PC virtualizer.
548
549 @item [10]
550 @url{http://www.xen.org/},
551 The Xen hypervisor.
552
553 @item [11]
554 @url{http://www.linux-kvm.org/},
555 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
556
557 @item [12]
558 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
559 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
560
561 @end table
562
563 @node Regression Tests
564 @chapter Regression Tests
565
566 In the directory @file{tests/}, various interesting testing programs
567 are available. They are used for regression testing.
568
569 @menu
570 * test-i386::
571 * linux-test::
572 @end menu
573
574 @node test-i386
575 @section @file{test-i386}
576
577 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
578 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
579 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
580 program and a @code{diff} on the generated output.
581
582 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
583 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
584
585 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
586
587 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
588 exception reporting.
589
590 @node linux-test
591 @section @file{linux-test}
592
593 This program tests various Linux system calls. It is used to verify
594 that the system call parameters are correctly converted between target
595 and host CPUs.
596
597 @bye