hw/arm/virt: pass VirtMachineState instead of VirtGuestInfo
[qemu.git] / qemu-tech.texi
1 @node Implementation notes
2 @appendix Implementation notes
3
4 @menu
5 * CPU emulation::
6 * Translator Internals::
7 * QEMU compared to other emulators::
8 * Bibliography::
9 @end menu
10
11 @node CPU emulation
12 @section CPU emulation
13
14 @menu
15 * x86::     x86 and x86-64 emulation
16 * ARM::     ARM emulation
17 * MIPS::    MIPS emulation
18 * PPC::     PowerPC emulation
19 * SPARC::   Sparc32 and Sparc64 emulation
20 * Xtensa::  Xtensa emulation
21 @end menu
22
23 @node x86
24 @subsection x86 and x86-64 emulation
25
26 QEMU x86 target features:
27
28 @itemize
29
30 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation.
31 LDT/GDT and IDT are emulated. VM86 mode is also supported to run
32 DOSEMU. There is some support for MMX/3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3,
33 and SSE4 as well as x86-64 SVM.
34
35 @item Support of host page sizes bigger than 4KB in user mode emulation.
36
37 @item QEMU can emulate itself on x86.
38
39 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}.
40 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
41
42 @end itemize
43
44 Current QEMU limitations:
45
46 @itemize
47
48 @item Limited x86-64 support.
49
50 @item IPC syscalls are missing.
51
52 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every
53 memory access (yet). Hopefully, very few OSes seem to rely on that for
54 normal use.
55
56 @end itemize
57
58 @node ARM
59 @subsection ARM emulation
60
61 @itemize
62
63 @item Full ARM 7 user emulation.
64
65 @item NWFPE FPU support included in user Linux emulation.
66
67 @item Can run most ARM Linux binaries.
68
69 @end itemize
70
71 @node MIPS
72 @subsection MIPS emulation
73
74 @itemize
75
76 @item The system emulation allows full MIPS32/MIPS64 Release 2 emulation,
77 including privileged instructions, FPU and MMU, in both little and big
78 endian modes.
79
80 @item The Linux userland emulation can run many 32 bit MIPS Linux binaries.
81
82 @end itemize
83
84 Current QEMU limitations:
85
86 @itemize
87
88 @item Self-modifying code is not always handled correctly.
89
90 @item 64 bit userland emulation is not implemented.
91
92 @item The system emulation is not complete enough to run real firmware.
93
94 @item The watchpoint debug facility is not implemented.
95
96 @end itemize
97
98 @node PPC
99 @subsection PowerPC emulation
100
101 @itemize
102
103 @item Full PowerPC 32 bit emulation, including privileged instructions,
104 FPU and MMU.
105
106 @item Can run most PowerPC Linux binaries.
107
108 @end itemize
109
110 @node SPARC
111 @subsection Sparc32 and Sparc64 emulation
112
113 @itemize
114
115 @item Full SPARC V8 emulation, including privileged
116 instructions, FPU and MMU. SPARC V9 emulation includes most privileged
117 and VIS instructions, FPU and I/D MMU. Alignment is fully enforced.
118
119 @item Can run most 32-bit SPARC Linux binaries, SPARC32PLUS Linux binaries and
120 some 64-bit SPARC Linux binaries.
121
122 @end itemize
123
124 Current QEMU limitations:
125
126 @itemize
127
128 @item IPC syscalls are missing.
129
130 @item Floating point exception support is buggy.
131
132 @item Atomic instructions are not correctly implemented.
133
134 @item There are still some problems with Sparc64 emulators.
135
136 @end itemize
137
138 @node Xtensa
139 @subsection Xtensa emulation
140
141 @itemize
142
143 @item Core Xtensa ISA emulation, including most options: code density,
144 loop, extended L32R, 16- and 32-bit multiplication, 32-bit division,
145 MAC16, miscellaneous operations, boolean, FP coprocessor, coprocessor
146 context, debug, multiprocessor synchronization,
147 conditional store, exceptions, relocatable vectors, unaligned exception,
148 interrupts (including high priority and timer), hardware alignment,
149 region protection, region translation, MMU, windowed registers, thread
150 pointer, processor ID.
151
152 @item Not implemented options: data/instruction cache (including cache
153 prefetch and locking), XLMI, processor interface. Also options not
154 covered by the core ISA (e.g. FLIX, wide branches) are not implemented.
155
156 @item Can run most Xtensa Linux binaries.
157
158 @item New core configuration that requires no additional instructions
159 may be created from overlay with minimal amount of hand-written code.
160
161 @end itemize
162
163 @node Translator Internals
164 @section Translator Internals
165
166 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
167 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
168 are very complicated and highly CPU dependent. QEMU uses some tricks
169 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
170 performances.
171
172 QEMU's dynamic translation backend is called TCG, for "Tiny Code
173 Generator". For more information, please take a look at @code{tcg/README}.
174
175 Some notable features of QEMU's dynamic translator are:
176
177 @table @strong
178
179 @item CPU state optimisations:
180 The target CPUs have many internal states which change the way it
181 evaluates instructions. In order to achieve a good speed, the
182 translation phase considers that some state information of the virtual
183 CPU cannot change in it. The state is recorded in the Translation
184 Block (TB). If the state changes (e.g. privilege level), a new TB will
185 be generated and the previous TB won't be used anymore until the state
186 matches the state recorded in the previous TB. The same idea can be applied
187 to other aspects of the CPU state.  For example, on x86, if the SS,
188 DS and ES segments have a zero base, then the translator does not even
189 generate an addition for the segment base.
190
191 @item Direct block chaining:
192 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
193 Program Counter (PC) and other cpu state information (such as the CS
194 segment base value) to find the next basic block.
195
196 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
197 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
198 next one.
199
200 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes
201 it easier to make the jump target modification atomic. On some host
202 architectures (such as x86 or PowerPC), the @code{JUMP} opcode is
203 directly patched so that the block chaining has no overhead.
204
205 @item Self-modifying code and translated code invalidation:
206 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
207 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
208 is modified.
209
210 User-mode emulation marks a host page as write-protected (if it is
211 not already read-only) every time translated code is generated for a
212 basic block.  Then, if a write access is done to the page, Linux raises
213 a SEGV signal. QEMU then invalidates all the translated code in the page
214 and enables write accesses to the page.  For system emulation, write
215 protection is achieved through the software MMU.
216
217 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
218 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
219 linked lists are also maintained to undo direct block chaining.
220
221 On RISC targets, correctly written software uses memory barriers and
222 cache flushes, so some of the protection above would not be
223 necessary. However, QEMU still requires that the generated code always
224 matches the target instructions in memory in order to handle
225 exceptions correctly.
226
227 @item Exception support:
228 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
229 encountered.
230
231 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
232 memory accesses.  QEMU keeps a map from host program counter to
233 target program counter, and looks up where the exception happened
234 based on the host program counter at the exception point.
235
236 On some targets, some bits of the virtual CPU's state are not flushed to the
237 memory until the end of the translation block.  This is done for internal
238 emulation state that is rarely accessed directly by the program and/or changes
239 very often throughout the execution of a translation block---this includes
240 condition codes on x86, delay slots on SPARC, conditional execution on
241 ARM, and so on.  This state is stored for each target instruction, and
242 looked up on exceptions.
243
244 @item MMU emulation:
245 For system emulation QEMU uses a software MMU. In that mode, the MMU
246 virtual to physical address translation is done at every memory
247 access.
248
249 QEMU uses an address translation cache (TLB) to speed up the translation.
250 In order to avoid flushing the translated code each time the MMU
251 mappings change, all caches in QEMU are physically indexed.  This
252 means that each basic block is indexed with its physical address.
253
254 In order to avoid invalidating the basic block chain when MMU mappings
255 change, chaining is only performed when the destination of the jump
256 shares a page with the basic block that is performing the jump.
257
258 The MMU can also distinguish RAM and ROM memory areas from MMIO memory
259 areas.  Access is faster for RAM and ROM because the translation cache also
260 hosts the offset between guest address and host memory.  Accessing MMIO
261 memory areas instead calls out to C code for device emulation.
262 Finally, the MMU helps tracking dirty pages and pages pointed to by
263 translation blocks.
264 @end table
265
266 @node QEMU compared to other emulators
267 @section QEMU compared to other emulators
268
269 Like bochs [1], QEMU emulates an x86 CPU. But QEMU is much faster than
270 bochs as it uses dynamic compilation. Bochs is closely tied to x86 PC
271 emulation while QEMU can emulate several processors.
272
273 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
274 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
275 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory
276 accesses as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data
277 as Valgrind does). The Valgrind dynamic translator generates better code
278 than QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely
279 tied to an x86 host and target and has no support for precise exceptions
280 and system emulation.
281
282 EM86 [3] is the closest project to user space QEMU (and QEMU still uses
283 some of its code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited
284 to an alpha host and used a proprietary and slow interpreter (the
285 interpreter part of the FX!32 Digital Win32 code translator [4]).
286
287 TWIN from Willows Software was a Windows API emulator like Wine. It is less
288 accurate than Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch
289 x86 Windows executables. Such an approach has greater potential because most
290 of the Windows API is executed natively but it is far more difficult to
291 develop because all the data structures and function parameters exchanged
292 between the API and the x86 code must be converted.
293
294 User mode Linux [5] was the only solution before QEMU to launch a
295 Linux kernel as a process while not needing any host kernel
296 patches. However, user mode Linux requires heavy kernel patches while
297 QEMU accepts unpatched Linux kernels. The price to pay is that QEMU is
298 slower.
299
300 The Plex86 [6] PC virtualizer is done in the same spirit as the now
301 obsolete qemu-fast system emulator. It requires a patched Linux kernel
302 to work (you cannot launch the same kernel on your PC), but the
303 patches are really small. As it is a PC virtualizer (no emulation is
304 done except for some privileged instructions), it has the potential of
305 being faster than QEMU. The downside is that a complicated (and
306 potentially unsafe) host kernel patch is needed.
307
308 The commercial PC Virtualizers (VMWare [7], VirtualPC [8]) are faster
309 than QEMU (without virtualization), but they all need specific, proprietary
310 and potentially unsafe host drivers. Moreover, they are unable to
311 provide cycle exact simulation as an emulator can.
312
313 VirtualBox [9], Xen [10] and KVM [11] are based on QEMU. QEMU-SystemC
314 [12] uses QEMU to simulate a system where some hardware devices are
315 developed in SystemC.
316
317 @node Bibliography
318 @section Bibliography
319
320 @table @asis
321
322 @item [1]
323 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
324 by Kevin Lawton et al.
325
326 @item [2]
327 @url{http://www.valgrind.org/}, Valgrind, an open-source memory debugger
328 for GNU/Linux.
329
330 @item [3]
331 @url{http://ftp.dreamtime.org/pub/linux/Linux-Alpha/em86/v0.2/docs/em86.html},
332 the EM86 x86 emulator on Alpha-Linux.
333
334 @item [4]
335 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/@/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
336 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
337 Chernoff and Ray Hookway.
338
339 @item [5]
340 @url{http://user-mode-linux.sourceforge.net/},
341 The User-mode Linux Kernel.
342
343 @item [6]
344 @url{http://www.plex86.org/},
345 The new Plex86 project.
346
347 @item [7]
348 @url{http://www.vmware.com/},
349 The VMWare PC virtualizer.
350
351 @item [8]
352 @url{https://www.microsoft.com/download/details.aspx?id=3702},
353 The VirtualPC PC virtualizer.
354
355 @item [9]
356 @url{http://virtualbox.org/},
357 The VirtualBox PC virtualizer.
358
359 @item [10]
360 @url{http://www.xen.org/},
361 The Xen hypervisor.
362
363 @item [11]
364 @url{http://www.linux-kvm.org/},
365 Kernel Based Virtual Machine (KVM).
366
367 @item [12]
368 @url{http://www.greensocs.com/projects/QEMUSystemC},
369 QEMU-SystemC, a hardware co-simulator.
370
371 @end table