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[qemu] / qemu-doc.texi
1 \input texinfo @c -*- texinfo -*-
2
3 @settitle QEMU x86 Emulator Reference Documentation
4 @titlepage
5 @sp 7
6 @center @titlefont{QEMU x86 Emulator Reference Documentation}
7 @sp 3
8 @end titlepage
9
10 @chapter Introduction
11
12 QEMU is an x86 processor emulator. Its purpose is to run x86 Linux
13 processes on non-x86 Linux architectures such as PowerPC. By using
14 dynamic translation it achieves a reasonnable speed while being easy to
15 port on new host CPUs. Its main goal is to be able to launch the
16 @code{Wine} Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}) or
17 @code{DOSEMU} (@url{http://www.dosemu.org}) on non-x86 CPUs.
18
19 QEMU features:
20
21 @itemize 
22
23 @item User space only x86 emulator.
24
25 @item Currently ported on i386, PowerPC. Work in progress for S390, Alpha and Sparc.
26
27 @item Using dynamic translation to native code for reasonnable speed.
28
29 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation. 
30 User space LDT and GDT are emulated. VM86 mode is also supported.
31
32 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
33
34 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
35
36 @item Accurate signal handling by remapping host signals to virtual x86 signals. 
37
38 @item Precise user space x86 exceptions.
39
40 @item Self-modifying code support.
41
42 @item Support of host page sizes bigger than 4KB.
43
44 @item QEMU can emulate itself on x86.
45
46 @item The virtual x86 CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
47 in other projects.
48
49 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}. 
50 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
51
52 @end itemize
53
54 Current QEMU limitations:
55
56 @itemize 
57
58 @item No SSE/MMX support (yet).
59
60 @item No x86-64 support.
61
62 @item IPC syscalls are missing.
63
64 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every 
65 memory access (and will never be to have good performances).
66
67 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
68 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
69 maximum performances.
70
71 @end itemize
72
73 @chapter Invocation
74
75 @section Quick Start
76
77 In order to launch a Linux process, QEMU needs the process executable
78 itself and all the target (x86) dynamic libraries used by it. 
79
80 @itemize
81
82 @item On x86, you can just try to launch any process by using the native
83 libraries:
84
85 @example 
86 qemu -L / /bin/ls
87 @end example
88
89 @code{-L /} tells that the x86 dynamic linker must be searched with a
90 @file{/} prefix.
91
92 @item Since QEMU is also a linux process, you can launch qemu with qemu:
93
94 @example 
95 qemu -L / qemu -L / /bin/ls
96 @end example
97
98 @item On non x86 CPUs, you need first to download at least an x86 glibc
99 (@file{qemu-XXX-i386-glibc21.tar.gz} on the QEMU web page). Ensure that
100 @code{LD_LIBRARY_PATH} is not set:
101
102 @example
103 unset LD_LIBRARY_PATH 
104 @end example
105
106 Then you can launch the precompiled @file{ls} x86 executable:
107
108 @example
109 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
110 @end example
111 You can look at @file{/usr/local/qemu-i386/bin/qemu-conf.sh} so that
112 QEMU is automatically launched by the Linux kernel when you try to
113 launch x86 executables. It requires the @code{binfmt_misc} module in the
114 Linux kernel.
115
116 @item The x86 version of QEMU is also included. You can try weird things such as:
117 @example
118 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/qemu-i386 /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
119 @end example
120
121 @end itemize
122
123 @section Wine launch
124
125 @itemize
126
127 @item Ensure that you have a working QEMU with the x86 glibc
128 distribution (see previous section). In order to verify it, you must be
129 able to do:
130
131 @example
132 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
133 @end example
134
135 @item Download the binary x86 Wine install
136 (@file{qemu-XXX-i386-wine.tar.gz} on the QEMU web page). 
137
138 @item Configure Wine on your account. Look at the provided script
139 @file{/usr/local/qemu-i386/bin/wine-conf.sh}. Your previous
140 @code{$@{HOME@}/.wine} directory is saved to @code{$@{HOME@}/.wine.org}.
141
142 @item Then you can try the example @file{putty.exe}:
143
144 @example
145 qemu /usr/local/qemu-i386/wine/bin/wine /usr/local/qemu-i386/wine/c/Program\ Files/putty.exe
146 @end example
147
148 @end itemize
149
150 @section Command line options
151
152 @example
153 usage: qemu [-h] [-d] [-L path] [-s size] program [arguments...]
154 @end example
155
156 @table @option
157 @item -h
158 Print the help
159 @item -L path   
160 Set the x86 elf interpreter prefix (default=/usr/local/qemu-i386)
161 @item -s size
162 Set the x86 stack size in bytes (default=524288)
163 @end table
164
165 Debug options:
166
167 @table @option
168 @item -d
169 Activate log (logfile=/tmp/qemu.log)
170 @item -p pagesize
171 Act as if the host page size was 'pagesize' bytes
172 @end table
173
174 @chapter QEMU Internals
175
176 @section QEMU compared to other emulators
177
178 Unlike bochs [3], QEMU emulates only a user space x86 CPU. It means that
179 you cannot launch an operating system with it. The benefit is that it is
180 simpler and faster due to the fact that some of the low level CPU state
181 can be ignored (in particular, no virtual memory needs to be emulated).
182
183 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
184 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
185 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory accesses
186 as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data as
187 Valgrind does). Valgrind dynamic translator generates better code than
188 QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely tied
189 to an x86 host.
190
191 EM86 [4] is the closest project to QEMU (and QEMU still uses some of its
192 code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited to an alpha
193 host and used a proprietary and slow interpreter (the interpreter part
194 of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
195
196 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
197 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
198 executables. Such an approach as greater potential because most of the
199 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
200 because all the data structures and function parameters exchanged
201 between the API and the x86 code must be converted.
202
203 @section Portable dynamic translation
204
205 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
206 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
207 are very complicated and highly CPU dependant. QEMU uses some tricks
208 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
209 performances.
210
211 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
212 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
213 code (see @file{op-i386.c}). Then a compile time tool (@file{dyngen})
214 takes the corresponding object file (@file{op-i386.o}) to generate a
215 dynamic code generator which concatenates the simple instructions to
216 build a function (see @file{op-i386.h:dyngen_code()}).
217
218 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
219 compile time. 
220
221 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
222 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
223 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
224 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
225 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
226
227 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
228
229 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
230 state of the virtual CPU.
231
232 @section Register allocation
233
234 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
235 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
236 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
237 doing complicated register allocation.
238
239 @section Condition code optimisations
240
241 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
242 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
243 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
244 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
245 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
246 @code{CC_OP}).
247
248 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
249 because it is known at translation time.
250
251 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
252 generated simple instructions (see
253 @code{translate-i386.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
254 the condition codes are not needed by the next instructions, no
255 condition codes are computed at all.
256
257 @section CPU state optimisations
258
259 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
260 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
261 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
262 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
263 base, then the translator does not even generate an addition for the
264 segment base.
265
266 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
267
268 @section Translation cache
269
270 A 2MByte cache holds the most recently used translations. For
271 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
272 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
273 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
274 translator cannot deduce statically).
275
276 @section Direct block chaining
277
278 After each translated basic block is executed, QEMU uses the simulated
279 Program Counter (PC) and other cpu state informations (such as the CS
280 segment base value) to find the next basic block.
281
282 In order to accelerate the most common cases where the new simulated PC
283 is known, QEMU can patch a basic block so that it jumps directly to the
284 next one.
285
286 The most portable code uses an indirect jump. An indirect jump makes it
287 easier to make the jump target modification atomic. On some
288 architectures (such as PowerPC), the @code{JUMP} opcode is directly
289 patched so that the block chaining has no overhead.
290
291 @section Self-modifying code and translated code invalidation
292
293 Self-modifying code is a special challenge in x86 emulation because no
294 instruction cache invalidation is signaled by the application when code
295 is modified.
296
297 When translated code is generated for a basic block, the corresponding
298 host page is write protected if it is not already read-only (with the
299 system call @code{mprotect()}). Then, if a write access is done to the
300 page, Linux raises a SEGV signal. QEMU then invalidates all the
301 translated code in the page and enables write accesses to the page.
302
303 Correct translated code invalidation is done efficiently by maintaining
304 a linked list of every translated block contained in a given page. Other
305 linked lists are also maintained to undo direct block chaining. 
306
307 Althought the overhead of doing @code{mprotect()} calls is important,
308 most MSDOS programs can be emulated at reasonnable speed with QEMU and
309 DOSEMU.
310
311 Note that QEMU also invalidates pages of translated code when it detects
312 that memory mappings are modified with @code{mmap()} or @code{munmap()}.
313
314 @section Exception support
315
316 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
317 encountered. 
318
319 The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get invalid
320 memory accesses. The exact CPU state can be retrieved because all the
321 x86 registers are stored in fixed host registers. The simulated program
322 counter is found by retranslating the corresponding basic block and by
323 looking where the host program counter was at the exception point.
324
325 The virtual CPU cannot retrieve the exact @code{EFLAGS} register because
326 in some cases it is not computed because of condition code
327 optimisations. It is not a big concern because the emulated code can
328 still be restarted in any cases.
329
330 @section Linux system call translation
331
332 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
333 the parameters of the system calls can be converted to fix the
334 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
335 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
336
337 QEMU supports host CPUs which have pages bigger than 4KB. It records all
338 the mappings the process does and try to emulated the @code{mmap()}
339 system calls in cases where the host @code{mmap()} call would fail
340 because of bad page alignment.
341
342 @section Linux signals
343
344 Normal and real-time signals are queued along with their information
345 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
346 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
347 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
348 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
349 from the virtual signal handler.
350
351 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
352 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
353 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
354
355 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
356 that most signal system calls can be redirected directly to the host
357 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
358 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
359
360 @section clone() system call and threads
361
362 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
363 uses the host clone() system call so that real host threads are created
364 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
365 thread.
366
367 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
368 that their semantic is preserved.
369
370 Note that currently there are still some locking issues in QEMU. In
371 particular, the translated cache flush is not protected yet against
372 reentrancy.
373
374 @section Self-virtualization
375
376 QEMU was conceived so that ultimately it can emulate itself. Althought
377 it is not very useful, it is an important test to show the power of the
378 emulator.
379
380 Achieving self-virtualization is not easy because there may be address
381 space conflicts. QEMU solves this problem by being an executable ELF
382 shared object as the ld-linux.so ELF interpreter. That way, it can be
383 relocated at load time.
384
385 @section Bibliography
386
387 @table @asis
388
389 @item [1] 
390 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
391 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
392 Riccardi.
393
394 @item [2]
395 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
396 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
397
398 @item [3]
399 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
400 by Kevin Lawton et al.
401
402 @item [4]
403 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
404 x86 emulator on Alpha-Linux.
405
406 @item [5]
407 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
408 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
409 Chernoff and Ray Hookway.
410
411 @item [6]
412 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
413 Willows Software.
414
415 @end table
416
417 @chapter Regression Tests
418
419 In the directory @file{tests/}, various interesting x86 testing programs
420 are available. There are used for regression testing.
421
422 @section @file{hello}
423
424 Very simple statically linked x86 program, just to test QEMU during a
425 port to a new host CPU.
426
427 @section @file{test-i386}
428
429 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
430 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
431 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
432 program and a @code{diff} on the generated output.
433
434 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
435 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
436
437 The Linux system call @code{vm86()} is used to test vm86 emulation.
438
439 Various exceptions are raised to test most of the x86 user space
440 exception reporting.
441
442 @section @file{sha1}
443
444 It is a simple benchmark. Care must be taken to interpret the results
445 because it mostly tests the ability of the virtual CPU to optimize the
446 @code{rol} x86 instruction and the condition code computations.
447