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glibc2.2 fixes - more command line options - misc doc fixes
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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 or ARM. By
14 using dynamic translation it achieves a reasonnable speed while being
15 easy to port on new host CPUs. An obviously interesting x86 only process
16 is 'wine' (Windows emulation).
17
18 QEMU features:
19
20 @itemize 
21
22 @item User space only x86 emulator.
23
24 @item Currently ported on i386 and PowerPC.
25
26 @item Using dynamic translation for reasonnable speed.
27
28 @item The virtual x86 CPU supports 16 bit and 32 bit addressing with segmentation. 
29 User space LDT and GDT are emulated.
30
31 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
32
33 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
34
35 @item Accurate signal handling by remapping host signals to virtual x86 signals.
36
37 @item The virtual x86 CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
38 in other projects.
39
40 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}. 
41 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
42
43 @end itemize
44
45 Current QEMU Limitations:
46
47 @itemize 
48
49 @item Not all x86 exceptions are precise (yet). [Very few programs need that].
50
51 @item Not self virtualizable (yet). [You cannot launch qemu with qemu on the same CPU].
52
53 @item No support for self modifying code (yet). [Very few programs need that, a notable exception is QEMU itself !].
54
55 @item No VM86 mode (yet), althought the virtual
56 CPU has support for most of it. [VM86 support is useful to launch old 16
57 bit DOS programs with dosemu or wine].
58
59 @item No SSE/MMX support (yet).
60
61 @item No x86-64 support.
62
63 @item Some Linux syscalls are missing.
64
65 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every 
66 memory access (and will never be to have good performances).
67
68 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
69 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
70 maximum performances.
71
72 @end itemize
73
74 @chapter Invocation
75
76 @section Quick Start
77
78 In order to launch a Linux process, QEMU needs the process executable
79 itself and all the target (x86) dynamic libraries used by it. 
80
81 @itemize
82
83 @item On x86, you can just try to launch any process by using the native
84 libraries:
85
86 @example 
87 qemu -L / /bin/ls
88 @end example
89
90 @code{-L /} tells that the x86 dynamic linker must be searched with a
91 @file{/} prefix.
92
93
94 @item On non x86 CPUs, you need first to download at least an x86 glibc
95 (@file{qemu-i386-glibc21.tar.gz} on the QEMU web page). Then you can
96 launch the precompiled @file{ls} x86 executable:
97 @example
98 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls
99 @end example
100 You can look at @file{/usr/local/qemu-i386/bin/qemu-conf.sh} so that QEMU is automatically
101 launched by the Linux kernel when you try to launch x86 executables. It
102 requires the @code{binfmt_misc} module in the Linux kernel.
103
104 @end itemize
105
106 @section Command line options
107
108 @example
109 usage: qemu [-h] [-d] [-L path] [-s size] program [arguments...]
110 @end example
111
112 @table @samp
113 @item -h
114 Print the help
115 @item -d
116 Activate log (logfile=/tmp/qemu.log)
117 @item -L path   
118 Set the x86 elf interpreter prefix (default=/usr/local/qemu-i386)
119 @item -s size
120 Set the x86 stack size in bytes (default=524288)
121 @end table
122
123 @chapter QEMU Internals
124
125 @section QEMU compared to other emulators
126
127 Unlike bochs [3], QEMU emulates only a user space x86 CPU. It means that
128 you cannot launch an operating system with it. The benefit is that it is
129 simpler and faster due to the fact that some of the low level CPU state
130 can be ignored (in particular, no virtual memory needs to be emulated).
131
132 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
133 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
134 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory accesses
135 as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data as
136 Valgrind does). Valgrind dynamic translator generates better code than
137 QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely tied
138 to an x86 host.
139
140 EM86 [4] is the closest project to QEMU (and QEMU still uses some of its
141 code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited to an alpha
142 host and used a proprietary and slow interpreter (the interpreter part
143 of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
144
145 @section Portable dynamic translation
146
147 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
148 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
149 are very complicated and highly CPU dependant. QEMU uses some tricks
150 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
151 performances.
152
153 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
154 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
155 code (see @file{op-i386.c}). Then a compile time tool (@file{dyngen})
156 takes the corresponding object file (@file{op-i386.o}) to generate a
157 dynamic code generator which concatenates the simple instructions to
158 build a function (see @file{op-i386.h:dyngen_code()}).
159
160 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
161 compile time. 
162
163 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
164 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
165 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
166 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
167 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
168
169 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
170
171 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
172 state of the virtual CPU.
173
174 @section Register allocation
175
176 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
177 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
178 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
179 doing complicated register allocation.
180
181 @section Condition code optimisations
182
183 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
184 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
185 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
186 instruction, it store justs one operand (called @code{CC_CRC}), the
187 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
188 @code{CC_OP}).
189
190 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
191 because it is known at translation time.
192
193 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
194 generated simple instructions (see
195 @code{translate-i386.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
196 the condition codes are not needed by the next instructions, no
197 condition codes are computed at all.
198
199 @section Translation CPU state optimisations
200
201 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
202 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
203 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
204 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
205 base, then the translator does not even generate an addition for the
206 segment base.
207
208 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
209
210 @section Translation cache
211
212 A 2MByte cache holds the most recently used translations. For
213 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
214 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
215 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
216 translator cannot deduce statically).
217
218 [Currently, the translated code is not patched if it jumps to another
219 translated code].
220
221 @section Exception support
222
223 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
224 encountered. The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get
225 invalid memory accesses. 
226
227 [Currently, the virtual CPU cannot retrieve the exact CPU state in some
228 exceptions, although it could except for the @code{EFLAGS} register].
229
230 @section Linux system call translation
231
232 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
233 the parameters of the system calls can be converted to fix the
234 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
235 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
236
237 @section Linux signals
238
239 Normal and real-time signals are queued along with their information
240 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
241 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
242 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
243 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
244 from the virtual signal handler.
245
246 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
247 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
248 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
249
250 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
251 that most signal system calls can be redirected directly to the host
252 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
253 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
254
255 @section clone() system call and threads
256
257 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
258 uses the host clone() system call so that real host threads are created
259 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
260 thread.
261
262 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
263 that their semantic is preserved.
264
265 @section Bibliography
266
267 @table @asis
268
269 @item [1] 
270 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
271 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
272 Riccardi.
273
274 @item [2]
275 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
276 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
277
278 @item [3]
279 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
280 by Kevin Lawton et al.
281
282 @item [4]
283 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
284 x86 emulator on Alpha-Linux.
285
286 @item [5]
287 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
288 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
289 Chernoff and Ray Hookway.
290
291 @end table
292
293 @chapter Regression Tests
294
295 In the directory @file{tests/}, various interesting x86 testing programs
296 are available. There are used for regression testing.
297
298 @section @file{hello}
299
300 Very simple statically linked x86 program, just to test QEMU during a
301 port to a new host CPU.
302
303 @section @file{test-i386}
304
305 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
306 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
307 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
308 program and a @code{diff} on the generated output.
309
310 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
311 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
312
313 @section @file{testsig}
314
315 This program tests various signal cases, including SIGFPE, SIGSEGV and
316 SIGILL.
317
318 @section @file{testclone}
319
320 Tests the @code{clone()} system call (basic test).
321
322 @section @file{testthread}
323
324 Tests the glibc threads (more complicated than @code{clone()} because signals
325 are also used).
326
327 @section @file{sha1}
328
329 It is a simple benchmark. Care must be taken to interpret the results
330 because it mostly tests the ability of the virtual CPU to optimize the
331 @code{rol} x86 instruction and the condition code computations.
332