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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 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). Ensure that
96 @code{LD_LIBRARY_PATH} is not set:
97
98 @example
99 unset LD_LIBRARY_PATH 
100 @end example
101
102 Then you can launch the precompiled @file{ls} x86 executable:
103
104 @example
105 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
106 @end example
107 You can look at @file{/usr/local/qemu-i386/bin/qemu-conf.sh} so that
108 QEMU is automatically launched by the Linux kernel when you try to
109 launch x86 executables. It requires the @code{binfmt_misc} module in the
110 Linux kernel.
111
112 @end itemize
113
114 @section Wine launch (Currently only tested when emulating x86 on x86)
115
116 @itemize
117
118 @item Ensure that you have a working QEMU with the x86 glibc
119 distribution (see previous section). In order to verify it, you must be
120 able to do:
121
122 @example
123 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
124 @end example
125
126 @item Download the binary x86 wine install
127 (@file{qemu-i386-wine.tar.gz} on the QEMU web page). 
128
129 @item Configure wine on your account. Look at the provided script
130 @file{/usr/local/qemu-i386/bin/wine-conf.sh}. Your previous
131 @code{$@{HOME@}/.wine} directory is saved to @code{$@{HOME@}/.wine.org}.
132
133 @item Then you can try the example @file{putty.exe}:
134
135 @example
136 qemu /usr/local/qemu-i386/wine/bin/wine /usr/local/qemu-i386/wine/c/Program\ Files/putty.exe
137 @end example
138
139 @end itemize
140
141 @section Command line options
142
143 @example
144 usage: qemu [-h] [-d] [-L path] [-s size] program [arguments...]
145 @end example
146
147 @table @samp
148 @item -h
149 Print the help
150 @item -d
151 Activate log (logfile=/tmp/qemu.log)
152 @item -L path   
153 Set the x86 elf interpreter prefix (default=/usr/local/qemu-i386)
154 @item -s size
155 Set the x86 stack size in bytes (default=524288)
156 @end table
157
158 @chapter QEMU Internals
159
160 @section QEMU compared to other emulators
161
162 Unlike bochs [3], QEMU emulates only a user space x86 CPU. It means that
163 you cannot launch an operating system with it. The benefit is that it is
164 simpler and faster due to the fact that some of the low level CPU state
165 can be ignored (in particular, no virtual memory needs to be emulated).
166
167 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
168 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
169 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory accesses
170 as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data as
171 Valgrind does). Valgrind dynamic translator generates better code than
172 QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely tied
173 to an x86 host.
174
175 EM86 [4] is the closest project to QEMU (and QEMU still uses some of its
176 code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited to an alpha
177 host and used a proprietary and slow interpreter (the interpreter part
178 of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
179
180 @section Portable dynamic translation
181
182 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
183 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
184 are very complicated and highly CPU dependant. QEMU uses some tricks
185 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
186 performances.
187
188 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
189 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
190 code (see @file{op-i386.c}). Then a compile time tool (@file{dyngen})
191 takes the corresponding object file (@file{op-i386.o}) to generate a
192 dynamic code generator which concatenates the simple instructions to
193 build a function (see @file{op-i386.h:dyngen_code()}).
194
195 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
196 compile time. 
197
198 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
199 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
200 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
201 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
202 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
203
204 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
205
206 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
207 state of the virtual CPU.
208
209 @section Register allocation
210
211 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
212 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
213 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
214 doing complicated register allocation.
215
216 @section Condition code optimisations
217
218 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
219 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
220 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
221 instruction, it store justs one operand (called @code{CC_CRC}), the
222 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
223 @code{CC_OP}).
224
225 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
226 because it is known at translation time.
227
228 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
229 generated simple instructions (see
230 @code{translate-i386.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
231 the condition codes are not needed by the next instructions, no
232 condition codes are computed at all.
233
234 @section Translation CPU state optimisations
235
236 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
237 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
238 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
239 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
240 base, then the translator does not even generate an addition for the
241 segment base.
242
243 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
244
245 @section Translation cache
246
247 A 2MByte cache holds the most recently used translations. For
248 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
249 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
250 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
251 translator cannot deduce statically).
252
253 [Currently, the translated code is not patched if it jumps to another
254 translated code].
255
256 @section Exception support
257
258 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
259 encountered. The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get
260 invalid memory accesses. 
261
262 [Currently, the virtual CPU cannot retrieve the exact CPU state in some
263 exceptions, although it could except for the @code{EFLAGS} register].
264
265 @section Linux system call translation
266
267 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
268 the parameters of the system calls can be converted to fix the
269 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
270 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
271
272 @section Linux signals
273
274 Normal and real-time signals are queued along with their information
275 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
276 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
277 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
278 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
279 from the virtual signal handler.
280
281 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
282 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
283 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
284
285 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
286 that most signal system calls can be redirected directly to the host
287 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
288 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
289
290 @section clone() system call and threads
291
292 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
293 uses the host clone() system call so that real host threads are created
294 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
295 thread.
296
297 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
298 that their semantic is preserved.
299
300 @section Bibliography
301
302 @table @asis
303
304 @item [1] 
305 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
306 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
307 Riccardi.
308
309 @item [2]
310 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
311 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
312
313 @item [3]
314 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
315 by Kevin Lawton et al.
316
317 @item [4]
318 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
319 x86 emulator on Alpha-Linux.
320
321 @item [5]
322 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
323 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
324 Chernoff and Ray Hookway.
325
326 @end table
327
328 @chapter Regression Tests
329
330 In the directory @file{tests/}, various interesting x86 testing programs
331 are available. There are used for regression testing.
332
333 @section @file{hello}
334
335 Very simple statically linked x86 program, just to test QEMU during a
336 port to a new host CPU.
337
338 @section @file{test-i386}
339
340 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
341 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
342 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
343 program and a @code{diff} on the generated output.
344
345 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
346 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
347
348 @section @file{testsig}
349
350 This program tests various signal cases, including SIGFPE, SIGSEGV and
351 SIGILL.
352
353 @section @file{testclone}
354
355 Tests the @code{clone()} system call (basic test).
356
357 @section @file{testthread}
358
359 Tests the glibc threads (more complicated than @code{clone()} because signals
360 are also used).
361
362 @section @file{sha1}
363
364 It is a simple benchmark. Care must be taken to interpret the results
365 because it mostly tests the ability of the virtual CPU to optimize the
366 @code{rol} x86 instruction and the condition code computations.
367