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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. Its main goal is to be able to launch the
16 @code{Wine} Windows API emulator (@url{http://www.winehq.org}) on
17 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 and S390.
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 (experimental).
32
33 @item Generic Linux system call converter, including most ioctls.
34
35 @item clone() emulation using native CPU clone() to use Linux scheduler for threads.
36
37 @item Accurate signal handling by remapping host signals to virtual x86 signals.
38
39 @item The virtual x86 CPU is a library (@code{libqemu}) which can be used 
40 in other projects.
41
42 @item An extensive Linux x86 CPU test program is included @file{tests/test-i386}. 
43 It can be used to test other x86 virtual CPUs.
44
45 @end itemize
46
47 Current QEMU Limitations:
48
49 @itemize 
50
51 @item Not all x86 exceptions are precise (yet). [Very few programs need that].
52
53 @item Not self virtualizable (yet). [You cannot launch qemu with qemu on the same CPU].
54
55 @item No support for self modifying code (yet). [Very few programs need that, a notable exception is QEMU itself !].
56
57 @item No SSE/MMX support (yet).
58
59 @item No x86-64 support.
60
61 @item Some Linux syscalls are missing.
62
63 @item The x86 segment limits and access rights are not tested at every 
64 memory access (and will never be to have good performances).
65
66 @item On non x86 host CPUs, @code{double}s are used instead of the non standard 
67 10 byte @code{long double}s of x86 for floating point emulation to get
68 maximum performances.
69
70 @end itemize
71
72 @chapter Invocation
73
74 @section Quick Start
75
76 In order to launch a Linux process, QEMU needs the process executable
77 itself and all the target (x86) dynamic libraries used by it. 
78
79 @itemize
80
81 @item On x86, you can just try to launch any process by using the native
82 libraries:
83
84 @example 
85 qemu -L / /bin/ls
86 @end example
87
88 @code{-L /} tells that the x86 dynamic linker must be searched with a
89 @file{/} prefix.
90
91
92 @item On non x86 CPUs, you need first to download at least an x86 glibc
93 (@file{qemu-i386-glibc21.tar.gz} on the QEMU web page). Ensure that
94 @code{LD_LIBRARY_PATH} is not set:
95
96 @example
97 unset LD_LIBRARY_PATH 
98 @end example
99
100 Then you can launch the precompiled @file{ls} x86 executable:
101
102 @example
103 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
104 @end example
105 You can look at @file{/usr/local/qemu-i386/bin/qemu-conf.sh} so that
106 QEMU is automatically launched by the Linux kernel when you try to
107 launch x86 executables. It requires the @code{binfmt_misc} module in the
108 Linux kernel.
109
110 @end itemize
111
112 @section Wine launch (Currently only tested when emulating x86 on x86)
113
114 @itemize
115
116 @item Ensure that you have a working QEMU with the x86 glibc
117 distribution (see previous section). In order to verify it, you must be
118 able to do:
119
120 @example
121 qemu /usr/local/qemu-i386/bin/ls-i386
122 @end example
123
124 @item Download the binary x86 Wine install
125 (@file{qemu-i386-wine.tar.gz} on the QEMU web page). 
126
127 @item Configure Wine on your account. Look at the provided script
128 @file{/usr/local/qemu-i386/bin/wine-conf.sh}. Your previous
129 @code{$@{HOME@}/.wine} directory is saved to @code{$@{HOME@}/.wine.org}.
130
131 @item Then you can try the example @file{putty.exe}:
132
133 @example
134 qemu /usr/local/qemu-i386/wine/bin/wine /usr/local/qemu-i386/wine/c/Program\ Files/putty.exe
135 @end example
136
137 @end itemize
138
139 @section Command line options
140
141 @example
142 usage: qemu [-h] [-d] [-L path] [-s size] program [arguments...]
143 @end example
144
145 @table @samp
146 @item -h
147 Print the help
148 @item -d
149 Activate log (logfile=/tmp/qemu.log)
150 @item -L path   
151 Set the x86 elf interpreter prefix (default=/usr/local/qemu-i386)
152 @item -s size
153 Set the x86 stack size in bytes (default=524288)
154 @end table
155
156 @chapter QEMU Internals
157
158 @section QEMU compared to other emulators
159
160 Unlike bochs [3], QEMU emulates only a user space x86 CPU. It means that
161 you cannot launch an operating system with it. The benefit is that it is
162 simpler and faster due to the fact that some of the low level CPU state
163 can be ignored (in particular, no virtual memory needs to be emulated).
164
165 Like Valgrind [2], QEMU does user space emulation and dynamic
166 translation. Valgrind is mainly a memory debugger while QEMU has no
167 support for it (QEMU could be used to detect out of bound memory accesses
168 as Valgrind, but it has no support to track uninitialised data as
169 Valgrind does). Valgrind dynamic translator generates better code than
170 QEMU (in particular it does register allocation) but it is closely tied
171 to an x86 host.
172
173 EM86 [4] is the closest project to QEMU (and QEMU still uses some of its
174 code, in particular the ELF file loader). EM86 was limited to an alpha
175 host and used a proprietary and slow interpreter (the interpreter part
176 of the FX!32 Digital Win32 code translator [5]).
177
178 TWIN [6] is a Windows API emulator like Wine. It is less accurate than
179 Wine but includes a protected mode x86 interpreter to launch x86 Windows
180 executables. Such an approach as greater potential because most of the
181 Windows API is executed natively but it is far more difficult to develop
182 because all the data structures and function parameters exchanged
183 between the API and the x86 code must be converted.
184
185 @section Portable dynamic translation
186
187 QEMU is a dynamic translator. When it first encounters a piece of code,
188 it converts it to the host instruction set. Usually dynamic translators
189 are very complicated and highly CPU dependant. QEMU uses some tricks
190 which make it relatively easily portable and simple while achieving good
191 performances.
192
193 The basic idea is to split every x86 instruction into fewer simpler
194 instructions. Each simple instruction is implemented by a piece of C
195 code (see @file{op-i386.c}). Then a compile time tool (@file{dyngen})
196 takes the corresponding object file (@file{op-i386.o}) to generate a
197 dynamic code generator which concatenates the simple instructions to
198 build a function (see @file{op-i386.h:dyngen_code()}).
199
200 In essence, the process is similar to [1], but more work is done at
201 compile time. 
202
203 A key idea to get optimal performances is that constant parameters can
204 be passed to the simple operations. For that purpose, dummy ELF
205 relocations are generated with gcc for each constant parameter. Then,
206 the tool (@file{dyngen}) can locate the relocations and generate the
207 appriopriate C code to resolve them when building the dynamic code.
208
209 That way, QEMU is no more difficult to port than a dynamic linker.
210
211 To go even faster, GCC static register variables are used to keep the
212 state of the virtual CPU.
213
214 @section Register allocation
215
216 Since QEMU uses fixed simple instructions, no efficient register
217 allocation can be done. However, because RISC CPUs have a lot of
218 register, most of the virtual CPU state can be put in registers without
219 doing complicated register allocation.
220
221 @section Condition code optimisations
222
223 Good CPU condition codes emulation (@code{EFLAGS} register on x86) is a
224 critical point to get good performances. QEMU uses lazy condition code
225 evaluation: instead of computing the condition codes after each x86
226 instruction, it just stores one operand (called @code{CC_SRC}), the
227 result (called @code{CC_DST}) and the type of operation (called
228 @code{CC_OP}).
229
230 @code{CC_OP} is almost never explicitely set in the generated code
231 because it is known at translation time.
232
233 In order to increase performances, a backward pass is performed on the
234 generated simple instructions (see
235 @code{translate-i386.c:optimize_flags()}). When it can be proved that
236 the condition codes are not needed by the next instructions, no
237 condition codes are computed at all.
238
239 @section CPU state optimisations
240
241 The x86 CPU has many internal states which change the way it evaluates
242 instructions. In order to achieve a good speed, the translation phase
243 considers that some state information of the virtual x86 CPU cannot
244 change in it. For example, if the SS, DS and ES segments have a zero
245 base, then the translator does not even generate an addition for the
246 segment base.
247
248 [The FPU stack pointer register is not handled that way yet].
249
250 @section Translation cache
251
252 A 2MByte cache holds the most recently used translations. For
253 simplicity, it is completely flushed when it is full. A translation unit
254 contains just a single basic block (a block of x86 instructions
255 terminated by a jump or by a virtual CPU state change which the
256 translator cannot deduce statically).
257
258 [Currently, the translated code is not patched if it jumps to another
259 translated code].
260
261 @section Exception support
262
263 longjmp() is used when an exception such as division by zero is
264 encountered. The host SIGSEGV and SIGBUS signal handlers are used to get
265 invalid memory accesses. 
266
267 [Currently, the virtual CPU cannot retrieve the exact CPU state in some
268 exceptions, although it could except for the @code{EFLAGS} register].
269
270 @section Linux system call translation
271
272 QEMU includes a generic system call translator for Linux. It means that
273 the parameters of the system calls can be converted to fix the
274 endianness and 32/64 bit issues. The IOCTLs are converted with a generic
275 type description system (see @file{ioctls.h} and @file{thunk.c}).
276
277 @section Linux signals
278
279 Normal and real-time signals are queued along with their information
280 (@code{siginfo_t}) as it is done in the Linux kernel. Then an interrupt
281 request is done to the virtual CPU. When it is interrupted, one queued
282 signal is handled by generating a stack frame in the virtual CPU as the
283 Linux kernel does. The @code{sigreturn()} system call is emulated to return
284 from the virtual signal handler.
285
286 Some signals (such as SIGALRM) directly come from the host. Other
287 signals are synthetized from the virtual CPU exceptions such as SIGFPE
288 when a division by zero is done (see @code{main.c:cpu_loop()}).
289
290 The blocked signal mask is still handled by the host Linux kernel so
291 that most signal system calls can be redirected directly to the host
292 Linux kernel. Only the @code{sigaction()} and @code{sigreturn()} system
293 calls need to be fully emulated (see @file{signal.c}).
294
295 @section clone() system call and threads
296
297 The Linux clone() system call is usually used to create a thread. QEMU
298 uses the host clone() system call so that real host threads are created
299 for each emulated thread. One virtual CPU instance is created for each
300 thread.
301
302 The virtual x86 CPU atomic operations are emulated with a global lock so
303 that their semantic is preserved.
304
305 @section Bibliography
306
307 @table @asis
308
309 @item [1] 
310 @url{http://citeseer.nj.nec.com/piumarta98optimizing.html}, Optimizing
311 direct threaded code by selective inlining (1998) by Ian Piumarta, Fabio
312 Riccardi.
313
314 @item [2]
315 @url{http://developer.kde.org/~sewardj/}, Valgrind, an open-source
316 memory debugger for x86-GNU/Linux, by Julian Seward.
317
318 @item [3]
319 @url{http://bochs.sourceforge.net/}, the Bochs IA-32 Emulator Project,
320 by Kevin Lawton et al.
321
322 @item [4]
323 @url{http://www.cs.rose-hulman.edu/~donaldlf/em86/index.html}, the EM86
324 x86 emulator on Alpha-Linux.
325
326 @item [5]
327 @url{http://www.usenix.org/publications/library/proceedings/usenix-nt97/full_papers/chernoff/chernoff.pdf},
328 DIGITAL FX!32: Running 32-Bit x86 Applications on Alpha NT, by Anton
329 Chernoff and Ray Hookway.
330
331 @item [6]
332 @url{http://www.willows.com/}, Windows API library emulation from
333 Willows Software.
334
335 @end table
336
337 @chapter Regression Tests
338
339 In the directory @file{tests/}, various interesting x86 testing programs
340 are available. There are used for regression testing.
341
342 @section @file{hello}
343
344 Very simple statically linked x86 program, just to test QEMU during a
345 port to a new host CPU.
346
347 @section @file{test-i386}
348
349 This program executes most of the 16 bit and 32 bit x86 instructions and
350 generates a text output. It can be compared with the output obtained with
351 a real CPU or another emulator. The target @code{make test} runs this
352 program and a @code{diff} on the generated output.
353
354 The Linux system call @code{modify_ldt()} is used to create x86 selectors
355 to test some 16 bit addressing and 32 bit with segmentation cases.
356
357 @section @file{testsig}
358
359 This program tests various signal cases, including SIGFPE, SIGSEGV and
360 SIGILL.
361
362 @section @file{testclone}
363
364 Tests the @code{clone()} system call (basic test).
365
366 @section @file{testthread}
367
368 Tests the glibc threads (more complicated than @code{clone()} because signals
369 are also used).
370
371 @section @file{sha1}
372
373 It is a simple benchmark. Care must be taken to interpret the results
374 because it mostly tests the ability of the virtual CPU to optimize the
375 @code{rol} x86 instruction and the condition code computations.
376
377 @section @file{runcom}
378
379 A very simple MSDOS emulator to test the Linux vm86() system call
380 emulation. The excellent 54 byte @file{pi_10.com} PI number calculator
381 can be launched with it. @file{pi_10.com} was written by Bertram
382 Felgenhauer (more information at @url{http://www.boo.net/~jasonp/pipage.html}).