[hellogcc] [投稿] QEMU Internal - Tiny Code Generator (TCG) 1/2
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- Date: Sat, 1 Oct 2011 16:04:37 +0800
Copyright (c) 2011 陳韋任 (Chen Wen-Ren)
前言
因為工作上的關係，必須接觸 QEMU。雖然網路上有不少文件，但總覺得講得不夠深入。
QEMU 是一個仿真器 (emulator)，可以 process mode 或是 system mode 運行。process
mode 可以運行不同 ISA 同一 OS 的 binary; system mode 可以在當前作業系統上運行
另外一個 OS。我在收集各方資料，閱讀代碼和在郵件列表上發問之後，覺得略有心得。
在此對 QEMU internal 作一個較為深入的介紹。憑我個人之力，難免有疏漏或是錯誤。
權且當作拋磚引玉吧。希望各位不吝指教。
0. 術語、線上資源和技巧
對 QEMU 而言，被仿真的平台被稱為 guest，又稱 target; 運行 QEMU 的平台稱為 host
。QEMU 是利用動態翻譯 (dynamic translation) 的技術將 guest binary 動態翻譯成 host
binary，並交由 host 運行翻譯所得的 host binary。Tiny Code Generator (TCG) 是 QEMU
中負責動態翻譯的組件。對 TCG 而言，target 有不同的含意，它代表 TCG 是針對哪一個
host 生成 host binary。
網路上對 QEMU 有較為完整描述的文件為:
- QEMU, a Fast and Portable Dynamic Translator
- Porting QEMU to Plan 9: QEMU Internals and Port Strategy
然而需要注意的是，上述文件在動態翻譯的部分均是針對 QEMU 0.9 版。QEMU 0.9 版以前是
使用 dyngen 技術; QEMU 0.10 版以後採用 TCG。雖說如此，但在 QEMU 的其它部分差異不大
，上述文件仍可供參考。http://qemu.sourcearchive.com/ 收集了自 QEMU 0.6.1 版至今的
所有 QEMU 源代碼。各位可以邊看文件邊看源代碼。
QEMU 極為依賴 macro，這使得直接閱讀源代碼通常無法確定其函數呼叫，或是執行流程倒底
為何。請在編譯 QEMU 的時候加上 "--extra-cflags="-save-temps""，如此可得展開 marco
的 *.i 檔。
其餘部分請見:
- http://wiki.qemu.org/Documentation/GettingStartedDevelopers
- QEMU 目錄下的 HACKING、CODING_STYLE、tcg/README 和 doc/*
- ISA reference manual。
1. TCG
TCG 是 QEMU 的核心。其基本流程如下:
guest binary -> TCG IR -> host binary
1.1 TCG IR
TCG 定義了一組 IR (intermediate representation)，熟悉 GCC 的各位對此應該不陌生。
TCG IR 大致分成以下幾類:
- Move Operation: mov, movi, ...
- Logic Operation: and, or, xor, shl, shr, ...
- Arithmetic Operation: add, sub, mul, div, ...
- Branch Operation: jmp, br, brcond
- Fuction call: call
- Memory Operation: ld, st
- QEMU specific Operation: tb_exit, goto_tb, qemu_ld/qemu_st
請見 tcg/*，特別是 tcg.i，可以看到 TCGOpcode。tcg/README 也別忘了。TCG 在翻譯 guest
binary 的時候是以一個 translation block (tb) 為單位，其結尾通常是分支指令。
target-ARCH/* 定義了如何將 ARCH binary 反匯編成 TCG IR。tcg/ARCH 定義了如何將
TCG IR 翻譯成 ARCH binary。
1.2 TCG Flow
先介紹一些資料結構:
- gen_opc_buf 和 gen_opparam_buf (translate-all.c) 分別放置 TCG Opcode 和 Operand。
- 如果使用靜態配置的緩衝區，static_code_gen_buffer (exec.c) 即為 code cache，放置
host binary。
- 在跳入/出 code cache 執行之前/後，要執行 prologue/epilogue，請見 code_gen_prologue
(exec.c)。這邊的 prologue/epilogue 就是指 function prologue/epilogue。QEMU 將跳至
code cache (host binary) 執行的過程看成是函式呼叫，故有此 prologue/epilogue。
以 qemu-i386 為例，流程大致如下:
main (linux-user/main.c) -> cpu_exec_init_all (exec.c)
-> cpu_init/cpu_x86_init (target-i386/helper.c)
-> tcg_prologue_init (tcg/tcg.c) -> cpu_loop (linux-user/main.c)
函式名之所以會出現 cpu_init/cpu_x86_init，是因為 QEMU 經常使用 #define 替換函式名。
cpu_init 是 main 裡呼叫的函式，經 #define 替換後，實際上是 cpu_x86_init
(target-i386/helper.c)。GDB 下斷點時請注意此種情況。
這邊只介紹 tcg_prologue_init (tcg/tcg.c) -> cpu_loop (linux-user/main.c) 這一段，因為
這一段跟 TCG 較為相關。容我先講 cpu_loop (linux-user/main.c)。
- cpu_loop (linux-user/main.c) -> cpu_x86_exec/cpu_exec (cpu-exec.c)
cpu_exec 是主要執行迴圈，其結構大致如下:
/* prepare setjmp context for exception handling */
for(;;) {
if (setjmp(env->jmp_env) == 0) { // 例外處理。
}
next_tb = 0; /* force lookup of first TB */
for(;;) {
// 判斷是否有中斷。若有，跳回例外處理。
next_tb = tcg_qemu_tb_exec(tc_ptr); // 跳至 code cache 執行。
}
}
- tcg_prologue_init (tcg/tcg.c) -> tcg_target_qemu_prologue
(tcg/i386/tcg-target.c)
如前所述，QEMU 將跳至 code cache (host binary) 執行的過程看成是函式呼叫。不同平台
的 calling convention 各有不同，tcg_prologue_init 將產生 prologue/epilogue 的工作
轉交 tcg_target_qemu_prologue。
static void tcg_target_qemu_prologue(TCGContext *s)
{
/* QEMU (cpu_exec) -> 入棧 */
// OPC_GRP5 (0xff) 為 call，EXT5_JMPN_Ev 是其 opcode extension。
// tcg_target_call_iarg_regs 是函式呼叫負責傳遞參數的暫存器。
tcg_out_modrm(s, OPC_GRP5, EXT5_JMPN_Ev, tcg_target_call_iarg_regs[0]); // 跳至
code cache 執行
// 此時，s->code_ptr 指向 code_gen_prologue 中 prologue 和 jmp to code cache 之後的位址。
// tb_ret_addr 是紀錄 code cache 跳回 code_gen_prologue 的哪個地方。
tb_ret_addr = s->code_ptr;
/* 出棧 -> 返回 QEMU (cpu_exec)，確切的講是返回 tcg_qemu_tb_exec */
}
這邊小結一下 QEMU -> prologue -> code cache -> epilogue -> QEMU。tb_ret_addr 就是用來由
code cache 返回至 code_gen_prologue，執行 epilogue，再返回 QEMU。
在介紹 cpu_exec 之前，我先介紹幾個 QEMU 資料結構，請善用 http://qemu.sourcearchive.com/ 。
我們要知道所謂仿真或是虛擬化一個 CPU (ISA)，簡單來說就是用一個資料結構 (struct) 儲存該
CPU 的狀態。執行該虛擬 CPU，就是從內存中讀取該虛擬 CPU 的資料結構，運算後再存回去。
- CPUX86State: 保存 x86 register，eflags，eip，cs，...。不同 ISA 之間通用的資料結構被
QEMU #define 成 CPU_COMMON。一般稱此資料結構為 CPUState。下文所提 env 即為 CPUState。
QEMU 運行虛擬 CPU 都會利用 env 這個變數。
- TranslationBlock: 之前說過，QEMU 是以一個 translation block 為單位進行翻譯。其中保存
此 translation block 對應 guest binary 的 pc, cs_base, eflags。另外，tc_ptr 指向 code
cache (host binary)。其它欄位待以後再談。
code cache (host binary)
struct TranslationBlock's tb_ptr -> tb
上面是示意圖。注意! 依照上下文的不同，TB (tb) 可能是指 struct TranslationBlock，也有
可能是指 code cache (host binary) 中 TranslationBlock 所指向的 tb。
- PageDesc: 主要保存 guest page 中的第一個 tb (TranslationBlock *)。這跟 QEMU 內部運作
機制有關。某些情況下，guest page (guest binary) 可能被替換或是被寫。這個時候，QEMU
會以 guest page (guest binary) 為單位，清空與它相關聯的 TB (code cache)。這時再回來講
TranslationBlock。TranslationBlock 有底下兩個欄位:
- page_addr[2]: 存放 TranslationBlock 對應 guest binary 所在的 guest page。注意! guest
binary 有可能跨 guest page，故這裡有兩個欄位。
- page_next[2]: 當透過 PageDesc->first_tb 找到該 guest page 的第一個 tb，tb->page_next
就被用來找尋該 guest page 的下一個 tb。
再回來講 PageDesc。QEMU 替 PageDesc 維護了一個二級頁表 l1_map。page_find 這個函式根據
輸入的 address 搜尋 l1_map，返回 PageDesc。這在以 guest page (guest binary) 為單位，
清空與它相關聯的 TB (code cache) 的時候會用到。
有一個名字很像的資料結構叫 PhysPageDesc，QEMU 也替它維護一個二級頁表 l1_phys_map。這是
在 system mode 做地址轉換之用，這邊不談。
- TCGContext: 生成 TCG IR 時會用到。
- DisasContext: 反匯編 guest binary 時會用到。
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Wei-Ren Chen (陳韋任)
Computer Systems Lab, Institute of Information Science,
Academia Sinica, Taiwan (R.O.C.)
Tel:886-2-2788-3799 #1667
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