QEMU介绍

来源：互联网发布：三维机械建模软件编辑：程序博客网时间：2024/06/01 07:47

QEMU 作为开源界最热门的 Emulator，被广泛的应用在诸如内核调试，跨平台开发等领域。例如现在很火的 Android 上的手机应用开发，就需要用到的基于 QEMU 的 Android Emulator。

QEMU Internals

首先介绍一下 QEMU 中访存相关的几个设计，由于接触 QEMU 源代码时间还不长，如有什么疏漏还请各位大牛指正。

TB (Translation Block) 是 QEMU 中指令翻译的基本单位，一般为 Guest Code 中的 Basic Block。如下图所示，Guest Code 通过 QEMU 以 TB 为基本单位动态的翻译并被放入 Translation Cache 中

TCG

自 0.9.1 版本之后的 QEMU (0.12.5) 采用了名为 TCG (Tiny Code Genertor) 的机制以实现独立于编译器的动态指令翻译，依照 Guest Code –> TCG Code –> Host Code 的顺序执行翻译流程，如下图所示。

Step 1. 以 TB 为单位读入当前 PC 位置的 Guest Code

Step 2. 生成 TCG Code。其中与访存相关的 TCG 指令只有两条：ld 和 st。

Step 3. 翻译 TCG Code 为 Host Code。到此就实现了由 Guest 到 Host 的翻译过程，需要注意的是，由 TCG 带来的抽象可以帮助开发人员将 Guest 与 Host 的对应关系分离出来，以提高开发效率。

Chain

以 TB 为单位的指令动态翻译和 TB Cache 的应用，为 Translated Code 的重用提供了机会。为了进一步提高性能，需要尽可能的减少 Guest Code 与 QEMU Translation Code 之间的切换。对于 TB Cache 中的 TB，在确定了各 TB 之间的跳转顺序后，可以将各个 TB 链接起来，即形成 TB Chain，让 TB 间直接跳转，而不需要切换回 QEMU。

一个典型的 Chain 如下图所示，每次由 TB 返回到 QEMU 时将下一个 TB 链接到上一个 TB，以帮助各 TB 可以直接跳转到下一个 TB 的 PC：

需要注意的是，为了能够正确响应并处理 Guest 的中断与异常，必须在检测到中断时，将 TB Unchain，并切换回 QEMU 进行处理。

Soft MMU

对于全系统模拟，QEMU 提供了 Soft MMU 机制实现了软件模拟的 MMU 与 TLB，以提高由 Guest 虚拟地址到 Host 虚拟地址的转换效率。由于 Soft MMU 本身较为复杂，当前版本中的 QEMU 使用 helper function 来实现其功能，具体的实现可以参见此文

Watch Point

QEMU 本身提供了一套 Debug 接口，通过定义各种 handle function，并为特定地址的访存行为插入相应的 watchpoint，以实现在运行时侦测到指定的行为并做出一定的行为（如生产 Trace 或者提供额外的 Assert）。

Memory Tracing Hack

对于 QEMU 的 Memory Tracing Hack，在 Qemu-devel 的邮件列表中被提到过多次，但至今还没有人能提供好用的 Patch。本文大致上总结了以下几种可能的实现方案：

TCG Hack

位于 target-$arch 目录下的 translate.c 文件实现了 Guest 到 TCG 的翻译，通过添加形如以下代码的宏，在 TCG 的 ld/st 指令之前加入 trace 相关的 TCG Code 或者调用 Helper function。

#define tcg_gen_qemu_ld32u(arg, addr, mem_index)                             \{                                                                            \    GEN_TRACE(TRACE_MEM_LOAD, TRACE_MEM_SIZE_LONG, addr);                    \    (tcg_gen_qemu_ld32u)(arg, addr, mem_index);                              \}

Host Assembly Hack

位于 tcg/$arch/ 目录下的 tcg-target.c 文件实现了 TCG 到 Host 的翻译，通过往 tcg_out_qemu_ld() 与 tcg_out_qemu_st() 函数中插入 Trace 相关的 Assembly Code 可以非常方便的记录下 Guest 的访存行为。需要注意的是，这儿一定要注意寄存器与 CPU 状态的保护。对于 i386/x86_64 体系来说，通过构建并输出 opc 为 0x89/0x8b 的 mov 指令将 Trace 记录到 Trace Buffer 中。

SoftMMU Hack

对于全系统模拟，直接 Hack SoftMMU 模块显得更为简单有效，通过往 softmmu-template.c 文件中的 glue(glue(__ld, SUFFIX), MMUSUFFIX)(addr, mem_index) /glue(glue(__st, SUFFIX), MMUSUFFIX)(addr, mem_index) 函数直接添加 C 代码可以方便的记录所需要的 Trace，其中 SUFFIX 表示 ld/st 的长度, addr 为 Guest 访存地址，mem_index 为相应的偏移量。

总结

QEMU 的早期版本非常 Tricky，比如 0.9.1 之前的 QEMU 依赖于特定版本的 GCC。之后由于 TCG 的引入，QEMU 在抽象层面变得更加清晰。但 TCG 带来的复杂性的提高却为各种 Hack 增加了难度，在过去的一个月，我几乎天天都在和 segfault 打交道。但是通过阅读和修改 QEMU 的代码，对于体系结构的理解更加深入和清晰了。

如果你对 QEMU 相关的开发与研究感兴趣，欢迎加入 Qemu-devel 邮件列表参加相关讨论，或者可以直接邮件联系我。

Posted by Max Lv Oct 1st, 2010 IT

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