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qemu 二進位制翻譯 執行流程分析

阿新 • • 發佈：2018-12-30

一.qemu簡介

         qemu是使用動態二進位制翻譯的cpu模擬器，它支援兩種執行模式：全系統模擬和使用者態模擬。在全系統模擬下，qemu可以模擬處理器和各種外設，可以執行作業系統。使用者態可以執行為另外一種cpu編譯的程序，前提是兩者執行的os要一致。qemu使用了動態二進位制翻譯將targetinstruction翻譯成hostinstruction，完成這個工作的是tcg模組。為了移植性和通用性方面的考慮，qemu定義了mirco-op，首先qemu會將targetinstruction翻譯成mirco-op，然後tcg將mirco-op翻譯成host instruction。

Qemu程式碼翻譯流程：target instruction ->micro-op->tcg->host instruction

2.qemu程式碼執行流程：

    1. 這部分主要是建立了一個為執行tcg翻譯和執行的執行緒，它的函式是qemu_tcg_cpu_thread_fn,這個函式會呼叫tcg_exec_all，最後cpu_exec.

main
cpu_init
qemu_init_vcpu
qemu_tcg_init_vcpu

qemu_tcg_cpu_thread_fn

     2.執行主函式(cpu_exec)

                主要是處理中斷異常， 找到程式碼翻譯塊，然後執行.

  1. for(;;) {  
  2. process interruptrequest;  
  3. tb_find_fast();  
  4. tcg_qemu_tb_exec(tc_ptr);  
  5. }  

        qemu會將翻譯好到程式碼塊暫存起來，因此首先會去檢視該pc對應的程式碼是否已經翻譯，如果已經存在直接返回，否則就進入tb_find_slow，進行翻譯。

  1. 139 staticinline TranslationBlock *tb_find_fast(CPUArchState *env)  
  2. 140 {  
  3. 141     TranslationBlock *tb;  
  4. 142     target_ulong cs_base, pc;  
  5. 143     int flags;  
  6. 144   
  7. 145     /* we record a subset of the CPU state. It will 
  8. 146        always be the same before a given translated block 
  9. 147        is executed. */
  10. 148     cpu_get_tb_cpu_state(env, &pc, &cs_base, &flags);  
  11. 149     tb = env->tb_jmp_cache[tb_jmp_cache_hash_func(pc)];  
  12. 150     if (unlikely(!tb || tb->pc != pc || tb->cs_base != cs_base ||  
  13. 151                  tb->flags != flags)) {  
  14. 152         tb = tb_find_slow(env, pc, cs_base, flags);  
  15. 153     }  
  16. 154     return tb;  
  17. 155 }  

       進入tb_find_slow後會呼叫tb_gen_code，首先分配TranslationBlock描述符，將要翻譯的pc等資訊記錄下來，然後呼叫cpu_gen_code，這個函式完成程式碼翻譯工作。qemu將翻譯好的程式碼存在一個緩衝區裡面。

  1. 1029 TranslationBlock *tb_gen_code(CPUArchState *env,  
  2. 1030                               target_ulong pc, target_ulong cs_base,  
  3. 1031                               int flags, int cflags)  
  4. 1032 {            
  5. 1033     TranslationBlock *tb;  
  6. 1034     uint8_t *tc_ptr;  
  7. 1035     tb_page_addr_t phys_pc, phys_page2;  
  8. 1036     target_ulong virt_page2;  
  9. 1037     int code_gen_size;  
  10. 1038      
  11. 1039     phys_pc = get_page_addr_code(env, pc);  
  12. 1040     tb = tb_alloc(pc);  
  13. 1041     if (!tb) {  
  14. 1042         /* flush must be done */
  15. 1043         tb_flush(env);  
  16. 1044         /* cannot fail at this point */
  1. 1045         tb = tb_alloc(pc);  
  2. 1046         /* Don't forget to invalidate previous TB info.  */
  3. 1047         tb_invalidated_flag = 1;  
  4. 1048     }  
  5. 1049     tc_ptr = code_gen_ptr;  
  6. 1050     tb->tc_ptr = tc_ptr;  
  7. 1051     tb->cs_base = cs_base;  
  8. 1052     tb->flags = flags;  
  9. 1053     tb->cflags = cflags;  
  10. 1054     cpu_gen_code(env, tb, &code_gen_size);  
  11. 1055     code_gen_ptr = (void *)(((uintptr_t)code_gen_ptr + code_gen_size +  
  12. 1056                              CODE_GEN_ALIGN - 1) & ~(CODE_GEN_ALIGN - 1));  
  13. 1057   
  14. 1058     /* check next page if needed */
  15. 1059     virt_page2 = (pc + tb->size - 1) & TARGET_PAGE_MASK;  
  16. 1060     phys_page2 = -1;  
  17. 1061     if ((pc & TARGET_PAGE_MASK) != virt_page2) {  
  18. 1062         phys_page2 = get_page_addr_code(env, virt_page2);  
  19. 1063     }  
  20. 1064     tb_link_page(tb, phys_pc, phys_page2);  
  21. 1065     return tb;  
  22. 1066 }  

      在cpu_gen_code裡面首先是將targetinstruction翻譯成micro-op，然後將mirco-op翻譯成host機器碼。

  1. 54 int cpu_gen_code(CPUArchState *env, TranslationBlock *tb, int *gen_code_size_ptr)  
  2.  55 {  
  3.  56     TCGContext *s = &tcg_ctx;  
  4.  57     uint8_t *gen_code_buf;  
  5.  58     int gen_code_size;  
  6.  59 #ifdef CONFIG_PROFILER  
  7.  60     int64_t ti;  
  8.  61 #endif  
  9.  62   
  10.  63 #ifdef CONFIG_PROFILER  
  11.  64     s->tb_count1++; /* includes aborted translations because of 
  12.  65                        exceptions */
  13.  66     ti = profile_getclock();  
  14.  67 #endif  
  15.  68     tcg_func_start(s);  
  16.  69   
  17.  70     gen_intermediate_code(env, tb);  
  18.  71   
  19.  72     /* generate machine code */
  20.  73     gen_code_buf = tb->tc_ptr;  
  21.  74     tb->tb_next_offset[0] = 0xffff;  
  22.  75     tb->tb_next_offset[1] = 0xffff;  
  23.  76     s->tb_next_offset = tb->tb_next_offset;  
  24.  77 #ifdef USE_DIRECT_JUMP  
  25.  78     s->tb_jmp_offset = tb->tb_jmp_offset;  
  26.  79     s->tb_next = NULL;  
  27.  80 #else
  28.  81     s->tb_jmp_offset = NULL;  
  29.  82     s->tb_next = tb->tb_next;  
  30.  83 #endif  
  31.  84   
  32.  85 #ifdef CONFIG_PROFILER  
  33.  86     s->tb_count++;  
  34.  87     s->interm_time += profile_getclock() - ti;  
  35.  88     s->code_time -= profile_getclock();  
  36.  89 #endif  
  37.  90     gen_code_size = tcg_gen_code(s, gen_code_buf);  
  38.  91     *gen_code_size_ptr = gen_code_size;  
  39.  92 #ifdef CONFIG_PROFILER  
  40.  93     s->code_time += profile_getclock();  
  41.  94     s->code_in_len += tb->size;  
  42.  95     s->code_out_len += gen_code_size;  
  43.  96 #endif  
  44.  97   
  45.  98 #ifdef DEBUG_DISAS  
  46.  99     if (qemu_loglevel_mask(CPU_LOG_TB_OUT_ASM)) {  
  47. 100         qemu_log("OUT: [size=%d]\n", *gen_code_size_ptr);  
  48. 101         log_disas(tb->tc_ptr, *gen_code_size_ptr);  
  49. 102         qemu_log("\n");  
  50. 103         qemu_log_flush();  
  51. 104     }  
  52. 105 #endif  
  53. 106     return 0;  
  54. 107 }  

       qemu將target翻譯成中間碼時，將操作碼和運算元分開儲存，分別存在gen_opc_buf和gen_opparam_buf中。翻譯的過程就是不斷向gen_opc_buf和gen_opparam_buf中填充操作碼和運算元。接下來就是tcg_gen_code.

  1. 2175 int tcg_gen_code(TCGContext *s, uint8_t *gen_code_buf)  
  2. 2176 {  
  3. 2177 #ifdef CONFIG_PROFILER  
  4. 2178     {  
  5. 2179         int n;  
  6. 2180         n = (gen_opc_ptr - gen_opc_buf);  
  7. 2181         s->op_count += n;  
  8. 2182         if (n > s->op_count_max)  
  9. 2183             s->op_count_max = n;  

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