QEMU技术分析1 - 动态翻译（dynamic translation）

才发现驱网上还有这个版块，所以先发2篇，看有没有感兴趣的来讨论一下。

title: QEMU技术分析1 - 动态翻译（dynamic translation）
author: vxasm (http://hi.baidu.com/vxasm)

QEMU的最大亮点就是动态翻译技术，正是由于这个强劲的引擎，使QEMU可以在不使用任何加速技术的情况下也能达到良好的速度，并能够横跨多种平台运行，借助于特定版本的GCC编译器，还能够仿真多种架构的处理器。这里我说的动态翻译指的是QEMU早期版本使用的“dynamic translation”，因为从0.10版本开始使用的是“TCG”，摆脱了对GCC版本的依赖，并且不再需要编译中间工具。

简单来说，动态翻译的基本思想就是把每一条x86指令切分成为若干条微操作，每条微操作由一段简单的C代码来实现（见'target-i386/op.c'），然后通过中间工具（'dyngen'）提取相应的目标文件（'op.o'）来生成一个动态代码生成器，最后把这些微操作组合成一个函数（见'op.h:dyngen_code()'）。

在一个真实的CPU里，执行流程由取指、译指、执行指令三部分组成。在QEMU仿真的处理器中同样如此，取指和执行指令不需多说，关键的是译指这道工序，由反汇编器、dyngen程序、动态代码生成器三部分来共同完成。我的实验环境是X86平台＋0.7.2版本源码，这里我以BIOS启动代码的第一条指令jmp f000:e05b来详细说明，该指令的汇编代码是：EA 5B E0 00 F0，反汇编器首先分析EA，知道这是一条16位的跳转指令，因此接着取出后面的EIP和CS。具体过程在 translate.c:disas_insn() 可见，它被分解为如下几条微操作：

gen_op_movl_T0_im(selector); // 把0xf000放到T0中
gen_op_movl_T1_imu(offset); // 把0xe05b放到T1中
gen_op_movl_seg_T0_vm(offsetof(CPUX86State,segs[R_CS])); // 把T0的值放到env结构的CS段寄存器变量中
gen_op_movl_T0_T1(); // T1 -> T0
gen_op_jmp_T0(); // 跳转到T0
gen_op_movl_T0_0(); // 0 -> T0
gen_op_exit_tb(); // 返回

它们的实现函数分别如下：

static inline void gen_op_movl_T0_im(long param1)
{
    *gen_opparam_ptr++ = param1;
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_movl_T0_im;
}

static inline void gen_op_movl_T1_imu(long param1)
{
    *gen_opparam_ptr++ = param1;
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_movl_T1_imu;
}

static inline void gen_op_movl_seg_T0_vm(long param1)
{
    *gen_opparam_ptr++ = param1;
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_movl_seg_T0_vm;
}                          

static inline void gen_op_movl_T0_T1(void)
{
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_movl_T0_T1;
}

static inline void gen_op_jmp_T0(void)
{
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_jmp_T0;
}

static inline void gen_op_movl_T0_0(void)
{
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_movl_T0_0;
}

static inline void gen_op_exit_tb(void)
{
    *gen_opc_ptr++ = INDEX_op_exit_tb;
}

可以看出，以上函数都非常简单，其实就是在操作码缓冲区中放一个索引号。真正调用的函数在op.c中，如下：

void OPPROTO op_movl_T0_im(void)
{
    T0 = (int32_t)PARAM1;
}

void OPPROTO op_movl_T1_imu(void)
{
    T1 = (uint32_t)PARAM1;
}

void OPPROTO op_movl_seg_T0_vm(void)
{
    int selector;
    SegmentCache *sc;
    
    selector = T0 & 0xffff;
    /* env->segs[] access */
    sc = (SegmentCache *)((char *)env + PARAM1);
    sc->selector = selector;
    sc->base = (selector << 4);
}

void OPPROTO op_movl_T0_T1(void)
{
    T0 = T1;
}

void OPPROTO op_jmp_T0(void)
{
    EIP = T0;
}

void OPPROTO op_movl_T0_0(void)
{
    T0 = 0;
}

#define EXIT_TB() asm volatile ("ret")
void OPPROTO op_exit_tb(void)
{
    EXIT_TB();
}

在我的实验环境中，T0和T1的定义如下：
#define T0 (env->t0)
#define T1 (env->t1)
t0和t1都是长整型，分别是env结构的第1和第2个成员变量。上述函数被编译在目标文件op.o，在执行时经过 op.h:dyngen_code 动态翻译后，以上微指令运行在Host上的实际代码如下：

mov         eax,dword ptr [env (1FD1F14h)] // -> gen_op_movl_T0_im(selector)
mov         dword ptr [eax],0F000h 
mov         eax,dword ptr [env (1FD1F14h)] // -> gen_op_movl_T1_imu(offset)
mov         dword ptr [eax+4],0E05Bh 
mov         edx,dword ptr [env (1FD1F14h)] // -> gen_op_movl_seg_T0_vm(offsetof(CPUX86State,segs[R_CS]))
mov         eax,dword ptr [edx] 
and         eax,0FFFFh 
mov         dword ptr [edx+58h],eax 
shl         eax,4 
mov         dword ptr [edx+5Ch],eax 
mov         edx,dword ptr [env (1FD1F14h)] // -> gen_op_movl_T0_T1()
mov         eax,dword ptr [edx+4] 
mov         dword ptr [edx],eax 
mov         edx,dword ptr [env (1FD1F14h)] // -> gen_op_jmp_T0()
mov         eax,dword ptr [edx] 
mov         dword ptr [edx+2Ch],eax 
mov         eax,dword ptr [env (1FD1F14h)] // -> gen_op_movl_T0_0()
mov         dword ptr [eax],0 
ret                                                                // -> gen_op_exit_tb()

现在可以清楚看到了，这就是Target上一条JMP指令在Host上的对应代码实现。

本来还应该再讲讲 rep、call 之类的指令，因为这也是QEMU比其它仿真器（如Bochs之类）快的原因之一，包括翻译后指令的重用、一次性执行多条Target指令、直接使用常量等特性，但是发现打字实在是很累，代码太多了大家也看的眼花，所以就先说到这里吧。