TCG Translation
前言
QEMU 支持多种 accel，但大体可以分为两种：指令模拟技术（TCG）、虚拟化技术（KVM、HVF）等。
Note
常见翻译技术：
-
解释器：Interpreter，每次解析并执行一条 Guest 指令，循环往复。
-
静态二进制翻译：Static Binary Translation，在程序运行前进行翻译。运行时没有翻译开销，优化幅度有限。
-
动态二进制翻译：Dynamic Binary Translation，在程序运行时动态翻译。一般按照程序 trace 翻译，不会全量翻译，能对热点代码进行深度优化。
我们先聊聊 TCG。
TCG(Tiny Code Generator) 最初是一个 C 语言的编译器后端，后面演化为 QEMU 的二进制动态编译（翻译）引擎。
Target
The TCG target is the architecture for which we generate the code. It is of course not the same as the "target" of QEMU which is the emulated architecture.
We use guest to specify what architecture we are emulating; target always means the TCG target, the machine on which we are running QEMU.
TCG IR 介绍
类似 LLVM，QEMU 也定义有自己的 IR，流程如下：
+---------------+ +----------------+ +---------------+
| | | | | |
| Source binary | ---> | QEMU IR | ---> | Target binary |
| code | | | | code |
| | | | | |
+---------------+ +----------------+ +---------------+
Guest Host
优势：
-
拓展性好：支持新的前端（Guest），只需要实现 source -> IR；
-
易于流程化：类似 LLVM，可以引入各种 pass，对不同环节进行优化。
劣势：
- 性能普遍不高（相对而言）
TCG 翻译流程
当一个 Basic Block 被 DBT 转换为 TB 以后，
下次再执行到相同的 Basic Block 直接从缓存中获取 TB 执行即可，无需再经过转换：
+---------------+
+----------------------| Do something |-------------------+
| +---------------+ |
v |
+--------------+ +----------------+ Y +---------+ |
| Guest PC +------>| Check TB Cache +-------->| Exec TB +-----+
+--------------+ +------+---------+ +---------+
| N ^
v |
+-------------+ |
| translation | |
+-----+-------+ |
v |
+-----------------+ |
|Save TB to Cache +-------------+
+-----------------+
- Direct block chaining 在执行下一个 TB 时自动完成
TranslationBlock
TCG 的二进制转换是以代码块（Basic Block）为基本单元，翻译的产物为 Translation Block。
Basic Block 的划分规则：分支指令；特权指令/异常；代码段跨页。
+---------------------+
1) | |
+----------------+ QEMU TCG engine +---------------+
| +---->| |<---+ |
| | +----------+---^------+ | |
| | | | 4) | | 5)
| | 3) | +------+ | |
v |2) v | | 6) v
+---------------+ | +---------------+ | | +---------------+
| prologue | | | prologue | | | | prologue |
+---------------+ | +---------------+ | | +---------------+
| | | | | | | | |
| Translation | | | Translation | | | | Translation |
| Block1 | | | Block2 | | | | Block3 |
| | | | | | | | |
+---------------+ | +---------------+- | | +---------------+
| epilogue | | | epilogue | | | | epilogue |
+------+--------+ | +-------+-------+ | | +------+--------+
+----------+ +----------+ +---------+
Direct block chaining
拿 x86_64 平台举例，每次执行上下文切换需要执行大约 20 条指令 (指令还会进行内存的读写)，
因此 DBT 的优化措施之一就是减少上下文切换，实现 TB 之间的直接链接：
1) +---------------------+
+----------------+ QEMU TCG engine +---------------------------+
| +---------------------+ |
v |
+---------------+ +---------------+ +---------------+ |
| prologue | | prologue | 3) | prologue | |
+---------------+ +------> +---------------+ +-----> +---------------+ |
| | | | | | | | | 5)
| Translation | | | Translation | | | Translation | |
| Block1 | | | Block2 | | | Block3 | |
| | |2) | | | | | |
+---------------+-+ +---------------+--+ +---------------+---+
| epilogue | | epilogue | | epilogue |
+------+--------+ +-------+-------+ +------+--------+
PS: 两个 chained tb 对应的 Guest 指令需要在同一个 Guest page。
Code Buffer
在 qemu 启动的早期会执行一个函数叫 tcg_init_machine, 完成 code_buffer 的申请和初始化。
code_buffer = mmap()
| TCGContext.code_ptr
v v
+-----------+----------+-------------+---------+------------------+
| | | | | |
| prologue | epilogue | TB.struct | TB.code | ... | size = Host / dynamic_code_size
| | | | | |
+-----------+----------+-------------+---------+------------------+
^ ^ ^
| | |
| tcg_code_gen_epilogue |
| tb.tc.ptr
tcg_qemu_tb_exec
-
后续所有代码翻译和执行的工作，都围绕 code_buffer 展开
-
TCGContext 的后端管理工作，也是围绕 code_buffer 进行