cpu-exec.c

   1 /*
   2  *  emulator main execution loop
   3  *
   4  *  Copyright (c) 2003-2005 Fabrice Bellard
   5  *
   6  * This library is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with this library; if not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  18  */
  19 #include "config.h"
  20 #include "cpu.h"
  21 #include "trace.h"
  22 #include "disas/disas.h"
  23 #include "tcg.h"
  24 #include "qemu/atomic.h"
  25 #include "sysemu/qtest.h"
  26 #include "qemu/timer.h"
  27
  28 /* -icount align implementation. */
  29
  30 typedef struct SyncClocks {
  31     int64_t diff_clk;
  32     int64_t last_cpu_icount;
  33     int64_t realtime_clock;
  34 } SyncClocks;
  35
  36 #if !defined(CONFIG_USER_ONLY)
  37 /* Allow the guest to have a max 3ms advance.
  38  * The difference between the 2 clocks could therefore
  39  * oscillate around 0.
  40  */
  41 #define VM_CLOCK_ADVANCE 3000000
  42 #define THRESHOLD_REDUCE 1.5
  43 #define MAX_DELAY_PRINT_RATE 2000000000LL
  44 #define MAX_NB_PRINTS 100
  45
  46 static void align_clocks(SyncClocks *sc, const CPUState *cpu)
  47 {
  48     int64_t cpu_icount;
  49
  50     if (!icount_align_option) {
  51         return;
  52     }
  53
  54     cpu_icount = cpu->icount_extra + cpu->icount_decr.u16.low;
  55     sc->diff_clk += cpu_icount_to_ns(sc->last_cpu_icount - cpu_icount);
  56     sc->last_cpu_icount = cpu_icount;
  57
  58     if (sc->diff_clk > VM_CLOCK_ADVANCE) {
  59 #ifndef _WIN32
  60         struct timespec sleep_delay, rem_delay;
  61         sleep_delay.tv_sec = sc->diff_clk / 1000000000LL;
  62         sleep_delay.tv_nsec = sc->diff_clk % 1000000000LL;
  63         if (nanosleep(&sleep_delay, &rem_delay) < 0) {
  64             sc->diff_clk -= (sleep_delay.tv_sec - rem_delay.tv_sec) * 1000000000LL;
  65             sc->diff_clk -= sleep_delay.tv_nsec - rem_delay.tv_nsec;
  66         } else {
  67             sc->diff_clk = 0;
  68         }
  69 #else
  70         Sleep(sc->diff_clk / SCALE_MS);
  71         sc->diff_clk = 0;
  72 #endif
  73     }
  74 }
  75
  76 static void print_delay(const SyncClocks *sc)
  77 {
  78     static float threshold_delay;
  79     static int64_t last_realtime_clock;
  80     static int nb_prints;
  81
  82     if (icount_align_option &&
  83         sc->realtime_clock - last_realtime_clock >= MAX_DELAY_PRINT_RATE &&
  84         nb_prints < MAX_NB_PRINTS) {
  85         if ((-sc->diff_clk / (float)1000000000LL > threshold_delay) ||
  86             (-sc->diff_clk / (float)1000000000LL <
  87              (threshold_delay - THRESHOLD_REDUCE))) {
  88             threshold_delay = (-sc->diff_clk / 1000000000LL) + 1;
  89             printf("Warning: The guest is now late by %.1f to %.1f seconds\n",
  90                    threshold_delay - 1,
  91                    threshold_delay);
  92             nb_prints++;
  93             last_realtime_clock = sc->realtime_clock;
  94         }
  95     }
  96 }
  97
  98 static void init_delay_params(SyncClocks *sc,
  99                               const CPUState *cpu)
 100 {
 101     if (!icount_align_option) {
 102         return;
 103     }
 104     sc->realtime_clock = qemu_clock_get_ns(QEMU_CLOCK_REALTIME);
 105     sc->diff_clk = qemu_clock_get_ns(QEMU_CLOCK_VIRTUAL) -
 106                    sc->realtime_clock +
 107                    cpu_get_clock_offset();
 108     sc->last_cpu_icount = cpu->icount_extra + cpu->icount_decr.u16.low;
 109     if (sc->diff_clk < max_delay) {
 110         max_delay = sc->diff_clk;
 111     }
 112     if (sc->diff_clk > max_advance) {
 113         max_advance = sc->diff_clk;
 114     }
 115
 116     /* Print every 2s max if the guest is late. We limit the number
 117        of printed messages to NB_PRINT_MAX(currently 100) */
 118     print_delay(sc);
 119 }
 120 #else
 121 static void align_clocks(SyncClocks *sc, const CPUState *cpu)
 122 {
 123 }
 124
 125 static void init_delay_params(SyncClocks *sc, const CPUState *cpu)
 126 {
 127 }
 128 #endif /* CONFIG USER ONLY */
 129
 130 void cpu_loop_exit(CPUState *cpu)
 131 {
 132     cpu->current_tb = NULL;
 133     siglongjmp(cpu->jmp_env, 1);
 134 }
 135
 136 /* exit the current TB from a signal handler. The host registers are
 137    restored in a state compatible with the CPU emulator
 138  */
 139 #if defined(CONFIG_SOFTMMU)
 140 void cpu_resume_from_signal(CPUState *cpu, void *puc)
 141 {
 142     /* XXX: restore cpu registers saved in host registers */
 143
 144     cpu->exception_index = -1;
 145     siglongjmp(cpu->jmp_env, 1);
 146 }
 147 #endif
 148
 149 /* Execute a TB, and fix up the CPU state afterwards if necessary */
 150 static inline tcg_target_ulong cpu_tb_exec(CPUState *cpu, uint8_t *tb_ptr)
 151 {
 152     CPUArchState *env = cpu->env_ptr;
 153     uintptr_t next_tb;
 154
 155 #if defined(DEBUG_DISAS)
 156     if (qemu_loglevel_mask(CPU_LOG_TB_CPU)) {
 157 #if defined(TARGET_I386)
 158         log_cpu_state(cpu, CPU_DUMP_CCOP);
 159 #elif defined(TARGET_M68K)
 160         /* ??? Should not modify env state for dumping.  */
 161         cpu_m68k_flush_flags(env, env->cc_op);
 162         env->cc_op = CC_OP_FLAGS;
 163         env->sr = (env->sr & 0xffe0) | env->cc_dest | (env->cc_x << 4);
 164         log_cpu_state(cpu, 0);
 165 #else
 166         log_cpu_state(cpu, 0);
 167 #endif
 168     }
 169 #endif /* DEBUG_DISAS */
 170
 171     cpu->can_do_io = 0;
 172     next_tb = tcg_qemu_tb_exec(env, tb_ptr);
 173     cpu->can_do_io = 1;
 174     trace_exec_tb_exit((void *) (next_tb & ~TB_EXIT_MASK),
 175                        next_tb & TB_EXIT_MASK);
 176
 177     if ((next_tb & TB_EXIT_MASK) > TB_EXIT_IDX1) {
 178         /* We didn't start executing this TB (eg because the instruction
 179          * counter hit zero); we must restore the guest PC to the address
 180          * of the start of the TB.
 181          */
 182         CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 183         TranslationBlock *tb = (TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK);
 184         if (cc->synchronize_from_tb) {
 185             cc->synchronize_from_tb(cpu, tb);
 186         } else {
 187             assert(cc->set_pc);
 188             cc->set_pc(cpu, tb->pc);
 189         }
 190     }
 191     if ((next_tb & TB_EXIT_MASK) == TB_EXIT_REQUESTED) {
 192         /* We were asked to stop executing TBs (probably a pending
 193          * interrupt. We've now stopped, so clear the flag.
 194          */
 195         cpu->tcg_exit_req = 0;
 196     }
 197     return next_tb;
 198 }
 199
 200 /* Execute the code without caching the generated code. An interpreter
 201    could be used if available. */
 202 static void cpu_exec_nocache(CPUArchState *env, int max_cycles,
 203                              TranslationBlock *orig_tb)
 204 {
 205     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 206     TranslationBlock *tb;
 207     target_ulong pc = orig_tb->pc;
 208     target_ulong cs_base = orig_tb->cs_base;
 209     uint64_t flags = orig_tb->flags;
 210
 211     /* Should never happen.
 212        We only end up here when an existing TB is too long.  */
 213     if (max_cycles > CF_COUNT_MASK)
 214         max_cycles = CF_COUNT_MASK;
 215
 216     /* tb_gen_code can flush our orig_tb, invalidate it now */
 217     tb_phys_invalidate(orig_tb, -1);
 218     tb = tb_gen_code(cpu, pc, cs_base, flags,
 219                      max_cycles | CF_NOCACHE);
 220     cpu->current_tb = tb;
 221     /* execute the generated code */
 222     trace_exec_tb_nocache(tb, tb->pc);
 223     cpu_tb_exec(cpu, tb->tc_ptr);
 224     cpu->current_tb = NULL;
 225     tb_phys_invalidate(tb, -1);
 226     tb_free(tb);
 227 }
 228
 229 static TranslationBlock *tb_find_slow(CPUArchState *env,
 230                                       target_ulong pc,
 231                                       target_ulong cs_base,
 232                                       uint64_t flags)
 233 {
 234     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 235     TranslationBlock *tb, **ptb1;
 236     unsigned int h;
 237     tb_page_addr_t phys_pc, phys_page1;
 238     target_ulong virt_page2;
 239
 240     tcg_ctx.tb_ctx.tb_invalidated_flag = 0;
 241
 242     /* find translated block using physical mappings */
 243     phys_pc = get_page_addr_code(env, pc);
 244     phys_page1 = phys_pc & TARGET_PAGE_MASK;
 245     h = tb_phys_hash_func(phys_pc);
 246     ptb1 = &tcg_ctx.tb_ctx.tb_phys_hash[h];
 247     for(;;) {
 248         tb = *ptb1;
 249         if (!tb)
 250             goto not_found;
 251         if (tb->pc == pc &&
 252             tb->page_addr[0] == phys_page1 &&
 253             tb->cs_base == cs_base &&
 254             tb->flags == flags) {
 255             /* check next page if needed */
 256             if (tb->page_addr[1] != -1) {
 257                 tb_page_addr_t phys_page2;
 258
 259                 virt_page2 = (pc & TARGET_PAGE_MASK) +
 260                     TARGET_PAGE_SIZE;
 261                 phys_page2 = get_page_addr_code(env, virt_page2);
 262                 if (tb->page_addr[1] == phys_page2)
 263                     goto found;
 264             } else {
 265                 goto found;
 266             }
 267         }
 268         ptb1 = &tb->phys_hash_next;
 269     }
 270  not_found:
 271    /* if no translated code available, then translate it now */
 272     tb = tb_gen_code(cpu, pc, cs_base, flags, 0);
 273
 274  found:
 275     /* Move the last found TB to the head of the list */
 276     if (likely(*ptb1)) {
 277         *ptb1 = tb->phys_hash_next;
 278         tb->phys_hash_next = tcg_ctx.tb_ctx.tb_phys_hash[h];
 279         tcg_ctx.tb_ctx.tb_phys_hash[h] = tb;
 280     }
 281     /* we add the TB in the virtual pc hash table */
 282     cpu->tb_jmp_cache[tb_jmp_cache_hash_func(pc)] = tb;
 283     return tb;
 284 }
 285
 286 static inline TranslationBlock *tb_find_fast(CPUArchState *env)
 287 {
 288     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 289     TranslationBlock *tb;
 290     target_ulong cs_base, pc;
 291     int flags;
 292
 293     /* we record a subset of the CPU state. It will
 294        always be the same before a given translated block
 295        is executed. */
 296     cpu_get_tb_cpu_state(env, &pc, &cs_base, &flags);
 297     tb = cpu->tb_jmp_cache[tb_jmp_cache_hash_func(pc)];
 298     if (unlikely(!tb || tb->pc != pc || tb->cs_base != cs_base ||
 299                  tb->flags != flags)) {
 300         tb = tb_find_slow(env, pc, cs_base, flags);
 301     }
 302     return tb;
 303 }
 304
 305 static void cpu_handle_debug_exception(CPUArchState *env)
 306 {
 307     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 308     CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 309     CPUWatchpoint *wp;
 310
 311     if (!cpu->watchpoint_hit) {
 312         QTAILQ_FOREACH(wp, &cpu->watchpoints, entry) {
 313             wp->flags &= ~BP_WATCHPOINT_HIT;
 314         }
 315     }
 316
 317     cc->debug_excp_handler(cpu);
 318 }
 319
 320 /* main execution loop */
 321
 322 volatile sig_atomic_t exit_request;
 323
 324 int cpu_exec(CPUArchState *env)
 325 {
 326     CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
 327     CPUClass *cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 328 #ifdef TARGET_I386
 329     X86CPU *x86_cpu = X86_CPU(cpu);
 330 #endif
 331     int ret, interrupt_request;
 332     TranslationBlock *tb;
 333     uint8_t *tc_ptr;
 334     uintptr_t next_tb;
 335     SyncClocks sc;
 336
 337     /* This must be volatile so it is not trashed by longjmp() */
 338     volatile bool have_tb_lock = false;
 339
 340     if (cpu->halted) {
 341         if (!cpu_has_work(cpu)) {
 342             return EXCP_HALTED;
 343         }
 344
 345         cpu->halted = 0;
 346     }
 347
 348     current_cpu = cpu;
 349
 350     /* As long as current_cpu is null, up to the assignment just above,
 351      * requests by other threads to exit the execution loop are expected to
 352      * be issued using the exit_request global. We must make sure that our
 353      * evaluation of the global value is performed past the current_cpu
 354      * value transition point, which requires a memory barrier as well as
 355      * an instruction scheduling constraint on modern architectures.  */
 356     smp_mb();
 357
 358     if (unlikely(exit_request)) {
 359         cpu->exit_request = 1;
 360     }
 361
 362     cc->cpu_exec_enter(cpu);
 363
 364     /* Calculate difference between guest clock and host clock.
 365      * This delay includes the delay of the last cycle, so
 366      * what we have to do is sleep until it is 0. As for the
 367      * advance/delay we gain here, we try to fix it next time.
 368      */
 369     init_delay_params(&sc, cpu);
 370
 371     /* prepare setjmp context for exception handling */
 372     for(;;) {
 373         if (sigsetjmp(cpu->jmp_env, 0) == 0) {
 374             /* if an exception is pending, we execute it here */
 375             if (cpu->exception_index >= 0) {
 376                 if (cpu->exception_index >= EXCP_INTERRUPT) {
 377                     /* exit request from the cpu execution loop */
 378                     ret = cpu->exception_index;
 379                     if (ret == EXCP_DEBUG) {
 380                         cpu_handle_debug_exception(env);
 381                     }
 382                     cpu->exception_index = -1;
 383                     break;
 384                 } else {
 385 #if defined(CONFIG_USER_ONLY)
 386                     /* if user mode only, we simulate a fake exception
 387                        which will be handled outside the cpu execution
 388                        loop */
 389 #if defined(TARGET_I386)
 390                     cc->do_interrupt(cpu);
 391 #endif
 392                     ret = cpu->exception_index;
 393                     cpu->exception_index = -1;
 394                     break;
 395 #else
 396                     cc->do_interrupt(cpu);
 397                     cpu->exception_index = -1;
 398 #endif
 399                 }
 400             }
 401
 402             next_tb = 0; /* force lookup of first TB */
 403             for(;;) {
 404                 interrupt_request = cpu->interrupt_request;
 405                 if (unlikely(interrupt_request)) {
 406                     if (unlikely(cpu->singlestep_enabled & SSTEP_NOIRQ)) {
 407                         /* Mask out external interrupts for this step. */
 408                         interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_SSTEP_MASK;
 409                     }
 410                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_DEBUG) {
 411                         cpu->interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_DEBUG;
 412                         cpu->exception_index = EXCP_DEBUG;
 413                         cpu_loop_exit(cpu);
 414                     }
 415                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_HALT) {
 416                         cpu->interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_HALT;
 417                         cpu->halted = 1;
 418                         cpu->exception_index = EXCP_HLT;
 419                         cpu_loop_exit(cpu);
 420                     }
 421 #if defined(TARGET_I386)
 422                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_INIT) {
 423                         cpu_svm_check_intercept_param(env, SVM_EXIT_INIT, 0);
 424                         do_cpu_init(x86_cpu);
 425                         cpu->exception_index = EXCP_HALTED;
 426                         cpu_loop_exit(cpu);
 427                     }
 428 #else
 429                     if (interrupt_request & CPU_INTERRUPT_RESET) {
 430                         cpu_reset(cpu);
 431                     }
 432 #endif
 433                     /* The target hook has 3 exit conditions:
 434                        False when the interrupt isn't processed,
 435                        True when it is, and we should restart on a new TB,
 436                        and via longjmp via cpu_loop_exit.  */
 437                     if (cc->cpu_exec_interrupt(cpu, interrupt_request)) {
 438                         next_tb = 0;
 439                     }
 440                     /* Don't use the cached interrupt_request value,
 441                        do_interrupt may have updated the EXITTB flag. */
 442                     if (cpu->interrupt_request & CPU_INTERRUPT_EXITTB) {
 443                         cpu->interrupt_request &= ~CPU_INTERRUPT_EXITTB;
 444                         /* ensure that no TB jump will be modified as
 445                            the program flow was changed */
 446                         next_tb = 0;
 447                     }
 448                 }
 449                 if (unlikely(cpu->exit_request)) {
 450                     cpu->exit_request = 0;
 451                     cpu->exception_index = EXCP_INTERRUPT;
 452                     cpu_loop_exit(cpu);
 453                 }
 454                 spin_lock(&tcg_ctx.tb_ctx.tb_lock);
 455                 have_tb_lock = true;
 456                 tb = tb_find_fast(env);
 457                 /* Note: we do it here to avoid a gcc bug on Mac OS X when
 458                    doing it in tb_find_slow */
 459                 if (tcg_ctx.tb_ctx.tb_invalidated_flag) {
 460                     /* as some TB could have been invalidated because
 461                        of memory exceptions while generating the code, we
 462                        must recompute the hash index here */
 463                     next_tb = 0;
 464                     tcg_ctx.tb_ctx.tb_invalidated_flag = 0;
 465                 }
 466                 if (qemu_loglevel_mask(CPU_LOG_EXEC)) {
 467                     qemu_log("Trace %p [" TARGET_FMT_lx "] %s\n",
 468                              tb->tc_ptr, tb->pc, lookup_symbol(tb->pc));
 469                 }
 470                 /* see if we can patch the calling TB. When the TB
 471                    spans two pages, we cannot safely do a direct
 472                    jump. */
 473                 if (next_tb != 0 && tb->page_addr[1] == -1) {
 474                     tb_add_jump((TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK),
 475                                 next_tb & TB_EXIT_MASK, tb);
 476                 }
 477                 have_tb_lock = false;
 478                 spin_unlock(&tcg_ctx.tb_ctx.tb_lock);
 479
 480                 /* cpu_interrupt might be called while translating the
 481                    TB, but before it is linked into a potentially
 482                    infinite loop and becomes env->current_tb. Avoid
 483                    starting execution if there is a pending interrupt. */
 484                 cpu->current_tb = tb;
 485                 barrier();
 486                 if (likely(!cpu->exit_request)) {
 487                     trace_exec_tb(tb, tb->pc);
 488                     tc_ptr = tb->tc_ptr;
 489                     /* execute the generated code */
 490                     next_tb = cpu_tb_exec(cpu, tc_ptr);
 491                     switch (next_tb & TB_EXIT_MASK) {
 492                     case TB_EXIT_REQUESTED:
 493                         /* Something asked us to stop executing
 494                          * chained TBs; just continue round the main
 495                          * loop. Whatever requested the exit will also
 496                          * have set something else (eg exit_request or
 497                          * interrupt_request) which we will handle
 498                          * next time around the loop.
 499                          */
 500                         tb = (TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK);
 501                         next_tb = 0;
 502                         break;
 503                     case TB_EXIT_ICOUNT_EXPIRED:
 504                     {
 505                         /* Instruction counter expired.  */
 506                         int insns_left;
 507                         tb = (TranslationBlock *)(next_tb & ~TB_EXIT_MASK);
 508                         insns_left = cpu->icount_decr.u32;
 509                         if (cpu->icount_extra && insns_left >= 0) {
 510                             /* Refill decrementer and continue execution.  */
 511                             cpu->icount_extra += insns_left;
 512                             if (cpu->icount_extra > 0xffff) {
 513                                 insns_left = 0xffff;
 514                             } else {
 515                                 insns_left = cpu->icount_extra;
 516                             }
 517                             cpu->icount_extra -= insns_left;
 518                             cpu->icount_decr.u16.low = insns_left;
 519                         } else {
 520                             if (insns_left > 0) {
 521                                 /* Execute remaining instructions.  */
 522                                 cpu_exec_nocache(env, insns_left, tb);
 523                                 align_clocks(&sc, cpu);
 524                             }
 525                             cpu->exception_index = EXCP_INTERRUPT;
 526                             next_tb = 0;
 527                             cpu_loop_exit(cpu);
 528                         }
 529                         break;
 530                     }
 531                     default:
 532                         break;
 533                     }
 534                 }
 535                 cpu->current_tb = NULL;
 536                 /* Try to align the host and virtual clocks
 537                    if the guest is in advance */
 538                 align_clocks(&sc, cpu);
 539                 /* reset soft MMU for next block (it can currently
 540                    only be set by a memory fault) */
 541             } /* for(;;) */
 542         } else {
 543             /* Reload env after longjmp - the compiler may have smashed all
 544              * local variables as longjmp is marked 'noreturn'. */
 545             cpu = current_cpu;
 546             env = cpu->env_ptr;
 547             cc = CPU_GET_CLASS(cpu);
 548             cpu->can_do_io = 1;
 549 #ifdef TARGET_I386
 550             x86_cpu = X86_CPU(cpu);
 551 #endif
 552             if (have_tb_lock) {
 553                 spin_unlock(&tcg_ctx.tb_ctx.tb_lock);
 554                 have_tb_lock = false;
 555             }
 556         }
 557     } /* for(;;) */
 558
 559     cc->cpu_exec_exit(cpu);
 560
 561     /* fail safe : never use current_cpu outside cpu_exec() */
 562     current_cpu = NULL;
 563     return ret;
 564 }