qemu指令翻译过程（1）-- ADD指令

最新推荐文章于 2025-05-25 09:08:26 发布
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分类专栏： Virtualization && QEMU linux 文章标签： x86 blog
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本文通过深入解析qemu中add指令的翻译过程，帮助读者理解x86通用指令的基本结构以及qemu指令翻译的核心原理。通过分析操作码和操作数，指导读者掌握分析x86指令集的操作技巧。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

本文通过qemu中add指令的翻译过程来加深了解向x86通用指令的结构以及qemu指令翻译的基本通过。

1. x86通用指令的基本结构(摘自intel 手册)

x86/x64 通用指令编码的核心是：Opcode，ModRM 以及 SIB

  • Opcode 提供指令的操作码
  • ModRM 提供操作数的寻址，以及对 opcode 进行辅助补充
  • SIB 提供更丰富的 memory 寻址
2. qemu中add指令的翻译过程(摘自我的笔记《qemu源码分析》)










至于，如何分析操作码和操作数，最笨的方法就是参考intel手册，不过，还是有许多技巧的，在以后的blog中，将会详细讲解如何分析x86指令集的操作码和操作数（熟能生巧!）。
QEMU理解与分析系列（1）：QEMU简介
swh547的博客
08-07 1348
QEMU是一种通用的开源计算机仿真器和虚拟软件。TCG(tiny code generator)，这种方式的基本思路是用纯软件的方式把targetCPU的指令先翻译成所谓的中间码，然后再把中间码翻译成host CPU 的指令，把targetCPU指令翻译成中间码的过程叫整个过程的前端，中间码翻译成hostCPU的过程对应的叫做后端。给qemu增加一个新CPU的模型需要既增加前端也增加后端，如果要把整个系统支持起来，还要增加基础设备以及user mode的支持。。
QEMU中TCG翻译流程
sinat_38205774的博客
11-28 2690
声明：本文使用的qemu源码版本为qemu-3.1.0-rc0 前言：qemu中采用事件驱动架构和并行架构相结合的方式来工作的。qemu中的线程主要有Vcpu线程，main_loop线程、I/O线程和workthread线程，其中main_loop属于主线程。 1. 翻译流程总体框架 2. 具体流程 1>在vl.c的main函数中创建单板machine ​ curren...
qemu 二进制翻译 执行流程分析
AddyLee的专栏
04-26 6813
一.qemu简介          qemu是使用动态二进制翻译的cpu模拟器，它支持两种运行模式：全系统模拟和用户态模拟。在全系统模拟下，qemu可以模拟处理器和各种外设，可以运行操作系统。用户态可以运行为另外一种cpu编译的进程，前提是两者运行的os要一致。qemu使用了动态二进制翻译将targetinstruction翻译成hostinstruction，完成这个工作的是tcg模块。为
QEMU 0.9.1源代码深入解析
weixin_31597759的博客
05-25 987
QEMU 是一款开源的全系统模拟器，它使得开发者能够在一种架构的计算机上模拟另一种架构的系统。它的出现降低了不同硬件平台之间的兼容性壁垒，为系统开发和测试提供了极大的便利。I/O子系统负责处理虚拟机与外部设备间的数据传输请求。根据请求的来源和性质，I/O请求大致可以分为三类：直接内存访问（DMA）：由设备直接发起，绕过CPU，实现快速数据传输。端口I/O：通过I/O端口进行的数据传输，常见于老式的设备。PIO：程序控制的I/O，设备驱动程序直接通过CPU发起数据传输。
浅谈QEMU SIMD指令集翻译（genneration）
JaCenz的博客
04-28 869
简要介绍QEMU对SIMD指令集扩展的翻译支持，优化QEMU SIMD generation的两种方式
qemu翻译过程分析(二)
michael_kang的专栏
03-05 2715
qemu把翻译过的目标指令集保存在一个类型为TranslationBlock的结构体中，其结构体定义如下：struct TranslationBlock {     target_ulong pc;   /* simulated PC corresponding to this block (EIP + CS base) */     target_ulong cs_base; /* CS base for this block */     uint64_t flags; /* flags defi
qemu翻译和执行流程分析
pkufergus的专栏
04-25 4011
一.qemu简介          qemu是使用动态二进制翻译的cpu模拟器，它支持两种运行模式：全系统模拟和用户态模拟。在全系统模拟下，qemu可以模拟处理器和各种外设，可以运行操作系统。用户态可以运行为另外一种cpu编译的进程，前提是两者运行的os要一致。qemu使用了动态二进制翻译将target instruction翻译成host instruction，完成这个工作的是tcg模块
【qemu+libvirt+virt-manager源码安装】
qq_26962739的博客
08-26 1747
Linux源码升级安装虚拟机三件套教程
qemu之linux-user分析 1
weixin_42051187的博客
12-26 1265
最后更新2021/12/26 这几天研究qemu linux-user有关的问题，此地立个桩，把我认为值得记录的研究结果记录在此。qemu整体的编译不细说了，只针对我需要的ppc64相关关键记录，很大众特别是没遇到问题的过程就不记录了，也许以后整理全本说明的时候填充一下。另外由于我的最终目标是搞aix-user，与aix-user相关的内容也许会在这里有关联，但全部的内容应在另一个专题中，此处都是linux-user的东西。需要继续分析的标记为黑体，随时更新。 前置 通过configure定义目标，我用的是
qemu参数解析过程
遇事不决，问春风
10-24 455
的地方，但是我们一般不常用，这个是干嘛的？一般是为了将配置的某个元素标识为唯一，以便在其他命令或参数中引用该元素。本文内容主要以分析源码为主，顺着主要代码的逻辑进行梳理，不涉及架构部分。他其实就是构建了一个多重链表结构用于后面使用，调试可见。这个大数组是在编译后生成的，源码中只有其构建宏定义。函数用于分析后面的子参数，其层次结构如下。这个函数，可见就是将该数组加入。查找选项，如果没有则报错，这个。是系统默认的一个大数组，如下。它这个函数里面有一个判断。继续解析过程（它这里从。以运行指令为例，调用。
MIT6.S081_3.8- QEMU和RISC-V处理器介绍1
08-03
RISC-V指令集包括ADD、SUB、LOAD、STORE等指令，这些指令可以组合使用，以实现复杂的计算和控制操作。 7. QEMU的应用 QEMU可以应用于多种领域，包括操作系统开发、嵌入式系统开发、计算机架构研究等。QEMU可以模拟...
qemu（二进制翻译器）源码分析
11-22
qemu源码分析--qemu是开源的二进制翻译器，支持多种平台，具有很好的移植性。
QEMU，一个快速的和便捷的动态翻译器(论文译文)
sdulibh的专栏
01-02 1608
QEMU, a Fast and Portable Dynamic Translator论文译文 https://www.usenix.org/legacy/event/usenix05/tech/freenix/full_papers/bellard/bellard_html/摘要我们展示QEMU实现的内部原理，QEMU是一个快速的模拟器，它使用了一个原始的便捷的动态翻译器。它可以在多种主机上（
qemu翻译过程分析(四)
michael_kang的专栏
03-07 1541
<br />对于用户态的powerpc模拟，qemu把 powerpc的可执行程序，映射到自己的地址空间，这样内存访问加快了很多，可以直接进行寻址。<br />而不是传统的先malloc一块内存，然后再用分配的内存进行目标机内存的模拟。<br /> <br />带来的另外一个好处就是，qemu不用再检测目标程序的非法的地址访问，只需要初始化信号量的相应处理函数，当目标机的翻译后代码进行访问非法内存地址，主机就会发出相应的信号给qemu，而qemu进行相应的处理。
QEMU技术分析1 - 动态翻译（dynamic translation）
wf_wf_wf_1985的专栏
12-08 1369
QEMU技术分析1 - 动态翻译（dynamic translation） 转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
qemu核心-动态翻译器
一个IT菜鸟的自白
03-20 1592
为了更容易理解动态翻译技术，我们暂时忽略掉qemu的其他模块，如用户交互模块，硬件模拟等模块，而是从数据结构的设计，数据结构之间的操作及其应用等方面来进行详细地分析，重点关注动态翻译器和微操作库(micro-ops library)的原理，至于细节的东西可以放在以后去深入分析。     qemu利用了一种可移植的动态代码翻译器以快速地完成客户代码的仿真。qemu本身并不能识别它主机体系结构的
qemu的动态翻译机制
weixin_33908217的博客
07-03 633
qemu的作者在QEMU, aFastand Portable Dynamic Translator一文提到了qemu的动态翻译机制， 大致可以总结为如下过程： 目标代码中的一条指令 ｜ ｜－－（1） ｜ 微操作(Micro Op) ｜ ｜－－（2） ｜ 主机代码 过程1：　　 qemu将目标代码的指令一...
qemu-TCG动态翻译技术
一个IT菜鸟的自白
03-20 2058
1. TCG简单介绍    TCG（Tiny Code Generator）最早被用于C编译器的后端。在TCG相关的代码中，target指的是我们通常说的host，这一点需要注意，并不是我们理解的被仿真的平台。 2. TCG动态翻译技术的几个概念 （1）与dyngen一样，TCG的“function”与qemu的TBs（Translated Block）相对应，即以分支跳转指令结
qemu a fast and portable dynamic translator——大致翻译
网络安全研究
03-02 1365
QEMU是一套由Fabrice Bellard所编写的以GPL许可证分发源码的machine emulator。可以在不同的主机（X86,PowerPC,ARM,Sparc）上对不同的CPU（比如x86,PowerPC,ARM,Sparc）进行仿真。
如何调试QEMU中新增指令的模拟行为？
最新发布
07-18
<think>我们正在讨论的是在QEMU中调试新增的RISC-V指令的模拟行为。根据用户之前的问题，我们已经知道如何添加自定义指令，现在需要调试这些指令的模拟行为。 调试方法可以分为几个层次： 1. 使用QEMU自带的调试输出功能（-d选项） 2. 使用GDB连接QEMU进行调试（包括源码级调试） 3. 在QEMU源码中添加打印语句 下面详细说明： ### 1. 使用QEMU的调试输出（-d选项） QEMU提供了丰富的调试输出选项，通过`-d`参数可以输出各种调试信息。对于指令执行，我们可以关注以下选项： - `in_asm`：输出翻译的汇编指令 - `exec`：输出每个执行的TB（翻译块）的详细信息 - `cpu`：输出CPU状态（寄存器等）的变化 - `op`：输出生成的TCG操作（中间代码） - `op_opt`：输出优化后的TCG操作 - `out_asm`：输出生成的宿主机代码（如x86汇编） 例如，要跟踪指令翻译和执行过程，可以运行： ```bash qemu-riscv64 -d in_asm,exec,cpu ./test_custom ``` 输出示例： ``` IN: _start 0x00010074: 05000513 li a0, 5 0x00010078: 00300593 li a1, 3 0x0001007c: 00b6067b custom_add a2, a0, a1 # 这里可以看到自定义指令 ---------------- IN: _start 0x00010074: [0x05000513] li a0, 5 ra: 0x00000000 sp: 0x00000000 gp: 0x00000000 tp: 0x00000000 t0: 0x00000000 t1: 0x00000000 t2: 0x00000000 s0: 0x00000000 s1: 0x00000000 a0: 0x00000000 a1: 0x00000000 ... （执行后） a0: 0x00000005 a1: 0x00000003 a2: 0x00000012 ... # 自定义指令执行后a2=0x12（18） ``` ### 2. 使用GDB调试QEMU #### 步骤1：编译支持调试的QEMU 在配置QEMU时，开启调试信息（默认已开启，但确保没有使用`--disable-debug-info`）： ```bash ./configure --target-list=riscv64-softmmu,riscv64-linux-user --enable-debug make -j$(nproc) ``` #### 步骤2：启动QEMU等待GDB连接 使用`-s -S`参数启动QEMU： ```bash qemu-riscv64 -g 1234 -S ./test_custom ``` - `-g 1234`：在TCP端口1234上等待GDB连接 - `-S`：启动时暂停，等待GDB继续命令 #### 步骤3：使用GDB连接 在另一个终端启动GDB（使用交叉编译工具链中的gdb）： ```bash riscv64-linux-gnu-gdb ./test_custom ``` 在GDB中： ```gdb (gdb) target remote localhost:1234 (gdb) b _start # 在程序入口处设置断点 (gdb) c # 继续执行 ``` 当程序停在`_start`处时，可以单步执行（`si`）并观察寄存器变化（`info registers`）。 #### 步骤4：调试QEMU源码（需要QEMU调试符号） 如果需要调试QEMU本身的代码（例如自定义指令的翻译函数），则需要编译QEMU时保留调试信息（上面已开启），然后直接调试QEMU可执行文件： ```bash gdb --args qemu-riscv64 -g 1234 -S ./test_custom ``` 在GDB中设置断点： ```gdb (gdb) b trans_custom_add # 在自定义指令的翻译函数处设置断点 (gdb) r ``` 当执行到自定义指令时，程序会停在`trans_custom_add`函数，此时可以查看QEMU源码中的变量，单步跟踪等。 ### 3. 在QEMU源码中添加打印 在自定义指令的翻译函数中添加打印语句，例如： ```c static bool trans_custom_add(DisasContext *ctx, arg_custom_add *a) { printf("Decoding custom_add at pc=0x%lx, rs1=%d, rs2=%d, rd=%d\n", ctx->base.pc_next, a->rs1, a->rs2, a->rd); // ... 原有代码 } ``` 重新编译QEMU后运行，即可在控制台看到打印信息。 ### 调试示例：捕获非法指令异常 参考引用[1]中提到的RustSBI通过捕获非法指令异常来模拟指令，我们在QEMU中也可以模拟类似机制。但这里我们关注的是调试新增指令的模拟行为。 如果新增指令模拟不正确（例如未正确实现），可能导致非法指令异常。在QEMU中，我们可以通过以下方式调试异常： - 在GDB中设置断点：`b riscv_raise_exception` - 使用`-d int`输出中断信息 ### 总结调试步骤： 1. **验证指令解码**：使用`-d in_asm`确保指令被正确识别 2. **检查翻译逻辑**：在翻译函数中添加打印或使用GDB断点 3. **观察执行效果**：使用`-d exec,cpu`或GDB查看寄存器变化 4. **异常处理**：如果出现异常，检查异常原因（非法指令、未实现等） 通过以上方法，可以系统地调试新增指令在QEMU中的模拟行为。 ### 相关问题 1. 如何在QEMU中捕获并处理非法指令异常？ 2. 如何分析自定义指令模拟的性能？ 3. 除了QEMU，还有哪些工具可以调试RISC-V指令扩展？</think>### 如何在QEMU中调试新增RISC-V指令的模拟行为 调试新增指令的模拟行为需要结合QEMU的调试功能和RISC-V架构特性，以下是详细步骤： #### 1. **启用QEMU调试输出** 使用`-d`参数输出指令执行细节： ```bash qemu-riscv64 -d in_asm,cpu,exec,op ./test_custom ``` - **`in_asm`**：显示翻译前的汇编指令 - **`cpu`**：显示寄存器状态变化 - **`exec`**：显示翻译块(TB)执行过程 - **`op`**：显示TCG中间操作码 输出示例： ``` IN: _start 0x100b4: 05000513 li a0,5 0x100b8: 00300593 li a1,3 0x100bc: 00b6067b custom_add a2,a0,a1 # 自定义指令位置 ---------------- CPU state change: a0: 0x00000000 -> 0x00000005 a1: 0x00000000 -> 0x00000003 a2: 0x00000000 -> 0x00000012 # 结果应为18(0x12) ``` #### 2. **使用GDB远程调试** 通过GDB单步跟踪指令执行： ```bash # 终端1: 启动QEMU调试服务器 qemu-riscv64 -g 1234 -S ./test_custom # 终端2: GDB连接 riscv64-unknown-elf-gdb ./test_custom (gdb) target remote localhost:1234 (gdb) b *0x100bc # 在自定义指令地址设断点 (gdb) layout asm # 显示汇编视图 (gdb) si # 单步执行指令 (gdb) info reg a2 # 查看结果寄存器 ``` #### 3. **添加自定义调试输出** 在QEMU源码的指令翻译函数中添加日志： ```c // target/riscv/translate.c static bool trans_custom_add(DisasContext *ctx, arg_custom_add *a) { qemu_log("CUSTOM_ADD: rs1=%d(0x%lx) rs2=%d(0x%lx) rd=%d\n", a->rs1, get_gpr(ctx, a->rs1, EXT_NONE), a->rs2, get_gpr(ctx, a->rs2, EXT_NONE), a->rd); // ...原有指令实现... qemu_log("RESULT: rd%d=0x%lx\n", a->rd, dst); } ``` 编译时启用日志： ```bash ./configure --enable-log=in_asm,cpu,tcg ``` #### 4. **捕获非法指令异常** 参考引用[1]中RustSBI的异常处理机制，可在QEMU中模拟类似行为： ```c // target/riscv/op_helper.c void helper_raise_exception(CPURISCVState *env, uint32_t exception) { if (exception == RISCV_EXCP_ILLEGAL_INST) { uint32_t opcode = cpu_ldl_code(env, env->pc); if (is_custom_opcode(opcode)) { // 检测自定义操作码 qemu_log("捕获自定义指令异常: pc=0x%lx opcode=0x%x\n", env->pc, opcode); emulate_custom_instruction(env, opcode); // 模拟指令 return; } } // ...其他异常处理... } ``` #### 5. **性能分析工具** 使用`perf`分析指令执行开销： ```bash perf record qemu-riscv64 ./compute_intensive_program perf report -n --sort symbol ``` 重点关注： - 自定义指令的TCG翻译开销 - 模拟执行与原生指令的性能差距 - 热点指令分布 #### 调试技巧总结 | 调试方法 | 适用场景 | 关键参数/命令 | |---------|---------|--------------| | 日志输出 | 快速验证指令解码 | `-d in_asm,cpu` | | GDB调试 | 单步跟踪执行流 | `-g 1234 -S` + `target remote` | | 异常捕获 | 处理非法指令 | `helper_raise_exception` | | 性能分析 | 优化指令实现 | `perf record` + `perf report` | | 寄存器检查 | 验证数据通路 | `info registers` in GDB | > **关键原理**：QEMU通过TCG（Tiny Code Generator）将目标指令转换为中间代码，再生成宿主机代码。新增指令的调试本质是验证： > $$ \text{RISC-V指令} \xrightarrow{\text{解码}} \text{TCG中间表示} \xrightarrow{\text{执行}} \text{正确状态更新} $$ > 当指令未实现时，会触发`RISCV_EXCP_ILLEGAL_INST`异常，此时可通过软件模拟实现兼容[^1]。 ### 相关问题 1. 如何在QEMU中捕获并处理RISC-V的非法指令异常？ 2. 如何分析自定义指令模拟的性能开销？ 3. 除了QEMU，还有哪些工具可以调试RISC-V指令扩展？
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