Merge branch 'for-linus' of master.kernel.org:/pub/scm/linux/kernel/git/cooloney...
[linux-2.6] / drivers / lguest / switcher.S
1 /*P:900 This is the Switcher: code which sits at 0xFFC00000 to do the low-level
2  * Guest<->Host switch.  It is as simple as it can be made, but it's naturally
3  * very specific to x86.
4  *
5  * You have now completed Preparation.  If this has whet your appetite; if you
6  * are feeling invigorated and refreshed then the next, more challenging stage
7  * can be found in "make Guest". :*/
8
9 /*S:100
10  * Welcome to the Switcher itself!
11  *
12  * This file contains the low-level code which changes the CPU to run the Guest
13  * code, and returns to the Host when something happens.  Understand this, and
14  * you understand the heart of our journey.
15  *
16  * Because this is in assembler rather than C, our tale switches from prose to
17  * verse.  First I tried limericks:
18  *
19  *      There once was an eax reg,
20  *      To which our pointer was fed,
21  *      It needed an add,
22  *      Which asm-offsets.h had
23  *      But this limerick is hurting my head.
24  *
25  * Next I tried haikus, but fitting the required reference to the seasons in
26  * every stanza was quickly becoming tiresome:
27  *
28  *      The %eax reg
29  *      Holds "struct lguest_pages" now:
30  *      Cherry blossoms fall.
31  *
32  * Then I started with Heroic Verse, but the rhyming requirement leeched away
33  * the content density and led to some uniquely awful oblique rhymes:
34  *
35  *      These constants are coming from struct offsets
36  *      For use within the asm switcher text.
37  *
38  * Finally, I settled for something between heroic hexameter, and normal prose
39  * with inappropriate linebreaks.  Anyway, it aint no Shakespeare.
40  */
41
42 // Not all kernel headers work from assembler
43 // But these ones are needed: the ENTRY() define
44 // And constants extracted from struct offsets
45 // To avoid magic numbers and breakage:
46 // Should they change the compiler can't save us
47 // Down here in the depths of assembler code.
48 #include <linux/linkage.h>
49 #include <asm/asm-offsets.h>
50 #include <asm/page.h>
51 #include "lg.h"
52
53 // We mark the start of the code to copy
54 // It's placed in .text tho it's never run here
55 // You'll see the trick macro at the end
56 // Which interleaves data and text to effect.
57 .text
58 ENTRY(start_switcher_text)
59
60 // When we reach switch_to_guest we have just left
61 // The safe and comforting shores of C code
62 // %eax has the "struct lguest_pages" to use
63 // Where we save state and still see it from the Guest
64 // And %ebx holds the Guest shadow pagetable:
65 // Once set we have truly left Host behind.
66 ENTRY(switch_to_guest)
67         // We told gcc all its regs could fade,
68         // Clobbered by our journey into the Guest
69         // We could have saved them, if we tried
70         // But time is our master and cycles count.
71
72         // Segment registers must be saved for the Host
73         // We push them on the Host stack for later
74         pushl   %es
75         pushl   %ds
76         pushl   %gs
77         pushl   %fs
78         // But the compiler is fickle, and heeds
79         // No warning of %ebp clobbers
80         // When frame pointers are used.  That register
81         // Must be saved and restored or chaos strikes.
82         pushl   %ebp
83         // The Host's stack is done, now save it away
84         // In our "struct lguest_pages" at offset
85         // Distilled into asm-offsets.h
86         movl    %esp, LGUEST_PAGES_host_sp(%eax)
87
88         // All saved and there's now five steps before us:
89         // Stack, GDT, IDT, TSS
90         // And last of all the page tables are flipped.
91
92         // Yet beware that our stack pointer must be
93         // Always valid lest an NMI hits
94         // %edx does the duty here as we juggle
95         // %eax is lguest_pages: our stack lies within.
96         movl    %eax, %edx
97         addl    $LGUEST_PAGES_regs, %edx
98         movl    %edx, %esp
99
100         // The Guest's GDT we so carefully
101         // Placed in the "struct lguest_pages" before
102         lgdt    LGUEST_PAGES_guest_gdt_desc(%eax)
103
104         // The Guest's IDT we did partially
105         // Move to the "struct lguest_pages" as well.
106         lidt    LGUEST_PAGES_guest_idt_desc(%eax)
107
108         // The TSS entry which controls traps
109         // Must be loaded up with "ltr" now:
110         // For after we switch over our page tables
111         // It (as the rest) will be writable no more.
112         // (The GDT entry TSS needs
113         // Changes type when we load it: damn Intel!)
114         movl    $(GDT_ENTRY_TSS*8), %edx
115         ltr     %dx
116
117         // Look back now, before we take this last step!
118         // The Host's TSS entry was also marked used;
119         // Let's clear it again, ere we return.
120         // The GDT descriptor of the Host
121         // Points to the table after two "size" bytes
122         movl    (LGUEST_PAGES_host_gdt_desc+2)(%eax), %edx
123         // Clear the type field of "used" (byte 5, bit 2)
124         andb    $0xFD, (GDT_ENTRY_TSS*8 + 5)(%edx)
125
126         // Once our page table's switched, the Guest is live!
127         // The Host fades as we run this final step.
128         // Our "struct lguest_pages" is now read-only.
129         movl    %ebx, %cr3
130
131         // The page table change did one tricky thing:
132         // The Guest's register page has been mapped
133         // Writable onto our %esp (stack) --
134         // We can simply pop off all Guest regs.
135         popl    %ebx
136         popl    %ecx
137         popl    %edx
138         popl    %esi
139         popl    %edi
140         popl    %ebp
141         popl    %gs
142         popl    %eax
143         popl    %fs
144         popl    %ds
145         popl    %es
146
147         // Near the base of the stack lurk two strange fields
148         // Which we fill as we exit the Guest
149         // These are the trap number and its error
150         // We can simply step past them on our way.
151         addl    $8, %esp
152
153         // The last five stack slots hold return address
154         // And everything needed to change privilege
155         // Into the Guest privilege level of 1,
156         // And the stack where the Guest had last left it.
157         // Interrupts are turned back on: we are Guest.
158         iret
159
160 // There are two paths where we switch to the Host
161 // So we put the routine in a macro.
162 // We are on our way home, back to the Host
163 // Interrupted out of the Guest, we come here.
164 #define SWITCH_TO_HOST                                                  \
165         /* We save the Guest state: all registers first                 \
166          * Laid out just as "struct lguest_regs" defines */             \
167         pushl   %es;                                                    \
168         pushl   %ds;                                                    \
169         pushl   %fs;                                                    \
170         pushl   %eax;                                                   \
171         pushl   %gs;                                                    \
172         pushl   %ebp;                                                   \
173         pushl   %edi;                                                   \
174         pushl   %esi;                                                   \
175         pushl   %edx;                                                   \
176         pushl   %ecx;                                                   \
177         pushl   %ebx;                                                   \
178         /* Our stack and our code are using segments                    \
179          * Set in the TSS and IDT                                       \
180          * Yet if we were to touch data we'd use                        \
181          * Whatever data segment the Guest had.                         \
182          * Load the lguest ds segment for now. */                       \
183         movl    $(LGUEST_DS), %eax;                                     \
184         movl    %eax, %ds;                                              \
185         /* So where are we?  Which CPU, which struct?                   \
186          * The stack is our clue: our TSS starts                        \
187          * It at the end of "struct lguest_pages".                      \
188          * Or we may have stumbled while restoring                      \
189          * Our Guest segment regs while in switch_to_guest,             \
190          * The fault pushed atop that part-unwound stack.               \
191          * If we round the stack down to the page start                 \
192          * We're at the start of "struct lguest_pages". */              \
193         movl    %esp, %eax;                                             \
194         andl    $(~(1 << PAGE_SHIFT - 1)), %eax;                        \
195         /* Save our trap number: the switch will obscure it             \
196          * (The Guest regs are not mapped here in the Host)             \
197          * %ebx holds it safe for deliver_to_host */                    \
198         movl    LGUEST_PAGES_regs_trapnum(%eax), %ebx;                  \
199         /* The Host GDT, IDT and stack!                                 \
200          * All these lie safely hidden from the Guest:                  \
201          * We must return to the Host page tables                       \
202          * (Hence that was saved in struct lguest_pages) */             \
203         movl    LGUEST_PAGES_host_cr3(%eax), %edx;                      \
204         movl    %edx, %cr3;                                             \
205         /* As before, when we looked back at the Host                   \
206          * As we left and marked TSS unused                             \
207          * So must we now for the Guest left behind. */                 \
208         andb    $0xFD, (LGUEST_PAGES_guest_gdt+GDT_ENTRY_TSS*8+5)(%eax); \
209         /* Switch to Host's GDT, IDT. */                                \
210         lgdt    LGUEST_PAGES_host_gdt_desc(%eax);                       \
211         lidt    LGUEST_PAGES_host_idt_desc(%eax);                       \
212         /* Restore the Host's stack where it's saved regs lie */        \
213         movl    LGUEST_PAGES_host_sp(%eax), %esp;                       \
214         /* Last the TSS: our Host is complete */                        \
215         movl    $(GDT_ENTRY_TSS*8), %edx;                               \
216         ltr     %dx;                                                    \
217         /* Restore now the regs saved right at the first. */            \
218         popl    %ebp;                                                   \
219         popl    %fs;                                                    \
220         popl    %gs;                                                    \
221         popl    %ds;                                                    \
222         popl    %es
223
224 // Here's where we come when the Guest has just trapped:
225 // (Which trap we'll see has been pushed on the stack).
226 // We need only switch back, and the Host will decode
227 // Why we came home, and what needs to be done.
228 return_to_host:
229         SWITCH_TO_HOST
230         iret
231
232 // An interrupt, with some cause external
233 // Has ajerked us rudely from the Guest's code
234 // Again we must return home to the Host
235 deliver_to_host:
236         SWITCH_TO_HOST
237         // But now we must go home via that place
238         // Where that interrupt was supposed to go
239         // Had we not been ensconced, running the Guest.
240         // Here we see the cleverness of our stack:
241         // The Host stack is formed like an interrupt
242         // With EIP, CS and EFLAGS layered.
243         // Interrupt handlers end with "iret"
244         // And that will take us home at long long last.
245
246         // But first we must find the handler to call!
247         // The IDT descriptor for the Host
248         // Has two bytes for size, and four for address:
249         // %edx will hold it for us for now.
250         movl    (LGUEST_PAGES_host_idt_desc+2)(%eax), %edx
251         // We now know the table address we need,
252         // And saved the trap's number inside %ebx.
253         // Yet the pointer to the handler is smeared
254         // Across the bits of the table entry.
255         // What oracle can tell us how to extract
256         // From such a convoluted encoding?
257         // I consulted gcc, and it gave
258         // These instructions, which I gladly credit:
259         leal    (%edx,%ebx,8), %eax
260         movzwl  (%eax),%edx
261         movl    4(%eax), %eax
262         xorw    %ax, %ax
263         orl     %eax, %edx
264         // Now the address of the handler's in %edx
265         // We call it now: its "iret" takes us home.
266         jmp     *%edx
267
268 // Every interrupt can come to us here
269 // But we must truly tell each apart.
270 // They number two hundred and fifty six
271 // And each must land in a different spot,
272 // Push its number on stack, and join the stream.
273
274 // And worse, a mere six of the traps stand apart
275 // And push on their stack an addition:
276 // An error number, thirty two bits long
277 // So we punish the other two fifty
278 // And make them push a zero so they match.
279
280 // Yet two fifty six entries is long
281 // And all will look most the same as the last
282 // So we create a macro which can make
283 // As many entries as we need to fill.
284
285 // Note the change to .data then .text:
286 // We plant the address of each entry
287 // Into a (data) table for the Host
288 // To know where each Guest interrupt should go.
289 .macro IRQ_STUB N TARGET
290         .data; .long 1f; .text; 1:
291  // Trap eight, ten through fourteen and seventeen
292  // Supply an error number.  Else zero.
293  .if (\N <> 8) && (\N < 10 || \N > 14) && (\N <> 17)
294         pushl   $0
295  .endif
296         pushl   $\N
297         jmp     \TARGET
298         ALIGN
299 .endm
300
301 // This macro creates numerous entries
302 // Using GAS macros which out-power C's.
303 .macro IRQ_STUBS FIRST LAST TARGET
304  irq=\FIRST
305  .rept \LAST-\FIRST+1
306         IRQ_STUB irq \TARGET
307   irq=irq+1
308  .endr
309 .endm
310
311 // Here's the marker for our pointer table
312 // Laid in the data section just before
313 // Each macro places the address of code
314 // Forming an array: each one points to text
315 // Which handles interrupt in its turn.
316 .data
317 .global default_idt_entries
318 default_idt_entries:
319 .text
320         // The first two traps go straight back to the Host
321         IRQ_STUBS 0 1 return_to_host
322         // We'll say nothing, yet, about NMI
323         IRQ_STUB 2 handle_nmi
324         // Other traps also return to the Host
325         IRQ_STUBS 3 31 return_to_host
326         // All interrupts go via their handlers
327         IRQ_STUBS 32 127 deliver_to_host
328         // 'Cept system calls coming from userspace
329         // Are to go to the Guest, never the Host.
330         IRQ_STUB 128 return_to_host
331         IRQ_STUBS 129 255 deliver_to_host
332
333 // The NMI, what a fabulous beast
334 // Which swoops in and stops us no matter that
335 // We're suspended between heaven and hell,
336 // (Or more likely between the Host and Guest)
337 // When in it comes!  We are dazed and confused
338 // So we do the simplest thing which one can.
339 // Though we've pushed the trap number and zero
340 // We discard them, return, and hope we live.
341 handle_nmi:
342         addl    $8, %esp
343         iret
344
345 // We are done; all that's left is Mastery
346 // And "make Mastery" is a journey long
347 // Designed to make your fingers itch to code.
348
349 // Here ends the text, the file and poem.
350 ENTRY(end_switcher_text)