Merge branch 'linux-next' of git://git.infradead.org/ubifs-2.6
[linux-2.6] / drivers / lguest / page_tables.c
1 /*P:700 The pagetable code, on the other hand, still shows the scars of
2  * previous encounters.  It's functional, and as neat as it can be in the
3  * circumstances, but be wary, for these things are subtle and break easily.
4  * The Guest provides a virtual to physical mapping, but we can neither trust
5  * it nor use it: we verify and convert it here then point the CPU to the
6  * converted Guest pages when running the Guest. :*/
7
8 /* Copyright (C) Rusty Russell IBM Corporation 2006.
9  * GPL v2 and any later version */
10 #include <linux/mm.h>
11 #include <linux/types.h>
12 #include <linux/spinlock.h>
13 #include <linux/random.h>
14 #include <linux/percpu.h>
15 #include <asm/tlbflush.h>
16 #include <asm/uaccess.h>
17 #include <asm/bootparam.h>
18 #include "lg.h"
19
20 /*M:008 We hold reference to pages, which prevents them from being swapped.
21  * It'd be nice to have a callback in the "struct mm_struct" when Linux wants
22  * to swap out.  If we had this, and a shrinker callback to trim PTE pages, we
23  * could probably consider launching Guests as non-root. :*/
24
25 /*H:300
26  * The Page Table Code
27  *
28  * We use two-level page tables for the Guest.  If you're not entirely
29  * comfortable with virtual addresses, physical addresses and page tables then
30  * I recommend you review arch/x86/lguest/boot.c's "Page Table Handling" (with
31  * diagrams!).
32  *
33  * The Guest keeps page tables, but we maintain the actual ones here: these are
34  * called "shadow" page tables.  Which is a very Guest-centric name: these are
35  * the real page tables the CPU uses, although we keep them up to date to
36  * reflect the Guest's.  (See what I mean about weird naming?  Since when do
37  * shadows reflect anything?)
38  *
39  * Anyway, this is the most complicated part of the Host code.  There are seven
40  * parts to this:
41  *  (i) Looking up a page table entry when the Guest faults,
42  *  (ii) Making sure the Guest stack is mapped,
43  *  (iii) Setting up a page table entry when the Guest tells us one has changed,
44  *  (iv) Switching page tables,
45  *  (v) Flushing (throwing away) page tables,
46  *  (vi) Mapping the Switcher when the Guest is about to run,
47  *  (vii) Setting up the page tables initially.
48  :*/
49
50
51 /* 1024 entries in a page table page maps 1024 pages: 4MB.  The Switcher is
52  * conveniently placed at the top 4MB, so it uses a separate, complete PTE
53  * page.  */
54 #define SWITCHER_PGD_INDEX (PTRS_PER_PGD - 1)
55
56 /* For PAE we need the PMD index as well. We use the last 2MB, so we
57  * will need the last pmd entry of the last pmd page.  */
58 #ifdef CONFIG_X86_PAE
59 #define SWITCHER_PMD_INDEX      (PTRS_PER_PMD - 1)
60 #define RESERVE_MEM             2U
61 #define CHECK_GPGD_MASK         _PAGE_PRESENT
62 #else
63 #define RESERVE_MEM             4U
64 #define CHECK_GPGD_MASK         _PAGE_TABLE
65 #endif
66
67 /* We actually need a separate PTE page for each CPU.  Remember that after the
68  * Switcher code itself comes two pages for each CPU, and we don't want this
69  * CPU's guest to see the pages of any other CPU. */
70 static DEFINE_PER_CPU(pte_t *, switcher_pte_pages);
71 #define switcher_pte_page(cpu) per_cpu(switcher_pte_pages, cpu)
72
73 /*H:320 The page table code is curly enough to need helper functions to keep it
74  * clear and clean.
75  *
76  * There are two functions which return pointers to the shadow (aka "real")
77  * page tables.
78  *
79  * spgd_addr() takes the virtual address and returns a pointer to the top-level
80  * page directory entry (PGD) for that address.  Since we keep track of several
81  * page tables, the "i" argument tells us which one we're interested in (it's
82  * usually the current one). */
83 static pgd_t *spgd_addr(struct lg_cpu *cpu, u32 i, unsigned long vaddr)
84 {
85         unsigned int index = pgd_index(vaddr);
86
87 #ifndef CONFIG_X86_PAE
88         /* We kill any Guest trying to touch the Switcher addresses. */
89         if (index >= SWITCHER_PGD_INDEX) {
90                 kill_guest(cpu, "attempt to access switcher pages");
91                 index = 0;
92         }
93 #endif
94         /* Return a pointer index'th pgd entry for the i'th page table. */
95         return &cpu->lg->pgdirs[i].pgdir[index];
96 }
97
98 #ifdef CONFIG_X86_PAE
99 /* This routine then takes the PGD entry given above, which contains the
100  * address of the PMD page.  It then returns a pointer to the PMD entry for the
101  * given address. */
102 static pmd_t *spmd_addr(struct lg_cpu *cpu, pgd_t spgd, unsigned long vaddr)
103 {
104         unsigned int index = pmd_index(vaddr);
105         pmd_t *page;
106
107         /* We kill any Guest trying to touch the Switcher addresses. */
108         if (pgd_index(vaddr) == SWITCHER_PGD_INDEX &&
109                                         index >= SWITCHER_PMD_INDEX) {
110                 kill_guest(cpu, "attempt to access switcher pages");
111                 index = 0;
112         }
113
114         /* You should never call this if the PGD entry wasn't valid */
115         BUG_ON(!(pgd_flags(spgd) & _PAGE_PRESENT));
116         page = __va(pgd_pfn(spgd) << PAGE_SHIFT);
117
118         return &page[index];
119 }
120 #endif
121
122 /* This routine then takes the page directory entry returned above, which
123  * contains the address of the page table entry (PTE) page.  It then returns a
124  * pointer to the PTE entry for the given address. */
125 static pte_t *spte_addr(struct lg_cpu *cpu, pgd_t spgd, unsigned long vaddr)
126 {
127 #ifdef CONFIG_X86_PAE
128         pmd_t *pmd = spmd_addr(cpu, spgd, vaddr);
129         pte_t *page = __va(pmd_pfn(*pmd) << PAGE_SHIFT);
130
131         /* You should never call this if the PMD entry wasn't valid */
132         BUG_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT));
133 #else
134         pte_t *page = __va(pgd_pfn(spgd) << PAGE_SHIFT);
135         /* You should never call this if the PGD entry wasn't valid */
136         BUG_ON(!(pgd_flags(spgd) & _PAGE_PRESENT));
137 #endif
138
139         return &page[pte_index(vaddr)];
140 }
141
142 /* These two functions just like the above two, except they access the Guest
143  * page tables.  Hence they return a Guest address. */
144 static unsigned long gpgd_addr(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
145 {
146         unsigned int index = vaddr >> (PGDIR_SHIFT);
147         return cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].gpgdir + index * sizeof(pgd_t);
148 }
149
150 #ifdef CONFIG_X86_PAE
151 static unsigned long gpmd_addr(pgd_t gpgd, unsigned long vaddr)
152 {
153         unsigned long gpage = pgd_pfn(gpgd) << PAGE_SHIFT;
154         BUG_ON(!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT));
155         return gpage + pmd_index(vaddr) * sizeof(pmd_t);
156 }
157
158 static unsigned long gpte_addr(struct lg_cpu *cpu,
159                                pmd_t gpmd, unsigned long vaddr)
160 {
161         unsigned long gpage = pmd_pfn(gpmd) << PAGE_SHIFT;
162
163         BUG_ON(!(pmd_flags(gpmd) & _PAGE_PRESENT));
164         return gpage + pte_index(vaddr) * sizeof(pte_t);
165 }
166 #else
167 static unsigned long gpte_addr(struct lg_cpu *cpu,
168                                 pgd_t gpgd, unsigned long vaddr)
169 {
170         unsigned long gpage = pgd_pfn(gpgd) << PAGE_SHIFT;
171
172         BUG_ON(!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT));
173         return gpage + pte_index(vaddr) * sizeof(pte_t);
174 }
175 #endif
176 /*:*/
177
178 /*M:014 get_pfn is slow: we could probably try to grab batches of pages here as
179  * an optimization (ie. pre-faulting). :*/
180
181 /*H:350 This routine takes a page number given by the Guest and converts it to
182  * an actual, physical page number.  It can fail for several reasons: the
183  * virtual address might not be mapped by the Launcher, the write flag is set
184  * and the page is read-only, or the write flag was set and the page was
185  * shared so had to be copied, but we ran out of memory.
186  *
187  * This holds a reference to the page, so release_pte() is careful to put that
188  * back. */
189 static unsigned long get_pfn(unsigned long virtpfn, int write)
190 {
191         struct page *page;
192
193         /* gup me one page at this address please! */
194         if (get_user_pages_fast(virtpfn << PAGE_SHIFT, 1, write, &page) == 1)
195                 return page_to_pfn(page);
196
197         /* This value indicates failure. */
198         return -1UL;
199 }
200
201 /*H:340 Converting a Guest page table entry to a shadow (ie. real) page table
202  * entry can be a little tricky.  The flags are (almost) the same, but the
203  * Guest PTE contains a virtual page number: the CPU needs the real page
204  * number. */
205 static pte_t gpte_to_spte(struct lg_cpu *cpu, pte_t gpte, int write)
206 {
207         unsigned long pfn, base, flags;
208
209         /* The Guest sets the global flag, because it thinks that it is using
210          * PGE.  We only told it to use PGE so it would tell us whether it was
211          * flushing a kernel mapping or a userspace mapping.  We don't actually
212          * use the global bit, so throw it away. */
213         flags = (pte_flags(gpte) & ~_PAGE_GLOBAL);
214
215         /* The Guest's pages are offset inside the Launcher. */
216         base = (unsigned long)cpu->lg->mem_base / PAGE_SIZE;
217
218         /* We need a temporary "unsigned long" variable to hold the answer from
219          * get_pfn(), because it returns 0xFFFFFFFF on failure, which wouldn't
220          * fit in spte.pfn.  get_pfn() finds the real physical number of the
221          * page, given the virtual number. */
222         pfn = get_pfn(base + pte_pfn(gpte), write);
223         if (pfn == -1UL) {
224                 kill_guest(cpu, "failed to get page %lu", pte_pfn(gpte));
225                 /* When we destroy the Guest, we'll go through the shadow page
226                  * tables and release_pte() them.  Make sure we don't think
227                  * this one is valid! */
228                 flags = 0;
229         }
230         /* Now we assemble our shadow PTE from the page number and flags. */
231         return pfn_pte(pfn, __pgprot(flags));
232 }
233
234 /*H:460 And to complete the chain, release_pte() looks like this: */
235 static void release_pte(pte_t pte)
236 {
237         /* Remember that get_user_pages_fast() took a reference to the page, in
238          * get_pfn()?  We have to put it back now. */
239         if (pte_flags(pte) & _PAGE_PRESENT)
240                 put_page(pte_page(pte));
241 }
242 /*:*/
243
244 static void check_gpte(struct lg_cpu *cpu, pte_t gpte)
245 {
246         if ((pte_flags(gpte) & _PAGE_PSE) ||
247             pte_pfn(gpte) >= cpu->lg->pfn_limit)
248                 kill_guest(cpu, "bad page table entry");
249 }
250
251 static void check_gpgd(struct lg_cpu *cpu, pgd_t gpgd)
252 {
253         if ((pgd_flags(gpgd) & ~CHECK_GPGD_MASK) ||
254            (pgd_pfn(gpgd) >= cpu->lg->pfn_limit))
255                 kill_guest(cpu, "bad page directory entry");
256 }
257
258 #ifdef CONFIG_X86_PAE
259 static void check_gpmd(struct lg_cpu *cpu, pmd_t gpmd)
260 {
261         if ((pmd_flags(gpmd) & ~_PAGE_TABLE) ||
262            (pmd_pfn(gpmd) >= cpu->lg->pfn_limit))
263                 kill_guest(cpu, "bad page middle directory entry");
264 }
265 #endif
266
267 /*H:330
268  * (i) Looking up a page table entry when the Guest faults.
269  *
270  * We saw this call in run_guest(): when we see a page fault in the Guest, we
271  * come here.  That's because we only set up the shadow page tables lazily as
272  * they're needed, so we get page faults all the time and quietly fix them up
273  * and return to the Guest without it knowing.
274  *
275  * If we fixed up the fault (ie. we mapped the address), this routine returns
276  * true.  Otherwise, it was a real fault and we need to tell the Guest. */
277 bool demand_page(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr, int errcode)
278 {
279         pgd_t gpgd;
280         pgd_t *spgd;
281         unsigned long gpte_ptr;
282         pte_t gpte;
283         pte_t *spte;
284
285 #ifdef CONFIG_X86_PAE
286         pmd_t *spmd;
287         pmd_t gpmd;
288 #endif
289
290         /* First step: get the top-level Guest page table entry. */
291         gpgd = lgread(cpu, gpgd_addr(cpu, vaddr), pgd_t);
292         /* Toplevel not present?  We can't map it in. */
293         if (!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT))
294                 return false;
295
296         /* Now look at the matching shadow entry. */
297         spgd = spgd_addr(cpu, cpu->cpu_pgd, vaddr);
298         if (!(pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT)) {
299                 /* No shadow entry: allocate a new shadow PTE page. */
300                 unsigned long ptepage = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
301                 /* This is not really the Guest's fault, but killing it is
302                  * simple for this corner case. */
303                 if (!ptepage) {
304                         kill_guest(cpu, "out of memory allocating pte page");
305                         return false;
306                 }
307                 /* We check that the Guest pgd is OK. */
308                 check_gpgd(cpu, gpgd);
309                 /* And we copy the flags to the shadow PGD entry.  The page
310                  * number in the shadow PGD is the page we just allocated. */
311                 set_pgd(spgd, __pgd(__pa(ptepage) | pgd_flags(gpgd)));
312         }
313
314 #ifdef CONFIG_X86_PAE
315         gpmd = lgread(cpu, gpmd_addr(gpgd, vaddr), pmd_t);
316         /* middle level not present?  We can't map it in. */
317         if (!(pmd_flags(gpmd) & _PAGE_PRESENT))
318                 return false;
319
320         /* Now look at the matching shadow entry. */
321         spmd = spmd_addr(cpu, *spgd, vaddr);
322
323         if (!(pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT)) {
324                 /* No shadow entry: allocate a new shadow PTE page. */
325                 unsigned long ptepage = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
326
327                 /* This is not really the Guest's fault, but killing it is
328                 * simple for this corner case. */
329                 if (!ptepage) {
330                         kill_guest(cpu, "out of memory allocating pte page");
331                         return false;
332                 }
333
334                 /* We check that the Guest pmd is OK. */
335                 check_gpmd(cpu, gpmd);
336
337                 /* And we copy the flags to the shadow PMD entry.  The page
338                  * number in the shadow PMD is the page we just allocated. */
339                 native_set_pmd(spmd, __pmd(__pa(ptepage) | pmd_flags(gpmd)));
340         }
341
342         /* OK, now we look at the lower level in the Guest page table: keep its
343          * address, because we might update it later. */
344         gpte_ptr = gpte_addr(cpu, gpmd, vaddr);
345 #else
346         /* OK, now we look at the lower level in the Guest page table: keep its
347          * address, because we might update it later. */
348         gpte_ptr = gpte_addr(cpu, gpgd, vaddr);
349 #endif
350         gpte = lgread(cpu, gpte_ptr, pte_t);
351
352         /* If this page isn't in the Guest page tables, we can't page it in. */
353         if (!(pte_flags(gpte) & _PAGE_PRESENT))
354                 return false;
355
356         /* Check they're not trying to write to a page the Guest wants
357          * read-only (bit 2 of errcode == write). */
358         if ((errcode & 2) && !(pte_flags(gpte) & _PAGE_RW))
359                 return false;
360
361         /* User access to a kernel-only page? (bit 3 == user access) */
362         if ((errcode & 4) && !(pte_flags(gpte) & _PAGE_USER))
363                 return false;
364
365         /* Check that the Guest PTE flags are OK, and the page number is below
366          * the pfn_limit (ie. not mapping the Launcher binary). */
367         check_gpte(cpu, gpte);
368
369         /* Add the _PAGE_ACCESSED and (for a write) _PAGE_DIRTY flag */
370         gpte = pte_mkyoung(gpte);
371         if (errcode & 2)
372                 gpte = pte_mkdirty(gpte);
373
374         /* Get the pointer to the shadow PTE entry we're going to set. */
375         spte = spte_addr(cpu, *spgd, vaddr);
376         /* If there was a valid shadow PTE entry here before, we release it.
377          * This can happen with a write to a previously read-only entry. */
378         release_pte(*spte);
379
380         /* If this is a write, we insist that the Guest page is writable (the
381          * final arg to gpte_to_spte()). */
382         if (pte_dirty(gpte))
383                 *spte = gpte_to_spte(cpu, gpte, 1);
384         else
385                 /* If this is a read, don't set the "writable" bit in the page
386                  * table entry, even if the Guest says it's writable.  That way
387                  * we will come back here when a write does actually occur, so
388                  * we can update the Guest's _PAGE_DIRTY flag. */
389                 native_set_pte(spte, gpte_to_spte(cpu, pte_wrprotect(gpte), 0));
390
391         /* Finally, we write the Guest PTE entry back: we've set the
392          * _PAGE_ACCESSED and maybe the _PAGE_DIRTY flags. */
393         lgwrite(cpu, gpte_ptr, pte_t, gpte);
394
395         /* The fault is fixed, the page table is populated, the mapping
396          * manipulated, the result returned and the code complete.  A small
397          * delay and a trace of alliteration are the only indications the Guest
398          * has that a page fault occurred at all. */
399         return true;
400 }
401
402 /*H:360
403  * (ii) Making sure the Guest stack is mapped.
404  *
405  * Remember that direct traps into the Guest need a mapped Guest kernel stack.
406  * pin_stack_pages() calls us here: we could simply call demand_page(), but as
407  * we've seen that logic is quite long, and usually the stack pages are already
408  * mapped, so it's overkill.
409  *
410  * This is a quick version which answers the question: is this virtual address
411  * mapped by the shadow page tables, and is it writable? */
412 static bool page_writable(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
413 {
414         pgd_t *spgd;
415         unsigned long flags;
416
417 #ifdef CONFIG_X86_PAE
418         pmd_t *spmd;
419 #endif
420         /* Look at the current top level entry: is it present? */
421         spgd = spgd_addr(cpu, cpu->cpu_pgd, vaddr);
422         if (!(pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT))
423                 return false;
424
425 #ifdef CONFIG_X86_PAE
426         spmd = spmd_addr(cpu, *spgd, vaddr);
427         if (!(pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT))
428                 return false;
429 #endif
430
431         /* Check the flags on the pte entry itself: it must be present and
432          * writable. */
433         flags = pte_flags(*(spte_addr(cpu, *spgd, vaddr)));
434
435         return (flags & (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW)) == (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW);
436 }
437
438 /* So, when pin_stack_pages() asks us to pin a page, we check if it's already
439  * in the page tables, and if not, we call demand_page() with error code 2
440  * (meaning "write"). */
441 void pin_page(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
442 {
443         if (!page_writable(cpu, vaddr) && !demand_page(cpu, vaddr, 2))
444                 kill_guest(cpu, "bad stack page %#lx", vaddr);
445 }
446
447 #ifdef CONFIG_X86_PAE
448 static void release_pmd(pmd_t *spmd)
449 {
450         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
451         if (pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT) {
452                 unsigned int i;
453                 pte_t *ptepage = __va(pmd_pfn(*spmd) << PAGE_SHIFT);
454                 /* For each entry in the page, we might need to release it. */
455                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PTE; i++)
456                         release_pte(ptepage[i]);
457                 /* Now we can free the page of PTEs */
458                 free_page((long)ptepage);
459                 /* And zero out the PMD entry so we never release it twice. */
460                 native_set_pmd(spmd, __pmd(0));
461         }
462 }
463
464 static void release_pgd(pgd_t *spgd)
465 {
466         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
467         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
468                 unsigned int i;
469                 pmd_t *pmdpage = __va(pgd_pfn(*spgd) << PAGE_SHIFT);
470
471                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PMD; i++)
472                         release_pmd(&pmdpage[i]);
473
474                 /* Now we can free the page of PMDs */
475                 free_page((long)pmdpage);
476                 /* And zero out the PGD entry so we never release it twice. */
477                 set_pgd(spgd, __pgd(0));
478         }
479 }
480
481 #else /* !CONFIG_X86_PAE */
482 /*H:450 If we chase down the release_pgd() code, it looks like this: */
483 static void release_pgd(pgd_t *spgd)
484 {
485         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
486         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
487                 unsigned int i;
488                 /* Converting the pfn to find the actual PTE page is easy: turn
489                  * the page number into a physical address, then convert to a
490                  * virtual address (easy for kernel pages like this one). */
491                 pte_t *ptepage = __va(pgd_pfn(*spgd) << PAGE_SHIFT);
492                 /* For each entry in the page, we might need to release it. */
493                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PTE; i++)
494                         release_pte(ptepage[i]);
495                 /* Now we can free the page of PTEs */
496                 free_page((long)ptepage);
497                 /* And zero out the PGD entry so we never release it twice. */
498                 *spgd = __pgd(0);
499         }
500 }
501 #endif
502 /*H:445 We saw flush_user_mappings() twice: once from the flush_user_mappings()
503  * hypercall and once in new_pgdir() when we re-used a top-level pgdir page.
504  * It simply releases every PTE page from 0 up to the Guest's kernel address. */
505 static void flush_user_mappings(struct lguest *lg, int idx)
506 {
507         unsigned int i;
508         /* Release every pgd entry up to the kernel's address. */
509         for (i = 0; i < pgd_index(lg->kernel_address); i++)
510                 release_pgd(lg->pgdirs[idx].pgdir + i);
511 }
512
513 /*H:440 (v) Flushing (throwing away) page tables,
514  *
515  * The Guest has a hypercall to throw away the page tables: it's used when a
516  * large number of mappings have been changed. */
517 void guest_pagetable_flush_user(struct lg_cpu *cpu)
518 {
519         /* Drop the userspace part of the current page table. */
520         flush_user_mappings(cpu->lg, cpu->cpu_pgd);
521 }
522 /*:*/
523
524 /* We walk down the guest page tables to get a guest-physical address */
525 unsigned long guest_pa(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
526 {
527         pgd_t gpgd;
528         pte_t gpte;
529 #ifdef CONFIG_X86_PAE
530         pmd_t gpmd;
531 #endif
532         /* First step: get the top-level Guest page table entry. */
533         gpgd = lgread(cpu, gpgd_addr(cpu, vaddr), pgd_t);
534         /* Toplevel not present?  We can't map it in. */
535         if (!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT)) {
536                 kill_guest(cpu, "Bad address %#lx", vaddr);
537                 return -1UL;
538         }
539
540 #ifdef CONFIG_X86_PAE
541         gpmd = lgread(cpu, gpmd_addr(gpgd, vaddr), pmd_t);
542         if (!(pmd_flags(gpmd) & _PAGE_PRESENT))
543                 kill_guest(cpu, "Bad address %#lx", vaddr);
544         gpte = lgread(cpu, gpte_addr(cpu, gpmd, vaddr), pte_t);
545 #else
546         gpte = lgread(cpu, gpte_addr(cpu, gpgd, vaddr), pte_t);
547 #endif
548         if (!(pte_flags(gpte) & _PAGE_PRESENT))
549                 kill_guest(cpu, "Bad address %#lx", vaddr);
550
551         return pte_pfn(gpte) * PAGE_SIZE | (vaddr & ~PAGE_MASK);
552 }
553
554 /* We keep several page tables.  This is a simple routine to find the page
555  * table (if any) corresponding to this top-level address the Guest has given
556  * us. */
557 static unsigned int find_pgdir(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
558 {
559         unsigned int i;
560         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
561                 if (lg->pgdirs[i].pgdir && lg->pgdirs[i].gpgdir == pgtable)
562                         break;
563         return i;
564 }
565
566 /*H:435 And this is us, creating the new page directory.  If we really do
567  * allocate a new one (and so the kernel parts are not there), we set
568  * blank_pgdir. */
569 static unsigned int new_pgdir(struct lg_cpu *cpu,
570                               unsigned long gpgdir,
571                               int *blank_pgdir)
572 {
573         unsigned int next;
574 #ifdef CONFIG_X86_PAE
575         pmd_t *pmd_table;
576 #endif
577
578         /* We pick one entry at random to throw out.  Choosing the Least
579          * Recently Used might be better, but this is easy. */
580         next = random32() % ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs);
581         /* If it's never been allocated at all before, try now. */
582         if (!cpu->lg->pgdirs[next].pgdir) {
583                 cpu->lg->pgdirs[next].pgdir =
584                                         (pgd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
585                 /* If the allocation fails, just keep using the one we have */
586                 if (!cpu->lg->pgdirs[next].pgdir)
587                         next = cpu->cpu_pgd;
588                 else {
589 #ifdef CONFIG_X86_PAE
590                         /* In PAE mode, allocate a pmd page and populate the
591                          * last pgd entry. */
592                         pmd_table = (pmd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
593                         if (!pmd_table) {
594                                 free_page((long)cpu->lg->pgdirs[next].pgdir);
595                                 set_pgd(cpu->lg->pgdirs[next].pgdir, __pgd(0));
596                                 next = cpu->cpu_pgd;
597                         } else {
598                                 set_pgd(cpu->lg->pgdirs[next].pgdir +
599                                         SWITCHER_PGD_INDEX,
600                                         __pgd(__pa(pmd_table) | _PAGE_PRESENT));
601                                 /* This is a blank page, so there are no kernel
602                                  * mappings: caller must map the stack! */
603                                 *blank_pgdir = 1;
604                         }
605 #else
606                         *blank_pgdir = 1;
607 #endif
608                 }
609         }
610         /* Record which Guest toplevel this shadows. */
611         cpu->lg->pgdirs[next].gpgdir = gpgdir;
612         /* Release all the non-kernel mappings. */
613         flush_user_mappings(cpu->lg, next);
614
615         return next;
616 }
617
618 /*H:430 (iv) Switching page tables
619  *
620  * Now we've seen all the page table setting and manipulation, let's see
621  * what happens when the Guest changes page tables (ie. changes the top-level
622  * pgdir).  This occurs on almost every context switch. */
623 void guest_new_pagetable(struct lg_cpu *cpu, unsigned long pgtable)
624 {
625         int newpgdir, repin = 0;
626
627         /* Look to see if we have this one already. */
628         newpgdir = find_pgdir(cpu->lg, pgtable);
629         /* If not, we allocate or mug an existing one: if it's a fresh one,
630          * repin gets set to 1. */
631         if (newpgdir == ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs))
632                 newpgdir = new_pgdir(cpu, pgtable, &repin);
633         /* Change the current pgd index to the new one. */
634         cpu->cpu_pgd = newpgdir;
635         /* If it was completely blank, we map in the Guest kernel stack */
636         if (repin)
637                 pin_stack_pages(cpu);
638 }
639
640 /*H:470 Finally, a routine which throws away everything: all PGD entries in all
641  * the shadow page tables, including the Guest's kernel mappings.  This is used
642  * when we destroy the Guest. */
643 static void release_all_pagetables(struct lguest *lg)
644 {
645         unsigned int i, j;
646
647         /* Every shadow pagetable this Guest has */
648         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
649                 if (lg->pgdirs[i].pgdir) {
650 #ifdef CONFIG_X86_PAE
651                         pgd_t *spgd;
652                         pmd_t *pmdpage;
653                         unsigned int k;
654
655                         /* Get the last pmd page. */
656                         spgd = lg->pgdirs[i].pgdir + SWITCHER_PGD_INDEX;
657                         pmdpage = __va(pgd_pfn(*spgd) << PAGE_SHIFT);
658
659                         /* And release the pmd entries of that pmd page,
660                          * except for the switcher pmd. */
661                         for (k = 0; k < SWITCHER_PMD_INDEX; k++)
662                                 release_pmd(&pmdpage[k]);
663 #endif
664                         /* Every PGD entry except the Switcher at the top */
665                         for (j = 0; j < SWITCHER_PGD_INDEX; j++)
666                                 release_pgd(lg->pgdirs[i].pgdir + j);
667                 }
668 }
669
670 /* We also throw away everything when a Guest tells us it's changed a kernel
671  * mapping.  Since kernel mappings are in every page table, it's easiest to
672  * throw them all away.  This traps the Guest in amber for a while as
673  * everything faults back in, but it's rare. */
674 void guest_pagetable_clear_all(struct lg_cpu *cpu)
675 {
676         release_all_pagetables(cpu->lg);
677         /* We need the Guest kernel stack mapped again. */
678         pin_stack_pages(cpu);
679 }
680 /*:*/
681 /*M:009 Since we throw away all mappings when a kernel mapping changes, our
682  * performance sucks for guests using highmem.  In fact, a guest with
683  * PAGE_OFFSET 0xc0000000 (the default) and more than about 700MB of RAM is
684  * usually slower than a Guest with less memory.
685  *
686  * This, of course, cannot be fixed.  It would take some kind of... well, I
687  * don't know, but the term "puissant code-fu" comes to mind. :*/
688
689 /*H:420 This is the routine which actually sets the page table entry for then
690  * "idx"'th shadow page table.
691  *
692  * Normally, we can just throw out the old entry and replace it with 0: if they
693  * use it demand_page() will put the new entry in.  We need to do this anyway:
694  * The Guest expects _PAGE_ACCESSED to be set on its PTE the first time a page
695  * is read from, and _PAGE_DIRTY when it's written to.
696  *
697  * But Avi Kivity pointed out that most Operating Systems (Linux included) set
698  * these bits on PTEs immediately anyway.  This is done to save the CPU from
699  * having to update them, but it helps us the same way: if they set
700  * _PAGE_ACCESSED then we can put a read-only PTE entry in immediately, and if
701  * they set _PAGE_DIRTY then we can put a writable PTE entry in immediately.
702  */
703 static void do_set_pte(struct lg_cpu *cpu, int idx,
704                        unsigned long vaddr, pte_t gpte)
705 {
706         /* Look up the matching shadow page directory entry. */
707         pgd_t *spgd = spgd_addr(cpu, idx, vaddr);
708 #ifdef CONFIG_X86_PAE
709         pmd_t *spmd;
710 #endif
711
712         /* If the top level isn't present, there's no entry to update. */
713         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
714 #ifdef CONFIG_X86_PAE
715                 spmd = spmd_addr(cpu, *spgd, vaddr);
716                 if (pmd_flags(*spmd) & _PAGE_PRESENT) {
717 #endif
718                         /* Otherwise, we start by releasing
719                          * the existing entry. */
720                         pte_t *spte = spte_addr(cpu, *spgd, vaddr);
721                         release_pte(*spte);
722
723                         /* If they're setting this entry as dirty or accessed,
724                          * we might as well put that entry they've given us
725                          * in now.  This shaves 10% off a
726                          * copy-on-write micro-benchmark. */
727                         if (pte_flags(gpte) & (_PAGE_DIRTY | _PAGE_ACCESSED)) {
728                                 check_gpte(cpu, gpte);
729                                 native_set_pte(spte,
730                                                 gpte_to_spte(cpu, gpte,
731                                                 pte_flags(gpte) & _PAGE_DIRTY));
732                         } else
733                                 /* Otherwise kill it and we can demand_page()
734                                  * it in later. */
735                                 native_set_pte(spte, __pte(0));
736 #ifdef CONFIG_X86_PAE
737                 }
738 #endif
739         }
740 }
741
742 /*H:410 Updating a PTE entry is a little trickier.
743  *
744  * We keep track of several different page tables (the Guest uses one for each
745  * process, so it makes sense to cache at least a few).  Each of these have
746  * identical kernel parts: ie. every mapping above PAGE_OFFSET is the same for
747  * all processes.  So when the page table above that address changes, we update
748  * all the page tables, not just the current one.  This is rare.
749  *
750  * The benefit is that when we have to track a new page table, we can keep all
751  * the kernel mappings.  This speeds up context switch immensely. */
752 void guest_set_pte(struct lg_cpu *cpu,
753                    unsigned long gpgdir, unsigned long vaddr, pte_t gpte)
754 {
755         /* Kernel mappings must be changed on all top levels.  Slow, but doesn't
756          * happen often. */
757         if (vaddr >= cpu->lg->kernel_address) {
758                 unsigned int i;
759                 for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs); i++)
760                         if (cpu->lg->pgdirs[i].pgdir)
761                                 do_set_pte(cpu, i, vaddr, gpte);
762         } else {
763                 /* Is this page table one we have a shadow for? */
764                 int pgdir = find_pgdir(cpu->lg, gpgdir);
765                 if (pgdir != ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs))
766                         /* If so, do the update. */
767                         do_set_pte(cpu, pgdir, vaddr, gpte);
768         }
769 }
770
771 /*H:400
772  * (iii) Setting up a page table entry when the Guest tells us one has changed.
773  *
774  * Just like we did in interrupts_and_traps.c, it makes sense for us to deal
775  * with the other side of page tables while we're here: what happens when the
776  * Guest asks for a page table to be updated?
777  *
778  * We already saw that demand_page() will fill in the shadow page tables when
779  * needed, so we can simply remove shadow page table entries whenever the Guest
780  * tells us they've changed.  When the Guest tries to use the new entry it will
781  * fault and demand_page() will fix it up.
782  *
783  * So with that in mind here's our code to to update a (top-level) PGD entry:
784  */
785 void guest_set_pgd(struct lguest *lg, unsigned long gpgdir, u32 idx)
786 {
787         int pgdir;
788
789         if (idx >= SWITCHER_PGD_INDEX)
790                 return;
791
792         /* If they're talking about a page table we have a shadow for... */
793         pgdir = find_pgdir(lg, gpgdir);
794         if (pgdir < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs))
795                 /* ... throw it away. */
796                 release_pgd(lg->pgdirs[pgdir].pgdir + idx);
797 }
798 #ifdef CONFIG_X86_PAE
799 void guest_set_pmd(struct lguest *lg, unsigned long pmdp, u32 idx)
800 {
801         guest_pagetable_clear_all(&lg->cpus[0]);
802 }
803 #endif
804
805 /* Once we know how much memory we have we can construct simple identity
806  * (which set virtual == physical) and linear mappings
807  * which will get the Guest far enough into the boot to create its own.
808  *
809  * We lay them out of the way, just below the initrd (which is why we need to
810  * know its size here). */
811 static unsigned long setup_pagetables(struct lguest *lg,
812                                       unsigned long mem,
813                                       unsigned long initrd_size)
814 {
815         pgd_t __user *pgdir;
816         pte_t __user *linear;
817         unsigned long mem_base = (unsigned long)lg->mem_base;
818         unsigned int mapped_pages, i, linear_pages;
819 #ifdef CONFIG_X86_PAE
820         pmd_t __user *pmds;
821         unsigned int j;
822         pgd_t pgd;
823         pmd_t pmd;
824 #else
825         unsigned int phys_linear;
826 #endif
827
828         /* We have mapped_pages frames to map, so we need
829          * linear_pages page tables to map them. */
830         mapped_pages = mem / PAGE_SIZE;
831         linear_pages = (mapped_pages + PTRS_PER_PTE - 1) / PTRS_PER_PTE;
832
833         /* We put the toplevel page directory page at the top of memory. */
834         pgdir = (pgd_t *)(mem + mem_base - initrd_size - PAGE_SIZE);
835
836         /* Now we use the next linear_pages pages as pte pages */
837         linear = (void *)pgdir - linear_pages * PAGE_SIZE;
838
839 #ifdef CONFIG_X86_PAE
840         pmds = (void *)linear - PAGE_SIZE;
841 #endif
842         /* Linear mapping is easy: put every page's address into the
843          * mapping in order. */
844         for (i = 0; i < mapped_pages; i++) {
845                 pte_t pte;
846                 pte = pfn_pte(i, __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW|_PAGE_USER));
847                 if (copy_to_user(&linear[i], &pte, sizeof(pte)) != 0)
848                         return -EFAULT;
849         }
850
851         /* The top level points to the linear page table pages above.
852          * We setup the identity and linear mappings here. */
853 #ifdef CONFIG_X86_PAE
854         for (i = j = 0; i < mapped_pages && j < PTRS_PER_PMD;
855              i += PTRS_PER_PTE, j++) {
856                 native_set_pmd(&pmd, __pmd(((unsigned long)(linear + i)
857                 - mem_base) | _PAGE_PRESENT | _PAGE_RW | _PAGE_USER));
858
859                 if (copy_to_user(&pmds[j], &pmd, sizeof(pmd)) != 0)
860                         return -EFAULT;
861         }
862
863         set_pgd(&pgd, __pgd(((u32)pmds - mem_base) | _PAGE_PRESENT));
864         if (copy_to_user(&pgdir[0], &pgd, sizeof(pgd)) != 0)
865                 return -EFAULT;
866         if (copy_to_user(&pgdir[3], &pgd, sizeof(pgd)) != 0)
867                 return -EFAULT;
868 #else
869         phys_linear = (unsigned long)linear - mem_base;
870         for (i = 0; i < mapped_pages; i += PTRS_PER_PTE) {
871                 pgd_t pgd;
872                 pgd = __pgd((phys_linear + i * sizeof(pte_t)) |
873                             (_PAGE_PRESENT | _PAGE_RW | _PAGE_USER));
874
875                 if (copy_to_user(&pgdir[i / PTRS_PER_PTE], &pgd, sizeof(pgd))
876                     || copy_to_user(&pgdir[pgd_index(PAGE_OFFSET)
877                                            + i / PTRS_PER_PTE],
878                                     &pgd, sizeof(pgd)))
879                         return -EFAULT;
880         }
881 #endif
882
883         /* We return the top level (guest-physical) address: remember where
884          * this is. */
885         return (unsigned long)pgdir - mem_base;
886 }
887
888 /*H:500 (vii) Setting up the page tables initially.
889  *
890  * When a Guest is first created, the Launcher tells us where the toplevel of
891  * its first page table is.  We set some things up here: */
892 int init_guest_pagetable(struct lguest *lg)
893 {
894         u64 mem;
895         u32 initrd_size;
896         struct boot_params __user *boot = (struct boot_params *)lg->mem_base;
897 #ifdef CONFIG_X86_PAE
898         pgd_t *pgd;
899         pmd_t *pmd_table;
900 #endif
901         /* Get the Guest memory size and the ramdisk size from the boot header
902          * located at lg->mem_base (Guest address 0). */
903         if (copy_from_user(&mem, &boot->e820_map[0].size, sizeof(mem))
904             || get_user(initrd_size, &boot->hdr.ramdisk_size))
905                 return -EFAULT;
906
907         /* We start on the first shadow page table, and give it a blank PGD
908          * page. */
909         lg->pgdirs[0].gpgdir = setup_pagetables(lg, mem, initrd_size);
910         if (IS_ERR_VALUE(lg->pgdirs[0].gpgdir))
911                 return lg->pgdirs[0].gpgdir;
912         lg->pgdirs[0].pgdir = (pgd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
913         if (!lg->pgdirs[0].pgdir)
914                 return -ENOMEM;
915 #ifdef CONFIG_X86_PAE
916         pgd = lg->pgdirs[0].pgdir;
917         pmd_table = (pmd_t *) get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
918         if (!pmd_table)
919                 return -ENOMEM;
920
921         set_pgd(pgd + SWITCHER_PGD_INDEX,
922                 __pgd(__pa(pmd_table) | _PAGE_PRESENT));
923 #endif
924         lg->cpus[0].cpu_pgd = 0;
925         return 0;
926 }
927
928 /* When the Guest calls LHCALL_LGUEST_INIT we do more setup. */
929 void page_table_guest_data_init(struct lg_cpu *cpu)
930 {
931         /* We get the kernel address: above this is all kernel memory. */
932         if (get_user(cpu->lg->kernel_address,
933                 &cpu->lg->lguest_data->kernel_address)
934                 /* We tell the Guest that it can't use the top 2 or 4 MB
935                  * of virtual addresses used by the Switcher. */
936                 || put_user(RESERVE_MEM * 1024 * 1024,
937                         &cpu->lg->lguest_data->reserve_mem)
938                 || put_user(cpu->lg->pgdirs[0].gpgdir,
939                         &cpu->lg->lguest_data->pgdir))
940                 kill_guest(cpu, "bad guest page %p", cpu->lg->lguest_data);
941
942         /* In flush_user_mappings() we loop from 0 to
943          * "pgd_index(lg->kernel_address)".  This assumes it won't hit the
944          * Switcher mappings, so check that now. */
945 #ifdef CONFIG_X86_PAE
946         if (pgd_index(cpu->lg->kernel_address) == SWITCHER_PGD_INDEX &&
947                 pmd_index(cpu->lg->kernel_address) == SWITCHER_PMD_INDEX)
948 #else
949         if (pgd_index(cpu->lg->kernel_address) >= SWITCHER_PGD_INDEX)
950 #endif
951                 kill_guest(cpu, "bad kernel address %#lx",
952                                  cpu->lg->kernel_address);
953 }
954
955 /* When a Guest dies, our cleanup is fairly simple. */
956 void free_guest_pagetable(struct lguest *lg)
957 {
958         unsigned int i;
959
960         /* Throw away all page table pages. */
961         release_all_pagetables(lg);
962         /* Now free the top levels: free_page() can handle 0 just fine. */
963         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
964                 free_page((long)lg->pgdirs[i].pgdir);
965 }
966
967 /*H:480 (vi) Mapping the Switcher when the Guest is about to run.
968  *
969  * The Switcher and the two pages for this CPU need to be visible in the
970  * Guest (and not the pages for other CPUs).  We have the appropriate PTE pages
971  * for each CPU already set up, we just need to hook them in now we know which
972  * Guest is about to run on this CPU. */
973 void map_switcher_in_guest(struct lg_cpu *cpu, struct lguest_pages *pages)
974 {
975         pte_t *switcher_pte_page = __get_cpu_var(switcher_pte_pages);
976         pte_t regs_pte;
977         unsigned long pfn;
978
979 #ifdef CONFIG_X86_PAE
980         pmd_t switcher_pmd;
981         pmd_t *pmd_table;
982
983         native_set_pmd(&switcher_pmd, pfn_pmd(__pa(switcher_pte_page) >>
984                        PAGE_SHIFT, PAGE_KERNEL_EXEC));
985
986         pmd_table = __va(pgd_pfn(cpu->lg->
987                         pgdirs[cpu->cpu_pgd].pgdir[SWITCHER_PGD_INDEX])
988                                                                 << PAGE_SHIFT);
989         native_set_pmd(&pmd_table[SWITCHER_PMD_INDEX], switcher_pmd);
990 #else
991         pgd_t switcher_pgd;
992
993         /* Make the last PGD entry for this Guest point to the Switcher's PTE
994          * page for this CPU (with appropriate flags). */
995         switcher_pgd = __pgd(__pa(switcher_pte_page) | __PAGE_KERNEL_EXEC);
996
997         cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].pgdir[SWITCHER_PGD_INDEX] = switcher_pgd;
998
999 #endif
1000         /* We also change the Switcher PTE page.  When we're running the Guest,
1001          * we want the Guest's "regs" page to appear where the first Switcher
1002          * page for this CPU is.  This is an optimization: when the Switcher
1003          * saves the Guest registers, it saves them into the first page of this
1004          * CPU's "struct lguest_pages": if we make sure the Guest's register
1005          * page is already mapped there, we don't have to copy them out
1006          * again. */
1007         pfn = __pa(cpu->regs_page) >> PAGE_SHIFT;
1008         native_set_pte(&regs_pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL));
1009         native_set_pte(&switcher_pte_page[pte_index((unsigned long)pages)],
1010                         regs_pte);
1011 }
1012 /*:*/
1013
1014 static void free_switcher_pte_pages(void)
1015 {
1016         unsigned int i;
1017
1018         for_each_possible_cpu(i)
1019                 free_page((long)switcher_pte_page(i));
1020 }
1021
1022 /*H:520 Setting up the Switcher PTE page for given CPU is fairly easy, given
1023  * the CPU number and the "struct page"s for the Switcher code itself.
1024  *
1025  * Currently the Switcher is less than a page long, so "pages" is always 1. */
1026 static __init void populate_switcher_pte_page(unsigned int cpu,
1027                                               struct page *switcher_page[],
1028                                               unsigned int pages)
1029 {
1030         unsigned int i;
1031         pte_t *pte = switcher_pte_page(cpu);
1032
1033         /* The first entries are easy: they map the Switcher code. */
1034         for (i = 0; i < pages; i++) {
1035                 native_set_pte(&pte[i], mk_pte(switcher_page[i],
1036                                 __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED)));
1037         }
1038
1039         /* The only other thing we map is this CPU's pair of pages. */
1040         i = pages + cpu*2;
1041
1042         /* First page (Guest registers) is writable from the Guest */
1043         native_set_pte(&pte[i], pfn_pte(page_to_pfn(switcher_page[i]),
1044                          __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED|_PAGE_RW)));
1045
1046         /* The second page contains the "struct lguest_ro_state", and is
1047          * read-only. */
1048         native_set_pte(&pte[i+1], pfn_pte(page_to_pfn(switcher_page[i+1]),
1049                            __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED)));
1050 }
1051
1052 /* We've made it through the page table code.  Perhaps our tired brains are
1053  * still processing the details, or perhaps we're simply glad it's over.
1054  *
1055  * If nothing else, note that all this complexity in juggling shadow page tables
1056  * in sync with the Guest's page tables is for one reason: for most Guests this
1057  * page table dance determines how bad performance will be.  This is why Xen
1058  * uses exotic direct Guest pagetable manipulation, and why both Intel and AMD
1059  * have implemented shadow page table support directly into hardware.
1060  *
1061  * There is just one file remaining in the Host. */
1062
1063 /*H:510 At boot or module load time, init_pagetables() allocates and populates
1064  * the Switcher PTE page for each CPU. */
1065 __init int init_pagetables(struct page **switcher_page, unsigned int pages)
1066 {
1067         unsigned int i;
1068
1069         for_each_possible_cpu(i) {
1070                 switcher_pte_page(i) = (pte_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
1071                 if (!switcher_pte_page(i)) {
1072                         free_switcher_pte_pages();
1073                         return -ENOMEM;
1074                 }
1075                 populate_switcher_pte_page(i, switcher_page, pages);
1076         }
1077         return 0;
1078 }
1079 /*:*/
1080
1081 /* Cleaning up simply involves freeing the PTE page for each CPU. */
1082 void free_pagetables(void)
1083 {
1084         free_switcher_pte_pages();
1085 }