Merge branch 'master' of master.kernel.org:/pub/scm/linux/kernel/git/linville/wireles...
[linux-2.6] / drivers / lguest / x86 / switcher_32.S
1 /*P:900 This is the Switcher: code which sits at 0xFFC00000 astride both the
2  * Host and Guest to do the low-level Guest<->Host switch.  It is as simple as
3  * it can be made, but it's naturally 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 /*M:012 Lguest is meant to be simple: my rule of thumb is that 1% more LOC must
10  * gain at least 1% more performance.  Since neither LOC nor performance can be
11  * measured beforehand, it generally means implementing a feature then deciding
12  * if it's worth it.  And once it's implemented, who can say no?
13  *
14  * This is why I haven't implemented this idea myself.  I want to, but I
15  * haven't.  You could, though.
16  *
17  * The main place where lguest performance sucks is Guest page faulting.  When
18  * a Guest userspace process hits an unmapped page we switch back to the Host,
19  * walk the page tables, find it's not mapped, switch back to the Guest page
20  * fault handler, which calls a hypercall to set the page table entry, then
21  * finally returns to userspace.  That's two round-trips.
22  *
23  * If we had a small walker in the Switcher, we could quickly check the Guest
24  * page table and if the page isn't mapped, immediately reflect the fault back
25  * into the Guest.  This means the Switcher would have to know the top of the
26  * Guest page table and the page fault handler address.
27  *
28  * For simplicity, the Guest should only handle the case where the privilege
29  * level of the fault is 3 and probably only not present or write faults.  It
30  * should also detect recursive faults, and hand the original fault to the
31  * Host (which is actually really easy).
32  *
33  * Two questions remain.  Would the performance gain outweigh the complexity?
34  * And who would write the verse documenting it? :*/
35
36 /*M:011 Lguest64 handles NMI.  This gave me NMI envy (until I looked at their
37  * code).  It's worth doing though, since it would let us use oprofile in the
38  * Host when a Guest is running. :*/
39
40 /*S:100
41  * Welcome to the Switcher itself!
42  *
43  * This file contains the low-level code which changes the CPU to run the Guest
44  * code, and returns to the Host when something happens.  Understand this, and
45  * you understand the heart of our journey.
46  *
47  * Because this is in assembler rather than C, our tale switches from prose to
48  * verse.  First I tried limericks:
49  *
50  *      There once was an eax reg,
51  *      To which our pointer was fed,
52  *      It needed an add,
53  *      Which asm-offsets.h had
54  *      But this limerick is hurting my head.
55  *
56  * Next I tried haikus, but fitting the required reference to the seasons in
57  * every stanza was quickly becoming tiresome:
58  *
59  *      The %eax reg
60  *      Holds "struct lguest_pages" now:
61  *      Cherry blossoms fall.
62  *
63  * Then I started with Heroic Verse, but the rhyming requirement leeched away
64  * the content density and led to some uniquely awful oblique rhymes:
65  *
66  *      These constants are coming from struct offsets
67  *      For use within the asm switcher text.
68  *
69  * Finally, I settled for something between heroic hexameter, and normal prose
70  * with inappropriate linebreaks.  Anyway, it aint no Shakespeare.
71  */
72
73 // Not all kernel headers work from assembler
74 // But these ones are needed: the ENTRY() define
75 // And constants extracted from struct offsets
76 // To avoid magic numbers and breakage:
77 // Should they change the compiler can't save us
78 // Down here in the depths of assembler code.
79 #include <linux/linkage.h>
80 #include <asm/asm-offsets.h>
81 #include <asm/page.h>
82 #include <asm/segment.h>
83 #include <asm/lguest.h>
84
85 // We mark the start of the code to copy
86 // It's placed in .text tho it's never run here
87 // You'll see the trick macro at the end
88 // Which interleaves data and text to effect.
89 .text
90 ENTRY(start_switcher_text)
91
92 // When we reach switch_to_guest we have just left
93 // The safe and comforting shores of C code
94 // %eax has the "struct lguest_pages" to use
95 // Where we save state and still see it from the Guest
96 // And %ebx holds the Guest shadow pagetable:
97 // Once set we have truly left Host behind.
98 ENTRY(switch_to_guest)
99         // We told gcc all its regs could fade,
100         // Clobbered by our journey into the Guest
101         // We could have saved them, if we tried
102         // But time is our master and cycles count.
103
104         // Segment registers must be saved for the Host
105         // We push them on the Host stack for later
106         pushl   %es
107         pushl   %ds
108         pushl   %gs
109         pushl   %fs
110         // But the compiler is fickle, and heeds
111         // No warning of %ebp clobbers
112         // When frame pointers are used.  That register
113         // Must be saved and restored or chaos strikes.
114         pushl   %ebp
115         // The Host's stack is done, now save it away
116         // In our "struct lguest_pages" at offset
117         // Distilled into asm-offsets.h
118         movl    %esp, LGUEST_PAGES_host_sp(%eax)
119
120         // All saved and there's now five steps before us:
121         // Stack, GDT, IDT, TSS
122         // Then last of all the page tables are flipped.
123
124         // Yet beware that our stack pointer must be
125         // Always valid lest an NMI hits
126         // %edx does the duty here as we juggle
127         // %eax is lguest_pages: our stack lies within.
128         movl    %eax, %edx
129         addl    $LGUEST_PAGES_regs, %edx
130         movl    %edx, %esp
131
132         // The Guest's GDT we so carefully
133         // Placed in the "struct lguest_pages" before
134         lgdt    LGUEST_PAGES_guest_gdt_desc(%eax)
135
136         // The Guest's IDT we did partially
137         // Copy to "struct lguest_pages" as well.
138         lidt    LGUEST_PAGES_guest_idt_desc(%eax)
139
140         // The TSS entry which controls traps
141         // Must be loaded up with "ltr" now:
142         // The GDT entry that TSS uses 
143         // Changes type when we load it: damn Intel!
144         // For after we switch over our page tables
145         // That entry will be read-only: we'd crash.
146         movl    $(GDT_ENTRY_TSS*8), %edx
147         ltr     %dx
148
149         // Look back now, before we take this last step!
150         // The Host's TSS entry was also marked used;
151         // Let's clear it again for our return.
152         // The GDT descriptor of the Host
153         // Points to the table after two "size" bytes
154         movl    (LGUEST_PAGES_host_gdt_desc+2)(%eax), %edx
155         // Clear "used" from type field (byte 5, bit 2)
156         andb    $0xFD, (GDT_ENTRY_TSS*8 + 5)(%edx)
157
158         // Once our page table's switched, the Guest is live!
159         // The Host fades as we run this final step.
160         // Our "struct lguest_pages" is now read-only.
161         movl    %ebx, %cr3
162
163         // The page table change did one tricky thing:
164         // The Guest's register page has been mapped
165         // Writable under our %esp (stack) --
166         // We can simply pop off all Guest regs.
167         popl    %eax
168         popl    %ebx
169         popl    %ecx
170         popl    %edx
171         popl    %esi
172         popl    %edi
173         popl    %ebp
174         popl    %gs
175         popl    %fs
176         popl    %ds
177         popl    %es
178
179         // Near the base of the stack lurk two strange fields
180         // Which we fill as we exit the Guest
181         // These are the trap number and its error
182         // We can simply step past them on our way.
183         addl    $8, %esp
184
185         // The last five stack slots hold return address
186         // And everything needed to switch privilege
187         // From Switcher's level 0 to Guest's 1,
188         // And the stack where the Guest had last left it.
189         // Interrupts are turned back on: we are Guest.
190         iret
191
192 // We tread two paths to switch back to the Host
193 // Yet both must save Guest state and restore Host
194 // So we put the routine in a macro.
195 #define SWITCH_TO_HOST                                                  \
196         /* We save the Guest state: all registers first                 \
197          * Laid out just as "struct lguest_regs" defines */             \
198         pushl   %es;                                                    \
199         pushl   %ds;                                                    \
200         pushl   %fs;                                                    \
201         pushl   %gs;                                                    \
202         pushl   %ebp;                                                   \
203         pushl   %edi;                                                   \
204         pushl   %esi;                                                   \
205         pushl   %edx;                                                   \
206         pushl   %ecx;                                                   \
207         pushl   %ebx;                                                   \
208         pushl   %eax;                                                   \
209         /* Our stack and our code are using segments                    \
210          * Set in the TSS and IDT                                       \
211          * Yet if we were to touch data we'd use                        \
212          * Whatever data segment the Guest had.                         \
213          * Load the lguest ds segment for now. */                       \
214         movl    $(LGUEST_DS), %eax;                                     \
215         movl    %eax, %ds;                                              \
216         /* So where are we?  Which CPU, which struct?                   \
217          * The stack is our clue: our TSS starts                        \
218          * It at the end of "struct lguest_pages".                      \
219          * Or we may have stumbled while restoring                      \
220          * Our Guest segment regs while in switch_to_guest,             \
221          * The fault pushed atop that part-unwound stack.               \
222          * If we round the stack down to the page start                 \
223          * We're at the start of "struct lguest_pages". */              \
224         movl    %esp, %eax;                                             \
225         andl    $(~(1 << PAGE_SHIFT - 1)), %eax;                        \
226         /* Save our trap number: the switch will obscure it             \
227          * (In the Host the Guest regs are not mapped here)             \
228          * %ebx holds it safe for deliver_to_host */                    \
229         movl    LGUEST_PAGES_regs_trapnum(%eax), %ebx;                  \
230         /* The Host GDT, IDT and stack!                                 \
231          * All these lie safely hidden from the Guest:                  \
232          * We must return to the Host page tables                       \
233          * (Hence that was saved in struct lguest_pages) */             \
234         movl    LGUEST_PAGES_host_cr3(%eax), %edx;                      \
235         movl    %edx, %cr3;                                             \
236         /* As before, when we looked back at the Host                   \
237          * As we left and marked TSS unused                             \
238          * So must we now for the Guest left behind. */                 \
239         andb    $0xFD, (LGUEST_PAGES_guest_gdt+GDT_ENTRY_TSS*8+5)(%eax); \
240         /* Switch to Host's GDT, IDT. */                                \
241         lgdt    LGUEST_PAGES_host_gdt_desc(%eax);                       \
242         lidt    LGUEST_PAGES_host_idt_desc(%eax);                       \
243         /* Restore the Host's stack where its saved regs lie */         \
244         movl    LGUEST_PAGES_host_sp(%eax), %esp;                       \
245         /* Last the TSS: our Host is returned */                        \
246         movl    $(GDT_ENTRY_TSS*8), %edx;                               \
247         ltr     %dx;                                                    \
248         /* Restore now the regs saved right at the first. */            \
249         popl    %ebp;                                                   \
250         popl    %fs;                                                    \
251         popl    %gs;                                                    \
252         popl    %ds;                                                    \
253         popl    %es
254
255 // The first path is trod when the Guest has trapped:
256 // (Which trap it was has been pushed on the stack).
257 // We need only switch back, and the Host will decode
258 // Why we came home, and what needs to be done.
259 return_to_host:
260         SWITCH_TO_HOST
261         iret
262
263 // We are lead to the second path like so:
264 // An interrupt, with some cause external
265 // Has ajerked us rudely from the Guest's code
266 // Again we must return home to the Host
267 deliver_to_host:
268         SWITCH_TO_HOST
269         // But now we must go home via that place
270         // Where that interrupt was supposed to go
271         // Had we not been ensconced, running the Guest.
272         // Here we see the trickness of run_guest_once():
273         // The Host stack is formed like an interrupt
274         // With EIP, CS and EFLAGS layered.
275         // Interrupt handlers end with "iret"
276         // And that will take us home at long long last.
277
278         // But first we must find the handler to call!
279         // The IDT descriptor for the Host
280         // Has two bytes for size, and four for address:
281         // %edx will hold it for us for now.
282         movl    (LGUEST_PAGES_host_idt_desc+2)(%eax), %edx
283         // We now know the table address we need,
284         // And saved the trap's number inside %ebx.
285         // Yet the pointer to the handler is smeared
286         // Across the bits of the table entry.
287         // What oracle can tell us how to extract
288         // From such a convoluted encoding?
289         // I consulted gcc, and it gave
290         // These instructions, which I gladly credit:
291         leal    (%edx,%ebx,8), %eax
292         movzwl  (%eax),%edx
293         movl    4(%eax), %eax
294         xorw    %ax, %ax
295         orl     %eax, %edx
296         // Now the address of the handler's in %edx
297         // We call it now: its "iret" drops us home.
298         jmp     *%edx
299
300 // Every interrupt can come to us here
301 // But we must truly tell each apart.
302 // They number two hundred and fifty six
303 // And each must land in a different spot,
304 // Push its number on stack, and join the stream.
305
306 // And worse, a mere six of the traps stand apart
307 // And push on their stack an addition:
308 // An error number, thirty two bits long
309 // So we punish the other two fifty
310 // And make them push a zero so they match.
311
312 // Yet two fifty six entries is long
313 // And all will look most the same as the last
314 // So we create a macro which can make
315 // As many entries as we need to fill.
316
317 // Note the change to .data then .text:
318 // We plant the address of each entry
319 // Into a (data) table for the Host
320 // To know where each Guest interrupt should go.
321 .macro IRQ_STUB N TARGET
322         .data; .long 1f; .text; 1:
323  // Trap eight, ten through fourteen and seventeen
324  // Supply an error number.  Else zero.
325  .if (\N <> 8) && (\N < 10 || \N > 14) && (\N <> 17)
326         pushl   $0
327  .endif
328         pushl   $\N
329         jmp     \TARGET
330         ALIGN
331 .endm
332
333 // This macro creates numerous entries
334 // Using GAS macros which out-power C's.
335 .macro IRQ_STUBS FIRST LAST TARGET
336  irq=\FIRST
337  .rept \LAST-\FIRST+1
338         IRQ_STUB irq \TARGET
339   irq=irq+1
340  .endr
341 .endm
342
343 // Here's the marker for our pointer table
344 // Laid in the data section just before
345 // Each macro places the address of code
346 // Forming an array: each one points to text
347 // Which handles interrupt in its turn.
348 .data
349 .global default_idt_entries
350 default_idt_entries:
351 .text
352         // The first two traps go straight back to the Host
353         IRQ_STUBS 0 1 return_to_host
354         // We'll say nothing, yet, about NMI
355         IRQ_STUB 2 handle_nmi
356         // Other traps also return to the Host
357         IRQ_STUBS 3 31 return_to_host
358         // All interrupts go via their handlers
359         IRQ_STUBS 32 127 deliver_to_host
360         // 'Cept system calls coming from userspace
361         // Are to go to the Guest, never the Host.
362         IRQ_STUB 128 return_to_host
363         IRQ_STUBS 129 255 deliver_to_host
364
365 // The NMI, what a fabulous beast
366 // Which swoops in and stops us no matter that
367 // We're suspended between heaven and hell,
368 // (Or more likely between the Host and Guest)
369 // When in it comes!  We are dazed and confused
370 // So we do the simplest thing which one can.
371 // Though we've pushed the trap number and zero
372 // We discard them, return, and hope we live.
373 handle_nmi:
374         addl    $8, %esp
375         iret
376
377 // We are done; all that's left is Mastery
378 // And "make Mastery" is a journey long
379 // Designed to make your fingers itch to code.
380
381 // Here ends the text, the file and poem.
382 ENTRY(end_switcher_text)