Introduce "hcall" pointer to indicate pending hypercall.
[linux-2.6] / drivers / lguest / x86 / core.c
1 /*
2  * Copyright (C) 2006, Rusty Russell <rusty@rustcorp.com.au> IBM Corporation.
3  * Copyright (C) 2007, Jes Sorensen <jes@sgi.com> SGI.
4  *
5  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
6  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
7  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
8  * (at your option) any later version.
9  *
10  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
11  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12  * MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, GOOD TITLE or
13  * NON INFRINGEMENT.  See the GNU General Public License for more
14  * details.
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU General Public License
17  * along with this program; if not, write to the Free Software
18  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
19  */
20 #include <linux/kernel.h>
21 #include <linux/start_kernel.h>
22 #include <linux/string.h>
23 #include <linux/console.h>
24 #include <linux/screen_info.h>
25 #include <linux/irq.h>
26 #include <linux/interrupt.h>
27 #include <linux/clocksource.h>
28 #include <linux/clockchips.h>
29 #include <linux/cpu.h>
30 #include <linux/lguest.h>
31 #include <linux/lguest_launcher.h>
32 #include <linux/lguest_bus.h>
33 #include <asm/paravirt.h>
34 #include <asm/param.h>
35 #include <asm/page.h>
36 #include <asm/pgtable.h>
37 #include <asm/desc.h>
38 #include <asm/setup.h>
39 #include <asm/lguest.h>
40 #include <asm/uaccess.h>
41 #include <asm/i387.h>
42 #include "../lg.h"
43
44 static int cpu_had_pge;
45
46 static struct {
47         unsigned long offset;
48         unsigned short segment;
49 } lguest_entry;
50
51 /* Offset from where switcher.S was compiled to where we've copied it */
52 static unsigned long switcher_offset(void)
53 {
54         return SWITCHER_ADDR - (unsigned long)start_switcher_text;
55 }
56
57 /* This cpu's struct lguest_pages. */
58 static struct lguest_pages *lguest_pages(unsigned int cpu)
59 {
60         return &(((struct lguest_pages *)
61                   (SWITCHER_ADDR + SHARED_SWITCHER_PAGES*PAGE_SIZE))[cpu]);
62 }
63
64 static DEFINE_PER_CPU(struct lguest *, last_guest);
65
66 /*S:010
67  * We are getting close to the Switcher.
68  *
69  * Remember that each CPU has two pages which are visible to the Guest when it
70  * runs on that CPU.  This has to contain the state for that Guest: we copy the
71  * state in just before we run the Guest.
72  *
73  * Each Guest has "changed" flags which indicate what has changed in the Guest
74  * since it last ran.  We saw this set in interrupts_and_traps.c and
75  * segments.c.
76  */
77 static void copy_in_guest_info(struct lguest *lg, struct lguest_pages *pages)
78 {
79         /* Copying all this data can be quite expensive.  We usually run the
80          * same Guest we ran last time (and that Guest hasn't run anywhere else
81          * meanwhile).  If that's not the case, we pretend everything in the
82          * Guest has changed. */
83         if (__get_cpu_var(last_guest) != lg || lg->last_pages != pages) {
84                 __get_cpu_var(last_guest) = lg;
85                 lg->last_pages = pages;
86                 lg->changed = CHANGED_ALL;
87         }
88
89         /* These copies are pretty cheap, so we do them unconditionally: */
90         /* Save the current Host top-level page directory. */
91         pages->state.host_cr3 = __pa(current->mm->pgd);
92         /* Set up the Guest's page tables to see this CPU's pages (and no
93          * other CPU's pages). */
94         map_switcher_in_guest(lg, pages);
95         /* Set up the two "TSS" members which tell the CPU what stack to use
96          * for traps which do directly into the Guest (ie. traps at privilege
97          * level 1). */
98         pages->state.guest_tss.esp1 = lg->esp1;
99         pages->state.guest_tss.ss1 = lg->ss1;
100
101         /* Copy direct-to-Guest trap entries. */
102         if (lg->changed & CHANGED_IDT)
103                 copy_traps(lg, pages->state.guest_idt, default_idt_entries);
104
105         /* Copy all GDT entries which the Guest can change. */
106         if (lg->changed & CHANGED_GDT)
107                 copy_gdt(lg, pages->state.guest_gdt);
108         /* If only the TLS entries have changed, copy them. */
109         else if (lg->changed & CHANGED_GDT_TLS)
110                 copy_gdt_tls(lg, pages->state.guest_gdt);
111
112         /* Mark the Guest as unchanged for next time. */
113         lg->changed = 0;
114 }
115
116 /* Finally: the code to actually call into the Switcher to run the Guest. */
117 static void run_guest_once(struct lguest *lg, struct lguest_pages *pages)
118 {
119         /* This is a dummy value we need for GCC's sake. */
120         unsigned int clobber;
121
122         /* Copy the guest-specific information into this CPU's "struct
123          * lguest_pages". */
124         copy_in_guest_info(lg, pages);
125
126         /* Set the trap number to 256 (impossible value).  If we fault while
127          * switching to the Guest (bad segment registers or bug), this will
128          * cause us to abort the Guest. */
129         lg->regs->trapnum = 256;
130
131         /* Now: we push the "eflags" register on the stack, then do an "lcall".
132          * This is how we change from using the kernel code segment to using
133          * the dedicated lguest code segment, as well as jumping into the
134          * Switcher.
135          *
136          * The lcall also pushes the old code segment (KERNEL_CS) onto the
137          * stack, then the address of this call.  This stack layout happens to
138          * exactly match the stack of an interrupt... */
139         asm volatile("pushf; lcall *lguest_entry"
140                      /* This is how we tell GCC that %eax ("a") and %ebx ("b")
141                       * are changed by this routine.  The "=" means output. */
142                      : "=a"(clobber), "=b"(clobber)
143                      /* %eax contains the pages pointer.  ("0" refers to the
144                       * 0-th argument above, ie "a").  %ebx contains the
145                       * physical address of the Guest's top-level page
146                       * directory. */
147                      : "0"(pages), "1"(__pa(lg->pgdirs[lg->pgdidx].pgdir))
148                      /* We tell gcc that all these registers could change,
149                       * which means we don't have to save and restore them in
150                       * the Switcher. */
151                      : "memory", "%edx", "%ecx", "%edi", "%esi");
152 }
153 /*:*/
154
155 /*H:040 This is the i386-specific code to setup and run the Guest.  Interrupts
156  * are disabled: we own the CPU. */
157 void lguest_arch_run_guest(struct lguest *lg)
158 {
159         /* Remember the awfully-named TS bit?  If the Guest has asked
160          * to set it we set it now, so we can trap and pass that trap
161          * to the Guest if it uses the FPU. */
162         if (lg->ts)
163                 lguest_set_ts();
164
165         /* SYSENTER is an optimized way of doing system calls.  We
166          * can't allow it because it always jumps to privilege level 0.
167          * A normal Guest won't try it because we don't advertise it in
168          * CPUID, but a malicious Guest (or malicious Guest userspace
169          * program) could, so we tell the CPU to disable it before
170          * running the Guest. */
171         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_SEP))
172                 wrmsr(MSR_IA32_SYSENTER_CS, 0, 0);
173
174         /* Now we actually run the Guest.  It will pop back out when
175          * something interesting happens, and we can examine its
176          * registers to see what it was doing. */
177         run_guest_once(lg, lguest_pages(raw_smp_processor_id()));
178
179         /* The "regs" pointer contains two extra entries which are not
180          * really registers: a trap number which says what interrupt or
181          * trap made the switcher code come back, and an error code
182          * which some traps set.  */
183
184         /* If the Guest page faulted, then the cr2 register will tell
185          * us the bad virtual address.  We have to grab this now,
186          * because once we re-enable interrupts an interrupt could
187          * fault and thus overwrite cr2, or we could even move off to a
188          * different CPU. */
189         if (lg->regs->trapnum == 14)
190                 lg->arch.last_pagefault = read_cr2();
191         /* Similarly, if we took a trap because the Guest used the FPU,
192          * we have to restore the FPU it expects to see. */
193         else if (lg->regs->trapnum == 7)
194                 math_state_restore();
195
196         /* Restore SYSENTER if it's supposed to be on. */
197         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_SEP))
198                 wrmsr(MSR_IA32_SYSENTER_CS, __KERNEL_CS, 0);
199 }
200
201 /*H:130 Our Guest is usually so well behaved; it never tries to do things it
202  * isn't allowed to.  Unfortunately, Linux's paravirtual infrastructure isn't
203  * quite complete, because it doesn't contain replacements for the Intel I/O
204  * instructions.  As a result, the Guest sometimes fumbles across one during
205  * the boot process as it probes for various things which are usually attached
206  * to a PC.
207  *
208  * When the Guest uses one of these instructions, we get trap #13 (General
209  * Protection Fault) and come here.  We see if it's one of those troublesome
210  * instructions and skip over it.  We return true if we did. */
211 static int emulate_insn(struct lguest *lg)
212 {
213         u8 insn;
214         unsigned int insnlen = 0, in = 0, shift = 0;
215         /* The eip contains the *virtual* address of the Guest's instruction:
216          * guest_pa just subtracts the Guest's page_offset. */
217         unsigned long physaddr = guest_pa(lg, lg->regs->eip);
218
219         /* The guest_pa() function only works for Guest kernel addresses, but
220          * that's all we're trying to do anyway. */
221         if (lg->regs->eip < lg->page_offset)
222                 return 0;
223
224         /* Decoding x86 instructions is icky. */
225         lgread(lg, &insn, physaddr, 1);
226
227         /* 0x66 is an "operand prefix".  It means it's using the upper 16 bits
228            of the eax register. */
229         if (insn == 0x66) {
230                 shift = 16;
231                 /* The instruction is 1 byte so far, read the next byte. */
232                 insnlen = 1;
233                 lgread(lg, &insn, physaddr + insnlen, 1);
234         }
235
236         /* We can ignore the lower bit for the moment and decode the 4 opcodes
237          * we need to emulate. */
238         switch (insn & 0xFE) {
239         case 0xE4: /* in     <next byte>,%al */
240                 insnlen += 2;
241                 in = 1;
242                 break;
243         case 0xEC: /* in     (%dx),%al */
244                 insnlen += 1;
245                 in = 1;
246                 break;
247         case 0xE6: /* out    %al,<next byte> */
248                 insnlen += 2;
249                 break;
250         case 0xEE: /* out    %al,(%dx) */
251                 insnlen += 1;
252                 break;
253         default:
254                 /* OK, we don't know what this is, can't emulate. */
255                 return 0;
256         }
257
258         /* If it was an "IN" instruction, they expect the result to be read
259          * into %eax, so we change %eax.  We always return all-ones, which
260          * traditionally means "there's nothing there". */
261         if (in) {
262                 /* Lower bit tells is whether it's a 16 or 32 bit access */
263                 if (insn & 0x1)
264                         lg->regs->eax = 0xFFFFFFFF;
265                 else
266                         lg->regs->eax |= (0xFFFF << shift);
267         }
268         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
269         lg->regs->eip += insnlen;
270         /* Success! */
271         return 1;
272 }
273
274 /*H:050 Once we've re-enabled interrupts, we look at why the Guest exited. */
275 void lguest_arch_handle_trap(struct lguest *lg)
276 {
277         switch (lg->regs->trapnum) {
278         case 13: /* We've intercepted a GPF. */
279                  /* Check if this was one of those annoying IN or OUT
280                   * instructions which we need to emulate.  If so, we
281                   * just go back into the Guest after we've done it. */
282                 if (lg->regs->errcode == 0) {
283                         if (emulate_insn(lg))
284                                 return;
285                 }
286                 break;
287         case 14: /* We've intercepted a page fault. */
288                  /* The Guest accessed a virtual address that wasn't
289                   * mapped.  This happens a lot: we don't actually set
290                   * up most of the page tables for the Guest at all when
291                   * we start: as it runs it asks for more and more, and
292                   * we set them up as required. In this case, we don't
293                   * even tell the Guest that the fault happened.
294                   *
295                   * The errcode tells whether this was a read or a
296                   * write, and whether kernel or userspace code. */
297                 if (demand_page(lg, lg->arch.last_pagefault, lg->regs->errcode))
298                         return;
299
300                  /* OK, it's really not there (or not OK): the Guest
301                   * needs to know.  We write out the cr2 value so it
302                   * knows where the fault occurred.
303                   *
304                   * Note that if the Guest were really messed up, this
305                   * could happen before it's done the INITIALIZE
306                   * hypercall, so lg->lguest_data will be NULL */
307                 if (lg->lguest_data &&
308                     put_user(lg->arch.last_pagefault, &lg->lguest_data->cr2))
309                         kill_guest(lg, "Writing cr2");
310                 break;
311         case 7: /* We've intercepted a Device Not Available fault. */
312                 /* If the Guest doesn't want to know, we already
313                  * restored the Floating Point Unit, so we just
314                  * continue without telling it. */
315                 if (!lg->ts)
316                         return;
317                 break;
318         case 32 ... 255:
319                 /* These values mean a real interrupt occurred, in which case
320                  * the Host handler has already been run.  We just do a
321                  * friendly check if another process should now be run, then
322                  * return to run the Guest again */
323                 cond_resched();
324                 return;
325         case LGUEST_TRAP_ENTRY:
326                 lg->hcall = lg->regs;
327                 return;
328         }
329
330         /* We didn't handle the trap, so it needs to go to the Guest. */
331         if (!deliver_trap(lg, lg->regs->trapnum))
332                 /* If the Guest doesn't have a handler (either it hasn't
333                  * registered any yet, or it's one of the faults we don't let
334                  * it handle), it dies with a cryptic error message. */
335                 kill_guest(lg, "unhandled trap %li at %#lx (%#lx)",
336                            lg->regs->trapnum, lg->regs->eip,
337                            lg->regs->trapnum == 14 ? lg->arch.last_pagefault
338                            : lg->regs->errcode);
339 }
340
341 /* Now we can look at each of the routines this calls, in increasing order of
342  * complexity: do_hypercalls(), emulate_insn(), maybe_do_interrupt(),
343  * deliver_trap() and demand_page().  After all those, we'll be ready to
344  * examine the Switcher, and our philosophical understanding of the Host/Guest
345  * duality will be complete. :*/
346 static void adjust_pge(void *on)
347 {
348         if (on)
349                 write_cr4(read_cr4() | X86_CR4_PGE);
350         else
351                 write_cr4(read_cr4() & ~X86_CR4_PGE);
352 }
353
354 /*H:020 Now the Switcher is mapped and every thing else is ready, we need to do
355  * some more i386-specific initialization. */
356 void __init lguest_arch_host_init(void)
357 {
358         int i;
359
360         /* Most of the i386/switcher.S doesn't care that it's been moved; on
361          * Intel, jumps are relative, and it doesn't access any references to
362          * external code or data.
363          *
364          * The only exception is the interrupt handlers in switcher.S: their
365          * addresses are placed in a table (default_idt_entries), so we need to
366          * update the table with the new addresses.  switcher_offset() is a
367          * convenience function which returns the distance between the builtin
368          * switcher code and the high-mapped copy we just made. */
369         for (i = 0; i < IDT_ENTRIES; i++)
370                 default_idt_entries[i] += switcher_offset();
371
372         /*
373          * Set up the Switcher's per-cpu areas.
374          *
375          * Each CPU gets two pages of its own within the high-mapped region
376          * (aka. "struct lguest_pages").  Much of this can be initialized now,
377          * but some depends on what Guest we are running (which is set up in
378          * copy_in_guest_info()).
379          */
380         for_each_possible_cpu(i) {
381                 /* lguest_pages() returns this CPU's two pages. */
382                 struct lguest_pages *pages = lguest_pages(i);
383                 /* This is a convenience pointer to make the code fit one
384                  * statement to a line. */
385                 struct lguest_ro_state *state = &pages->state;
386
387                 /* The Global Descriptor Table: the Host has a different one
388                  * for each CPU.  We keep a descriptor for the GDT which says
389                  * where it is and how big it is (the size is actually the last
390                  * byte, not the size, hence the "-1"). */
391                 state->host_gdt_desc.size = GDT_SIZE-1;
392                 state->host_gdt_desc.address = (long)get_cpu_gdt_table(i);
393
394                 /* All CPUs on the Host use the same Interrupt Descriptor
395                  * Table, so we just use store_idt(), which gets this CPU's IDT
396                  * descriptor. */
397                 store_idt(&state->host_idt_desc);
398
399                 /* The descriptors for the Guest's GDT and IDT can be filled
400                  * out now, too.  We copy the GDT & IDT into ->guest_gdt and
401                  * ->guest_idt before actually running the Guest. */
402                 state->guest_idt_desc.size = sizeof(state->guest_idt)-1;
403                 state->guest_idt_desc.address = (long)&state->guest_idt;
404                 state->guest_gdt_desc.size = sizeof(state->guest_gdt)-1;
405                 state->guest_gdt_desc.address = (long)&state->guest_gdt;
406
407                 /* We know where we want the stack to be when the Guest enters
408                  * the switcher: in pages->regs.  The stack grows upwards, so
409                  * we start it at the end of that structure. */
410                 state->guest_tss.esp0 = (long)(&pages->regs + 1);
411                 /* And this is the GDT entry to use for the stack: we keep a
412                  * couple of special LGUEST entries. */
413                 state->guest_tss.ss0 = LGUEST_DS;
414
415                 /* x86 can have a finegrained bitmap which indicates what I/O
416                  * ports the process can use.  We set it to the end of our
417                  * structure, meaning "none". */
418                 state->guest_tss.io_bitmap_base = sizeof(state->guest_tss);
419
420                 /* Some GDT entries are the same across all Guests, so we can
421                  * set them up now. */
422                 setup_default_gdt_entries(state);
423                 /* Most IDT entries are the same for all Guests, too.*/
424                 setup_default_idt_entries(state, default_idt_entries);
425
426                 /* The Host needs to be able to use the LGUEST segments on this
427                  * CPU, too, so put them in the Host GDT. */
428                 get_cpu_gdt_table(i)[GDT_ENTRY_LGUEST_CS] = FULL_EXEC_SEGMENT;
429                 get_cpu_gdt_table(i)[GDT_ENTRY_LGUEST_DS] = FULL_SEGMENT;
430         }
431
432         /* In the Switcher, we want the %cs segment register to use the
433          * LGUEST_CS GDT entry: we've put that in the Host and Guest GDTs, so
434          * it will be undisturbed when we switch.  To change %cs and jump we
435          * need this structure to feed to Intel's "lcall" instruction. */
436         lguest_entry.offset = (long)switch_to_guest + switcher_offset();
437         lguest_entry.segment = LGUEST_CS;
438
439         /* Finally, we need to turn off "Page Global Enable".  PGE is an
440          * optimization where page table entries are specially marked to show
441          * they never change.  The Host kernel marks all the kernel pages this
442          * way because it's always present, even when userspace is running.
443          *
444          * Lguest breaks this: unbeknownst to the rest of the Host kernel, we
445          * switch to the Guest kernel.  If you don't disable this on all CPUs,
446          * you'll get really weird bugs that you'll chase for two days.
447          *
448          * I used to turn PGE off every time we switched to the Guest and back
449          * on when we return, but that slowed the Switcher down noticibly. */
450
451         /* We don't need the complexity of CPUs coming and going while we're
452          * doing this. */
453         lock_cpu_hotplug();
454         if (cpu_has_pge) { /* We have a broader idea of "global". */
455                 /* Remember that this was originally set (for cleanup). */
456                 cpu_had_pge = 1;
457                 /* adjust_pge is a helper function which sets or unsets the PGE
458                  * bit on its CPU, depending on the argument (0 == unset). */
459                 on_each_cpu(adjust_pge, (void *)0, 0, 1);
460                 /* Turn off the feature in the global feature set. */
461                 clear_bit(X86_FEATURE_PGE, boot_cpu_data.x86_capability);
462         }
463         unlock_cpu_hotplug();
464 };
465 /*:*/
466
467 void __exit lguest_arch_host_fini(void)
468 {
469         /* If we had PGE before we started, turn it back on now. */
470         lock_cpu_hotplug();
471         if (cpu_had_pge) {
472                 set_bit(X86_FEATURE_PGE, boot_cpu_data.x86_capability);
473                 /* adjust_pge's argument "1" means set PGE. */
474                 on_each_cpu(adjust_pge, (void *)1, 0, 1);
475         }
476         unlock_cpu_hotplug();
477 }