[POWERPC] pseries: phyp dump: Documentation
[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 to point the hardware to the
6  * actual 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 "lg.h"
18
19 /*M:008 We hold reference to pages, which prevents them from being swapped.
20  * It'd be nice to have a callback in the "struct mm_struct" when Linux wants
21  * to swap out.  If we had this, and a shrinker callback to trim PTE pages, we
22  * could probably consider launching Guests as non-root. :*/
23
24 /*H:300
25  * The Page Table Code
26  *
27  * We use two-level page tables for the Guest.  If you're not entirely
28  * comfortable with virtual addresses, physical addresses and page tables then
29  * I recommend you review arch/x86/lguest/boot.c's "Page Table Handling" (with
30  * diagrams!).
31  *
32  * The Guest keeps page tables, but we maintain the actual ones here: these are
33  * called "shadow" page tables.  Which is a very Guest-centric name: these are
34  * the real page tables the CPU uses, although we keep them up to date to
35  * reflect the Guest's.  (See what I mean about weird naming?  Since when do
36  * shadows reflect anything?)
37  *
38  * Anyway, this is the most complicated part of the Host code.  There are seven
39  * parts to this:
40  *  (i) Looking up a page table entry when the Guest faults,
41  *  (ii) Making sure the Guest stack is mapped,
42  *  (iii) Setting up a page table entry when the Guest tells us one has changed,
43  *  (iv) Switching page tables,
44  *  (v) Flushing (throwing away) page tables,
45  *  (vi) Mapping the Switcher when the Guest is about to run,
46  *  (vii) Setting up the page tables initially.
47  :*/
48
49
50 /* 1024 entries in a page table page maps 1024 pages: 4MB.  The Switcher is
51  * conveniently placed at the top 4MB, so it uses a separate, complete PTE
52  * page.  */
53 #define SWITCHER_PGD_INDEX (PTRS_PER_PGD - 1)
54
55 /* We actually need a separate PTE page for each CPU.  Remember that after the
56  * Switcher code itself comes two pages for each CPU, and we don't want this
57  * CPU's guest to see the pages of any other CPU. */
58 static DEFINE_PER_CPU(pte_t *, switcher_pte_pages);
59 #define switcher_pte_page(cpu) per_cpu(switcher_pte_pages, cpu)
60
61 /*H:320 The page table code is curly enough to need helper functions to keep it
62  * clear and clean.
63  *
64  * There are two functions which return pointers to the shadow (aka "real")
65  * page tables.
66  *
67  * spgd_addr() takes the virtual address and returns a pointer to the top-level
68  * page directory entry (PGD) for that address.  Since we keep track of several
69  * page tables, the "i" argument tells us which one we're interested in (it's
70  * usually the current one). */
71 static pgd_t *spgd_addr(struct lg_cpu *cpu, u32 i, unsigned long vaddr)
72 {
73         unsigned int index = pgd_index(vaddr);
74
75         /* We kill any Guest trying to touch the Switcher addresses. */
76         if (index >= SWITCHER_PGD_INDEX) {
77                 kill_guest(cpu, "attempt to access switcher pages");
78                 index = 0;
79         }
80         /* Return a pointer index'th pgd entry for the i'th page table. */
81         return &cpu->lg->pgdirs[i].pgdir[index];
82 }
83
84 /* This routine then takes the page directory entry returned above, which
85  * contains the address of the page table entry (PTE) page.  It then returns a
86  * pointer to the PTE entry for the given address. */
87 static pte_t *spte_addr(pgd_t spgd, unsigned long vaddr)
88 {
89         pte_t *page = __va(pgd_pfn(spgd) << PAGE_SHIFT);
90         /* You should never call this if the PGD entry wasn't valid */
91         BUG_ON(!(pgd_flags(spgd) & _PAGE_PRESENT));
92         return &page[(vaddr >> PAGE_SHIFT) % PTRS_PER_PTE];
93 }
94
95 /* These two functions just like the above two, except they access the Guest
96  * page tables.  Hence they return a Guest address. */
97 static unsigned long gpgd_addr(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
98 {
99         unsigned int index = vaddr >> (PGDIR_SHIFT);
100         return cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].gpgdir + index * sizeof(pgd_t);
101 }
102
103 static unsigned long gpte_addr(pgd_t gpgd, unsigned long vaddr)
104 {
105         unsigned long gpage = pgd_pfn(gpgd) << PAGE_SHIFT;
106         BUG_ON(!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT));
107         return gpage + ((vaddr>>PAGE_SHIFT) % PTRS_PER_PTE) * sizeof(pte_t);
108 }
109
110 /*H:350 This routine takes a page number given by the Guest and converts it to
111  * an actual, physical page number.  It can fail for several reasons: the
112  * virtual address might not be mapped by the Launcher, the write flag is set
113  * and the page is read-only, or the write flag was set and the page was
114  * shared so had to be copied, but we ran out of memory.
115  *
116  * This holds a reference to the page, so release_pte() is careful to
117  * put that back. */
118 static unsigned long get_pfn(unsigned long virtpfn, int write)
119 {
120         struct page *page;
121         /* This value indicates failure. */
122         unsigned long ret = -1UL;
123
124         /* get_user_pages() is a complex interface: it gets the "struct
125          * vm_area_struct" and "struct page" assocated with a range of pages.
126          * It also needs the task's mmap_sem held, and is not very quick.
127          * It returns the number of pages it got. */
128         down_read(&current->mm->mmap_sem);
129         if (get_user_pages(current, current->mm, virtpfn << PAGE_SHIFT,
130                            1, write, 1, &page, NULL) == 1)
131                 ret = page_to_pfn(page);
132         up_read(&current->mm->mmap_sem);
133         return ret;
134 }
135
136 /*H:340 Converting a Guest page table entry to a shadow (ie. real) page table
137  * entry can be a little tricky.  The flags are (almost) the same, but the
138  * Guest PTE contains a virtual page number: the CPU needs the real page
139  * number. */
140 static pte_t gpte_to_spte(struct lg_cpu *cpu, pte_t gpte, int write)
141 {
142         unsigned long pfn, base, flags;
143
144         /* The Guest sets the global flag, because it thinks that it is using
145          * PGE.  We only told it to use PGE so it would tell us whether it was
146          * flushing a kernel mapping or a userspace mapping.  We don't actually
147          * use the global bit, so throw it away. */
148         flags = (pte_flags(gpte) & ~_PAGE_GLOBAL);
149
150         /* The Guest's pages are offset inside the Launcher. */
151         base = (unsigned long)cpu->lg->mem_base / PAGE_SIZE;
152
153         /* We need a temporary "unsigned long" variable to hold the answer from
154          * get_pfn(), because it returns 0xFFFFFFFF on failure, which wouldn't
155          * fit in spte.pfn.  get_pfn() finds the real physical number of the
156          * page, given the virtual number. */
157         pfn = get_pfn(base + pte_pfn(gpte), write);
158         if (pfn == -1UL) {
159                 kill_guest(cpu, "failed to get page %lu", pte_pfn(gpte));
160                 /* When we destroy the Guest, we'll go through the shadow page
161                  * tables and release_pte() them.  Make sure we don't think
162                  * this one is valid! */
163                 flags = 0;
164         }
165         /* Now we assemble our shadow PTE from the page number and flags. */
166         return pfn_pte(pfn, __pgprot(flags));
167 }
168
169 /*H:460 And to complete the chain, release_pte() looks like this: */
170 static void release_pte(pte_t pte)
171 {
172         /* Remember that get_user_pages() took a reference to the page, in
173          * get_pfn()?  We have to put it back now. */
174         if (pte_flags(pte) & _PAGE_PRESENT)
175                 put_page(pfn_to_page(pte_pfn(pte)));
176 }
177 /*:*/
178
179 static void check_gpte(struct lg_cpu *cpu, pte_t gpte)
180 {
181         if ((pte_flags(gpte) & _PAGE_PSE) ||
182             pte_pfn(gpte) >= cpu->lg->pfn_limit)
183                 kill_guest(cpu, "bad page table entry");
184 }
185
186 static void check_gpgd(struct lg_cpu *cpu, pgd_t gpgd)
187 {
188         if ((pgd_flags(gpgd) & ~_PAGE_TABLE) ||
189            (pgd_pfn(gpgd) >= cpu->lg->pfn_limit))
190                 kill_guest(cpu, "bad page directory entry");
191 }
192
193 /*H:330
194  * (i) Looking up a page table entry when the Guest faults.
195  *
196  * We saw this call in run_guest(): when we see a page fault in the Guest, we
197  * come here.  That's because we only set up the shadow page tables lazily as
198  * they're needed, so we get page faults all the time and quietly fix them up
199  * and return to the Guest without it knowing.
200  *
201  * If we fixed up the fault (ie. we mapped the address), this routine returns
202  * true.  Otherwise, it was a real fault and we need to tell the Guest. */
203 int demand_page(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr, int errcode)
204 {
205         pgd_t gpgd;
206         pgd_t *spgd;
207         unsigned long gpte_ptr;
208         pte_t gpte;
209         pte_t *spte;
210
211         /* First step: get the top-level Guest page table entry. */
212         gpgd = lgread(cpu, gpgd_addr(cpu, vaddr), pgd_t);
213         /* Toplevel not present?  We can't map it in. */
214         if (!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT))
215                 return 0;
216
217         /* Now look at the matching shadow entry. */
218         spgd = spgd_addr(cpu, cpu->cpu_pgd, vaddr);
219         if (!(pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT)) {
220                 /* No shadow entry: allocate a new shadow PTE page. */
221                 unsigned long ptepage = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
222                 /* This is not really the Guest's fault, but killing it is
223                  * simple for this corner case. */
224                 if (!ptepage) {
225                         kill_guest(cpu, "out of memory allocating pte page");
226                         return 0;
227                 }
228                 /* We check that the Guest pgd is OK. */
229                 check_gpgd(cpu, gpgd);
230                 /* And we copy the flags to the shadow PGD entry.  The page
231                  * number in the shadow PGD is the page we just allocated. */
232                 *spgd = __pgd(__pa(ptepage) | pgd_flags(gpgd));
233         }
234
235         /* OK, now we look at the lower level in the Guest page table: keep its
236          * address, because we might update it later. */
237         gpte_ptr = gpte_addr(gpgd, vaddr);
238         gpte = lgread(cpu, gpte_ptr, pte_t);
239
240         /* If this page isn't in the Guest page tables, we can't page it in. */
241         if (!(pte_flags(gpte) & _PAGE_PRESENT))
242                 return 0;
243
244         /* Check they're not trying to write to a page the Guest wants
245          * read-only (bit 2 of errcode == write). */
246         if ((errcode & 2) && !(pte_flags(gpte) & _PAGE_RW))
247                 return 0;
248
249         /* User access to a kernel-only page? (bit 3 == user access) */
250         if ((errcode & 4) && !(pte_flags(gpte) & _PAGE_USER))
251                 return 0;
252
253         /* Check that the Guest PTE flags are OK, and the page number is below
254          * the pfn_limit (ie. not mapping the Launcher binary). */
255         check_gpte(cpu, gpte);
256
257         /* Add the _PAGE_ACCESSED and (for a write) _PAGE_DIRTY flag */
258         gpte = pte_mkyoung(gpte);
259         if (errcode & 2)
260                 gpte = pte_mkdirty(gpte);
261
262         /* Get the pointer to the shadow PTE entry we're going to set. */
263         spte = spte_addr(*spgd, vaddr);
264         /* If there was a valid shadow PTE entry here before, we release it.
265          * This can happen with a write to a previously read-only entry. */
266         release_pte(*spte);
267
268         /* If this is a write, we insist that the Guest page is writable (the
269          * final arg to gpte_to_spte()). */
270         if (pte_dirty(gpte))
271                 *spte = gpte_to_spte(cpu, gpte, 1);
272         else
273                 /* If this is a read, don't set the "writable" bit in the page
274                  * table entry, even if the Guest says it's writable.  That way
275                  * we will come back here when a write does actually occur, so
276                  * we can update the Guest's _PAGE_DIRTY flag. */
277                 *spte = gpte_to_spte(cpu, pte_wrprotect(gpte), 0);
278
279         /* Finally, we write the Guest PTE entry back: we've set the
280          * _PAGE_ACCESSED and maybe the _PAGE_DIRTY flags. */
281         lgwrite(cpu, gpte_ptr, pte_t, gpte);
282
283         /* The fault is fixed, the page table is populated, the mapping
284          * manipulated, the result returned and the code complete.  A small
285          * delay and a trace of alliteration are the only indications the Guest
286          * has that a page fault occurred at all. */
287         return 1;
288 }
289
290 /*H:360
291  * (ii) Making sure the Guest stack is mapped.
292  *
293  * Remember that direct traps into the Guest need a mapped Guest kernel stack.
294  * pin_stack_pages() calls us here: we could simply call demand_page(), but as
295  * we've seen that logic is quite long, and usually the stack pages are already
296  * mapped, so it's overkill.
297  *
298  * This is a quick version which answers the question: is this virtual address
299  * mapped by the shadow page tables, and is it writable? */
300 static int page_writable(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
301 {
302         pgd_t *spgd;
303         unsigned long flags;
304
305         /* Look at the current top level entry: is it present? */
306         spgd = spgd_addr(cpu, cpu->cpu_pgd, vaddr);
307         if (!(pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT))
308                 return 0;
309
310         /* Check the flags on the pte entry itself: it must be present and
311          * writable. */
312         flags = pte_flags(*(spte_addr(*spgd, vaddr)));
313
314         return (flags & (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW)) == (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW);
315 }
316
317 /* So, when pin_stack_pages() asks us to pin a page, we check if it's already
318  * in the page tables, and if not, we call demand_page() with error code 2
319  * (meaning "write"). */
320 void pin_page(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
321 {
322         if (!page_writable(cpu, vaddr) && !demand_page(cpu, vaddr, 2))
323                 kill_guest(cpu, "bad stack page %#lx", vaddr);
324 }
325
326 /*H:450 If we chase down the release_pgd() code, it looks like this: */
327 static void release_pgd(struct lguest *lg, pgd_t *spgd)
328 {
329         /* If the entry's not present, there's nothing to release. */
330         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
331                 unsigned int i;
332                 /* Converting the pfn to find the actual PTE page is easy: turn
333                  * the page number into a physical address, then convert to a
334                  * virtual address (easy for kernel pages like this one). */
335                 pte_t *ptepage = __va(pgd_pfn(*spgd) << PAGE_SHIFT);
336                 /* For each entry in the page, we might need to release it. */
337                 for (i = 0; i < PTRS_PER_PTE; i++)
338                         release_pte(ptepage[i]);
339                 /* Now we can free the page of PTEs */
340                 free_page((long)ptepage);
341                 /* And zero out the PGD entry so we never release it twice. */
342                 *spgd = __pgd(0);
343         }
344 }
345
346 /*H:445 We saw flush_user_mappings() twice: once from the flush_user_mappings()
347  * hypercall and once in new_pgdir() when we re-used a top-level pgdir page.
348  * It simply releases every PTE page from 0 up to the Guest's kernel address. */
349 static void flush_user_mappings(struct lguest *lg, int idx)
350 {
351         unsigned int i;
352         /* Release every pgd entry up to the kernel's address. */
353         for (i = 0; i < pgd_index(lg->kernel_address); i++)
354                 release_pgd(lg, lg->pgdirs[idx].pgdir + i);
355 }
356
357 /*H:440 (v) Flushing (throwing away) page tables,
358  *
359  * The Guest has a hypercall to throw away the page tables: it's used when a
360  * large number of mappings have been changed. */
361 void guest_pagetable_flush_user(struct lg_cpu *cpu)
362 {
363         /* Drop the userspace part of the current page table. */
364         flush_user_mappings(cpu->lg, cpu->cpu_pgd);
365 }
366 /*:*/
367
368 /* We walk down the guest page tables to get a guest-physical address */
369 unsigned long guest_pa(struct lg_cpu *cpu, unsigned long vaddr)
370 {
371         pgd_t gpgd;
372         pte_t gpte;
373
374         /* First step: get the top-level Guest page table entry. */
375         gpgd = lgread(cpu, gpgd_addr(cpu, vaddr), pgd_t);
376         /* Toplevel not present?  We can't map it in. */
377         if (!(pgd_flags(gpgd) & _PAGE_PRESENT))
378                 kill_guest(cpu, "Bad address %#lx", vaddr);
379
380         gpte = lgread(cpu, gpte_addr(gpgd, vaddr), pte_t);
381         if (!(pte_flags(gpte) & _PAGE_PRESENT))
382                 kill_guest(cpu, "Bad address %#lx", vaddr);
383
384         return pte_pfn(gpte) * PAGE_SIZE | (vaddr & ~PAGE_MASK);
385 }
386
387 /* We keep several page tables.  This is a simple routine to find the page
388  * table (if any) corresponding to this top-level address the Guest has given
389  * us. */
390 static unsigned int find_pgdir(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
391 {
392         unsigned int i;
393         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
394                 if (lg->pgdirs[i].pgdir && lg->pgdirs[i].gpgdir == pgtable)
395                         break;
396         return i;
397 }
398
399 /*H:435 And this is us, creating the new page directory.  If we really do
400  * allocate a new one (and so the kernel parts are not there), we set
401  * blank_pgdir. */
402 static unsigned int new_pgdir(struct lg_cpu *cpu,
403                               unsigned long gpgdir,
404                               int *blank_pgdir)
405 {
406         unsigned int next;
407
408         /* We pick one entry at random to throw out.  Choosing the Least
409          * Recently Used might be better, but this is easy. */
410         next = random32() % ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs);
411         /* If it's never been allocated at all before, try now. */
412         if (!cpu->lg->pgdirs[next].pgdir) {
413                 cpu->lg->pgdirs[next].pgdir =
414                                         (pgd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
415                 /* If the allocation fails, just keep using the one we have */
416                 if (!cpu->lg->pgdirs[next].pgdir)
417                         next = cpu->cpu_pgd;
418                 else
419                         /* This is a blank page, so there are no kernel
420                          * mappings: caller must map the stack! */
421                         *blank_pgdir = 1;
422         }
423         /* Record which Guest toplevel this shadows. */
424         cpu->lg->pgdirs[next].gpgdir = gpgdir;
425         /* Release all the non-kernel mappings. */
426         flush_user_mappings(cpu->lg, next);
427
428         return next;
429 }
430
431 /*H:430 (iv) Switching page tables
432  *
433  * Now we've seen all the page table setting and manipulation, let's see what
434  * what happens when the Guest changes page tables (ie. changes the top-level
435  * pgdir).  This occurs on almost every context switch. */
436 void guest_new_pagetable(struct lg_cpu *cpu, unsigned long pgtable)
437 {
438         int newpgdir, repin = 0;
439
440         /* Look to see if we have this one already. */
441         newpgdir = find_pgdir(cpu->lg, pgtable);
442         /* If not, we allocate or mug an existing one: if it's a fresh one,
443          * repin gets set to 1. */
444         if (newpgdir == ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs))
445                 newpgdir = new_pgdir(cpu, pgtable, &repin);
446         /* Change the current pgd index to the new one. */
447         cpu->cpu_pgd = newpgdir;
448         /* If it was completely blank, we map in the Guest kernel stack */
449         if (repin)
450                 pin_stack_pages(cpu);
451 }
452
453 /*H:470 Finally, a routine which throws away everything: all PGD entries in all
454  * the shadow page tables, including the Guest's kernel mappings.  This is used
455  * when we destroy the Guest. */
456 static void release_all_pagetables(struct lguest *lg)
457 {
458         unsigned int i, j;
459
460         /* Every shadow pagetable this Guest has */
461         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
462                 if (lg->pgdirs[i].pgdir)
463                         /* Every PGD entry except the Switcher at the top */
464                         for (j = 0; j < SWITCHER_PGD_INDEX; j++)
465                                 release_pgd(lg, lg->pgdirs[i].pgdir + j);
466 }
467
468 /* We also throw away everything when a Guest tells us it's changed a kernel
469  * mapping.  Since kernel mappings are in every page table, it's easiest to
470  * throw them all away.  This traps the Guest in amber for a while as
471  * everything faults back in, but it's rare. */
472 void guest_pagetable_clear_all(struct lg_cpu *cpu)
473 {
474         release_all_pagetables(cpu->lg);
475         /* We need the Guest kernel stack mapped again. */
476         pin_stack_pages(cpu);
477 }
478 /*:*/
479 /*M:009 Since we throw away all mappings when a kernel mapping changes, our
480  * performance sucks for guests using highmem.  In fact, a guest with
481  * PAGE_OFFSET 0xc0000000 (the default) and more than about 700MB of RAM is
482  * usually slower than a Guest with less memory.
483  *
484  * This, of course, cannot be fixed.  It would take some kind of... well, I
485  * don't know, but the term "puissant code-fu" comes to mind. :*/
486
487 /*H:420 This is the routine which actually sets the page table entry for then
488  * "idx"'th shadow page table.
489  *
490  * Normally, we can just throw out the old entry and replace it with 0: if they
491  * use it demand_page() will put the new entry in.  We need to do this anyway:
492  * The Guest expects _PAGE_ACCESSED to be set on its PTE the first time a page
493  * is read from, and _PAGE_DIRTY when it's written to.
494  *
495  * But Avi Kivity pointed out that most Operating Systems (Linux included) set
496  * these bits on PTEs immediately anyway.  This is done to save the CPU from
497  * having to update them, but it helps us the same way: if they set
498  * _PAGE_ACCESSED then we can put a read-only PTE entry in immediately, and if
499  * they set _PAGE_DIRTY then we can put a writable PTE entry in immediately.
500  */
501 static void do_set_pte(struct lg_cpu *cpu, int idx,
502                        unsigned long vaddr, pte_t gpte)
503 {
504         /* Look up the matching shadow page directory entry. */
505         pgd_t *spgd = spgd_addr(cpu, idx, vaddr);
506
507         /* If the top level isn't present, there's no entry to update. */
508         if (pgd_flags(*spgd) & _PAGE_PRESENT) {
509                 /* Otherwise, we start by releasing the existing entry. */
510                 pte_t *spte = spte_addr(*spgd, vaddr);
511                 release_pte(*spte);
512
513                 /* If they're setting this entry as dirty or accessed, we might
514                  * as well put that entry they've given us in now.  This shaves
515                  * 10% off a copy-on-write micro-benchmark. */
516                 if (pte_flags(gpte) & (_PAGE_DIRTY | _PAGE_ACCESSED)) {
517                         check_gpte(cpu, gpte);
518                         *spte = gpte_to_spte(cpu, gpte,
519                                              pte_flags(gpte) & _PAGE_DIRTY);
520                 } else
521                         /* Otherwise kill it and we can demand_page() it in
522                          * later. */
523                         *spte = __pte(0);
524         }
525 }
526
527 /*H:410 Updating a PTE entry is a little trickier.
528  *
529  * We keep track of several different page tables (the Guest uses one for each
530  * process, so it makes sense to cache at least a few).  Each of these have
531  * identical kernel parts: ie. every mapping above PAGE_OFFSET is the same for
532  * all processes.  So when the page table above that address changes, we update
533  * all the page tables, not just the current one.  This is rare.
534  *
535  * The benefit is that when we have to track a new page table, we can copy keep
536  * all the kernel mappings.  This speeds up context switch immensely. */
537 void guest_set_pte(struct lg_cpu *cpu,
538                    unsigned long gpgdir, unsigned long vaddr, pte_t gpte)
539 {
540         /* Kernel mappings must be changed on all top levels.  Slow, but
541          * doesn't happen often. */
542         if (vaddr >= cpu->lg->kernel_address) {
543                 unsigned int i;
544                 for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs); i++)
545                         if (cpu->lg->pgdirs[i].pgdir)
546                                 do_set_pte(cpu, i, vaddr, gpte);
547         } else {
548                 /* Is this page table one we have a shadow for? */
549                 int pgdir = find_pgdir(cpu->lg, gpgdir);
550                 if (pgdir != ARRAY_SIZE(cpu->lg->pgdirs))
551                         /* If so, do the update. */
552                         do_set_pte(cpu, pgdir, vaddr, gpte);
553         }
554 }
555
556 /*H:400
557  * (iii) Setting up a page table entry when the Guest tells us one has changed.
558  *
559  * Just like we did in interrupts_and_traps.c, it makes sense for us to deal
560  * with the other side of page tables while we're here: what happens when the
561  * Guest asks for a page table to be updated?
562  *
563  * We already saw that demand_page() will fill in the shadow page tables when
564  * needed, so we can simply remove shadow page table entries whenever the Guest
565  * tells us they've changed.  When the Guest tries to use the new entry it will
566  * fault and demand_page() will fix it up.
567  *
568  * So with that in mind here's our code to to update a (top-level) PGD entry:
569  */
570 void guest_set_pmd(struct lguest *lg, unsigned long gpgdir, u32 idx)
571 {
572         int pgdir;
573
574         /* The kernel seems to try to initialize this early on: we ignore its
575          * attempts to map over the Switcher. */
576         if (idx >= SWITCHER_PGD_INDEX)
577                 return;
578
579         /* If they're talking about a page table we have a shadow for... */
580         pgdir = find_pgdir(lg, gpgdir);
581         if (pgdir < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs))
582                 /* ... throw it away. */
583                 release_pgd(lg, lg->pgdirs[pgdir].pgdir + idx);
584 }
585
586 /*H:500 (vii) Setting up the page tables initially.
587  *
588  * When a Guest is first created, the Launcher tells us where the toplevel of
589  * its first page table is.  We set some things up here: */
590 int init_guest_pagetable(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
591 {
592         /* We start on the first shadow page table, and give it a blank PGD
593          * page. */
594         lg->pgdirs[0].gpgdir = pgtable;
595         lg->pgdirs[0].pgdir = (pgd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
596         if (!lg->pgdirs[0].pgdir)
597                 return -ENOMEM;
598         lg->cpus[0].cpu_pgd = 0;
599         return 0;
600 }
601
602 /* When the Guest calls LHCALL_LGUEST_INIT we do more setup. */
603 void page_table_guest_data_init(struct lg_cpu *cpu)
604 {
605         /* We get the kernel address: above this is all kernel memory. */
606         if (get_user(cpu->lg->kernel_address,
607                      &cpu->lg->lguest_data->kernel_address)
608             /* We tell the Guest that it can't use the top 4MB of virtual
609              * addresses used by the Switcher. */
610             || put_user(4U*1024*1024, &cpu->lg->lguest_data->reserve_mem)
611             || put_user(cpu->lg->pgdirs[0].gpgdir, &cpu->lg->lguest_data->pgdir))
612                 kill_guest(cpu, "bad guest page %p", cpu->lg->lguest_data);
613
614         /* In flush_user_mappings() we loop from 0 to
615          * "pgd_index(lg->kernel_address)".  This assumes it won't hit the
616          * Switcher mappings, so check that now. */
617         if (pgd_index(cpu->lg->kernel_address) >= SWITCHER_PGD_INDEX)
618                 kill_guest(cpu, "bad kernel address %#lx",
619                                  cpu->lg->kernel_address);
620 }
621
622 /* When a Guest dies, our cleanup is fairly simple. */
623 void free_guest_pagetable(struct lguest *lg)
624 {
625         unsigned int i;
626
627         /* Throw away all page table pages. */
628         release_all_pagetables(lg);
629         /* Now free the top levels: free_page() can handle 0 just fine. */
630         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
631                 free_page((long)lg->pgdirs[i].pgdir);
632 }
633
634 /*H:480 (vi) Mapping the Switcher when the Guest is about to run.
635  *
636  * The Switcher and the two pages for this CPU need to be visible in the
637  * Guest (and not the pages for other CPUs).  We have the appropriate PTE pages
638  * for each CPU already set up, we just need to hook them in now we know which
639  * Guest is about to run on this CPU. */
640 void map_switcher_in_guest(struct lg_cpu *cpu, struct lguest_pages *pages)
641 {
642         pte_t *switcher_pte_page = __get_cpu_var(switcher_pte_pages);
643         pgd_t switcher_pgd;
644         pte_t regs_pte;
645         unsigned long pfn;
646
647         /* Make the last PGD entry for this Guest point to the Switcher's PTE
648          * page for this CPU (with appropriate flags). */
649         switcher_pgd = __pgd(__pa(switcher_pte_page) | __PAGE_KERNEL);
650
651         cpu->lg->pgdirs[cpu->cpu_pgd].pgdir[SWITCHER_PGD_INDEX] = switcher_pgd;
652
653         /* We also change the Switcher PTE page.  When we're running the Guest,
654          * we want the Guest's "regs" page to appear where the first Switcher
655          * page for this CPU is.  This is an optimization: when the Switcher
656          * saves the Guest registers, it saves them into the first page of this
657          * CPU's "struct lguest_pages": if we make sure the Guest's register
658          * page is already mapped there, we don't have to copy them out
659          * again. */
660         pfn = __pa(cpu->regs_page) >> PAGE_SHIFT;
661         regs_pte = pfn_pte(pfn, __pgprot(__PAGE_KERNEL));
662         switcher_pte_page[(unsigned long)pages/PAGE_SIZE%PTRS_PER_PTE] = regs_pte;
663 }
664 /*:*/
665
666 static void free_switcher_pte_pages(void)
667 {
668         unsigned int i;
669
670         for_each_possible_cpu(i)
671                 free_page((long)switcher_pte_page(i));
672 }
673
674 /*H:520 Setting up the Switcher PTE page for given CPU is fairly easy, given
675  * the CPU number and the "struct page"s for the Switcher code itself.
676  *
677  * Currently the Switcher is less than a page long, so "pages" is always 1. */
678 static __init void populate_switcher_pte_page(unsigned int cpu,
679                                               struct page *switcher_page[],
680                                               unsigned int pages)
681 {
682         unsigned int i;
683         pte_t *pte = switcher_pte_page(cpu);
684
685         /* The first entries are easy: they map the Switcher code. */
686         for (i = 0; i < pages; i++) {
687                 pte[i] = mk_pte(switcher_page[i],
688                                 __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED));
689         }
690
691         /* The only other thing we map is this CPU's pair of pages. */
692         i = pages + cpu*2;
693
694         /* First page (Guest registers) is writable from the Guest */
695         pte[i] = pfn_pte(page_to_pfn(switcher_page[i]),
696                          __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED|_PAGE_RW));
697
698         /* The second page contains the "struct lguest_ro_state", and is
699          * read-only. */
700         pte[i+1] = pfn_pte(page_to_pfn(switcher_page[i+1]),
701                            __pgprot(_PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED));
702 }
703
704 /* We've made it through the page table code.  Perhaps our tired brains are
705  * still processing the details, or perhaps we're simply glad it's over.
706  *
707  * If nothing else, note that all this complexity in juggling shadow page
708  * tables in sync with the Guest's page tables is for one reason: for most
709  * Guests this page table dance determines how bad performance will be.  This
710  * is why Xen uses exotic direct Guest pagetable manipulation, and why both
711  * Intel and AMD have implemented shadow page table support directly into
712  * hardware.
713  *
714  * There is just one file remaining in the Host. */
715
716 /*H:510 At boot or module load time, init_pagetables() allocates and populates
717  * the Switcher PTE page for each CPU. */
718 __init int init_pagetables(struct page **switcher_page, unsigned int pages)
719 {
720         unsigned int i;
721
722         for_each_possible_cpu(i) {
723                 switcher_pte_page(i) = (pte_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
724                 if (!switcher_pte_page(i)) {
725                         free_switcher_pte_pages();
726                         return -ENOMEM;
727                 }
728                 populate_switcher_pte_page(i, switcher_page, pages);
729         }
730         return 0;
731 }
732 /*:*/
733
734 /* Cleaning up simply involves freeing the PTE page for each CPU. */
735 void free_pagetables(void)
736 {
737         free_switcher_pte_pages();
738 }