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