KVM: MMU: make direct mapping paths aware of mapping levels
[linux-2.6.git] / arch / x86 / kvm / paging_tmpl.h
1 /*
2  * Kernel-based Virtual Machine driver for Linux
3  *
4  * This module enables machines with Intel VT-x extensions to run virtual
5  * machines without emulation or binary translation.
6  *
7  * MMU support
8  *
9  * Copyright (C) 2006 Qumranet, Inc.
10  *
11  * Authors:
12  *   Yaniv Kamay  <yaniv@qumranet.com>
13  *   Avi Kivity   <avi@qumranet.com>
14  *
15  * This work is licensed under the terms of the GNU GPL, version 2.  See
16  * the COPYING file in the top-level directory.
17  *
18  */
19
20 /*
21  * We need the mmu code to access both 32-bit and 64-bit guest ptes,
22  * so the code in this file is compiled twice, once per pte size.
23  */
24
25 #if PTTYPE == 64
26         #define pt_element_t u64
27         #define guest_walker guest_walker64
28         #define FNAME(name) paging##64_##name
29         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT64_BASE_ADDR_MASK
30         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT64_DIR_BASE_ADDR_MASK
31         #define PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
32         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT64_LEVEL_MASK(level)
33         #define PT_LEVEL_BITS PT64_LEVEL_BITS
34         #ifdef CONFIG_X86_64
35         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 4
36         #define CMPXCHG cmpxchg
37         #else
38         #define CMPXCHG cmpxchg64
39         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
40         #endif
41 #elif PTTYPE == 32
42         #define pt_element_t u32
43         #define guest_walker guest_walker32
44         #define FNAME(name) paging##32_##name
45         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT32_BASE_ADDR_MASK
46         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT32_DIR_BASE_ADDR_MASK
47         #define PT_INDEX(addr, level) PT32_INDEX(addr, level)
48         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT32_LEVEL_MASK(level)
49         #define PT_LEVEL_BITS PT32_LEVEL_BITS
50         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
51         #define CMPXCHG cmpxchg
52 #else
53         #error Invalid PTTYPE value
54 #endif
55
56 #define gpte_to_gfn FNAME(gpte_to_gfn)
57 #define gpte_to_gfn_pde FNAME(gpte_to_gfn_pde)
58
59 /*
60  * The guest_walker structure emulates the behavior of the hardware page
61  * table walker.
62  */
63 struct guest_walker {
64         int level;
65         gfn_t table_gfn[PT_MAX_FULL_LEVELS];
66         pt_element_t ptes[PT_MAX_FULL_LEVELS];
67         gpa_t pte_gpa[PT_MAX_FULL_LEVELS];
68         unsigned pt_access;
69         unsigned pte_access;
70         gfn_t gfn;
71         u32 error_code;
72 };
73
74 static gfn_t gpte_to_gfn(pt_element_t gpte)
75 {
76         return (gpte & PT_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
77 }
78
79 static gfn_t gpte_to_gfn_pde(pt_element_t gpte)
80 {
81         return (gpte & PT_DIR_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
82 }
83
84 static bool FNAME(cmpxchg_gpte)(struct kvm *kvm,
85                          gfn_t table_gfn, unsigned index,
86                          pt_element_t orig_pte, pt_element_t new_pte)
87 {
88         pt_element_t ret;
89         pt_element_t *table;
90         struct page *page;
91
92         page = gfn_to_page(kvm, table_gfn);
93
94         table = kmap_atomic(page, KM_USER0);
95         ret = CMPXCHG(&table[index], orig_pte, new_pte);
96         kunmap_atomic(table, KM_USER0);
97
98         kvm_release_page_dirty(page);
99
100         return (ret != orig_pte);
101 }
102
103 static unsigned FNAME(gpte_access)(struct kvm_vcpu *vcpu, pt_element_t gpte)
104 {
105         unsigned access;
106
107         access = (gpte & (PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK)) | ACC_EXEC_MASK;
108 #if PTTYPE == 64
109         if (is_nx(vcpu))
110                 access &= ~(gpte >> PT64_NX_SHIFT);
111 #endif
112         return access;
113 }
114
115 /*
116  * Fetch a guest pte for a guest virtual address
117  */
118 static int FNAME(walk_addr)(struct guest_walker *walker,
119                             struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
120                             int write_fault, int user_fault, int fetch_fault)
121 {
122         pt_element_t pte;
123         gfn_t table_gfn;
124         unsigned index, pt_access, pte_access;
125         gpa_t pte_gpa;
126         int rsvd_fault = 0;
127
128         trace_kvm_mmu_pagetable_walk(addr, write_fault, user_fault,
129                                      fetch_fault);
130 walk:
131         walker->level = vcpu->arch.mmu.root_level;
132         pte = vcpu->arch.cr3;
133 #if PTTYPE == 64
134         if (!is_long_mode(vcpu)) {
135                 pte = kvm_pdptr_read(vcpu, (addr >> 30) & 3);
136                 trace_kvm_mmu_paging_element(pte, walker->level);
137                 if (!is_present_gpte(pte))
138                         goto not_present;
139                 --walker->level;
140         }
141 #endif
142         ASSERT((!is_long_mode(vcpu) && is_pae(vcpu)) ||
143                (vcpu->arch.cr3 & CR3_NONPAE_RESERVED_BITS) == 0);
144
145         pt_access = ACC_ALL;
146
147         for (;;) {
148                 index = PT_INDEX(addr, walker->level);
149
150                 table_gfn = gpte_to_gfn(pte);
151                 pte_gpa = gfn_to_gpa(table_gfn);
152                 pte_gpa += index * sizeof(pt_element_t);
153                 walker->table_gfn[walker->level - 1] = table_gfn;
154                 walker->pte_gpa[walker->level - 1] = pte_gpa;
155
156                 kvm_read_guest(vcpu->kvm, pte_gpa, &pte, sizeof(pte));
157                 trace_kvm_mmu_paging_element(pte, walker->level);
158
159                 if (!is_present_gpte(pte))
160                         goto not_present;
161
162                 rsvd_fault = is_rsvd_bits_set(vcpu, pte, walker->level);
163                 if (rsvd_fault)
164                         goto access_error;
165
166                 if (write_fault && !is_writeble_pte(pte))
167                         if (user_fault || is_write_protection(vcpu))
168                                 goto access_error;
169
170                 if (user_fault && !(pte & PT_USER_MASK))
171                         goto access_error;
172
173 #if PTTYPE == 64
174                 if (fetch_fault && is_nx(vcpu) && (pte & PT64_NX_MASK))
175                         goto access_error;
176 #endif
177
178                 if (!(pte & PT_ACCESSED_MASK)) {
179                         trace_kvm_mmu_set_accessed_bit(table_gfn, index,
180                                                        sizeof(pte));
181                         mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
182                         if (FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn,
183                             index, pte, pte|PT_ACCESSED_MASK))
184                                 goto walk;
185                         pte |= PT_ACCESSED_MASK;
186                 }
187
188                 pte_access = pt_access & FNAME(gpte_access)(vcpu, pte);
189
190                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
191
192                 if (walker->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL) {
193                         walker->gfn = gpte_to_gfn(pte);
194                         break;
195                 }
196
197                 if (walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL
198                     && (pte & PT_PAGE_SIZE_MASK)
199                     && (PTTYPE == 64 || is_pse(vcpu))) {
200                         walker->gfn = gpte_to_gfn_pde(pte);
201                         walker->gfn += PT_INDEX(addr, PT_PAGE_TABLE_LEVEL);
202                         if (PTTYPE == 32 && is_cpuid_PSE36())
203                                 walker->gfn += pse36_gfn_delta(pte);
204                         break;
205                 }
206
207                 pt_access = pte_access;
208                 --walker->level;
209         }
210
211         if (write_fault && !is_dirty_gpte(pte)) {
212                 bool ret;
213
214                 trace_kvm_mmu_set_dirty_bit(table_gfn, index, sizeof(pte));
215                 mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
216                 ret = FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn, index, pte,
217                             pte|PT_DIRTY_MASK);
218                 if (ret)
219                         goto walk;
220                 pte |= PT_DIRTY_MASK;
221                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
222         }
223
224         walker->pt_access = pt_access;
225         walker->pte_access = pte_access;
226         pgprintk("%s: pte %llx pte_access %x pt_access %x\n",
227                  __func__, (u64)pte, pt_access, pte_access);
228         return 1;
229
230 not_present:
231         walker->error_code = 0;
232         goto err;
233
234 access_error:
235         walker->error_code = PFERR_PRESENT_MASK;
236
237 err:
238         if (write_fault)
239                 walker->error_code |= PFERR_WRITE_MASK;
240         if (user_fault)
241                 walker->error_code |= PFERR_USER_MASK;
242         if (fetch_fault)
243                 walker->error_code |= PFERR_FETCH_MASK;
244         if (rsvd_fault)
245                 walker->error_code |= PFERR_RSVD_MASK;
246         trace_kvm_mmu_walker_error(walker->error_code);
247         return 0;
248 }
249
250 static void FNAME(update_pte)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *page,
251                               u64 *spte, const void *pte)
252 {
253         pt_element_t gpte;
254         unsigned pte_access;
255         pfn_t pfn;
256         int level = vcpu->arch.update_pte.level;
257
258         gpte = *(const pt_element_t *)pte;
259         if (~gpte & (PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK)) {
260                 if (!is_present_gpte(gpte))
261                         __set_spte(spte, shadow_notrap_nonpresent_pte);
262                 return;
263         }
264         pgprintk("%s: gpte %llx spte %p\n", __func__, (u64)gpte, spte);
265         pte_access = page->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
266         if (gpte_to_gfn(gpte) != vcpu->arch.update_pte.gfn)
267                 return;
268         pfn = vcpu->arch.update_pte.pfn;
269         if (is_error_pfn(pfn))
270                 return;
271         if (mmu_notifier_retry(vcpu, vcpu->arch.update_pte.mmu_seq))
272                 return;
273         kvm_get_pfn(pfn);
274         mmu_set_spte(vcpu, spte, page->role.access, pte_access, 0, 0,
275                      gpte & PT_DIRTY_MASK, NULL, level,
276                      gpte_to_gfn(gpte), pfn, true);
277 }
278
279 /*
280  * Fetch a shadow pte for a specific level in the paging hierarchy.
281  */
282 static u64 *FNAME(fetch)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
283                          struct guest_walker *gw,
284                          int user_fault, int write_fault, int largepage,
285                          int *ptwrite, pfn_t pfn)
286 {
287         unsigned access = gw->pt_access;
288         struct kvm_mmu_page *shadow_page;
289         u64 spte, *sptep = NULL;
290         int direct;
291         gfn_t table_gfn;
292         int r;
293         int level;
294         pt_element_t curr_pte;
295         struct kvm_shadow_walk_iterator iterator;
296
297         if (!is_present_gpte(gw->ptes[gw->level - 1]))
298                 return NULL;
299
300         for_each_shadow_entry(vcpu, addr, iterator) {
301                 level = iterator.level;
302                 sptep = iterator.sptep;
303                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL
304                     || (largepage && level == PT_DIRECTORY_LEVEL)) {
305                         mmu_set_spte(vcpu, sptep, access,
306                                      gw->pte_access & access,
307                                      user_fault, write_fault,
308                                      gw->ptes[gw->level-1] & PT_DIRTY_MASK,
309                                      ptwrite, level,
310                                      gw->gfn, pfn, false);
311                         break;
312                 }
313
314                 if (is_shadow_present_pte(*sptep) && !is_large_pte(*sptep))
315                         continue;
316
317                 if (is_large_pte(*sptep)) {
318                         rmap_remove(vcpu->kvm, sptep);
319                         __set_spte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
320                         kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
321                 }
322
323                 if (level == PT_DIRECTORY_LEVEL
324                     && gw->level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
325                         direct = 1;
326                         if (!is_dirty_gpte(gw->ptes[level - 1]))
327                                 access &= ~ACC_WRITE_MASK;
328                         table_gfn = gpte_to_gfn(gw->ptes[level - 1]);
329                 } else {
330                         direct = 0;
331                         table_gfn = gw->table_gfn[level - 2];
332                 }
333                 shadow_page = kvm_mmu_get_page(vcpu, table_gfn, addr, level-1,
334                                                direct, access, sptep);
335                 if (!direct) {
336                         r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm,
337                                                   gw->pte_gpa[level - 2],
338                                                   &curr_pte, sizeof(curr_pte));
339                         if (r || curr_pte != gw->ptes[level - 2]) {
340                                 kvm_mmu_put_page(shadow_page, sptep);
341                                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
342                                 sptep = NULL;
343                                 break;
344                         }
345                 }
346
347                 spte = __pa(shadow_page->spt)
348                         | PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK
349                         | PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK;
350                 *sptep = spte;
351         }
352
353         return sptep;
354 }
355
356 /*
357  * Page fault handler.  There are several causes for a page fault:
358  *   - there is no shadow pte for the guest pte
359  *   - write access through a shadow pte marked read only so that we can set
360  *     the dirty bit
361  *   - write access to a shadow pte marked read only so we can update the page
362  *     dirty bitmap, when userspace requests it
363  *   - mmio access; in this case we will never install a present shadow pte
364  *   - normal guest page fault due to the guest pte marked not present, not
365  *     writable, or not executable
366  *
367  *  Returns: 1 if we need to emulate the instruction, 0 otherwise, or
368  *           a negative value on error.
369  */
370 static int FNAME(page_fault)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
371                                u32 error_code)
372 {
373         int write_fault = error_code & PFERR_WRITE_MASK;
374         int user_fault = error_code & PFERR_USER_MASK;
375         int fetch_fault = error_code & PFERR_FETCH_MASK;
376         struct guest_walker walker;
377         u64 *sptep;
378         int write_pt = 0;
379         int r;
380         pfn_t pfn;
381         int largepage = 0;
382         unsigned long mmu_seq;
383
384         pgprintk("%s: addr %lx err %x\n", __func__, addr, error_code);
385         kvm_mmu_audit(vcpu, "pre page fault");
386
387         r = mmu_topup_memory_caches(vcpu);
388         if (r)
389                 return r;
390
391         /*
392          * Look up the guest pte for the faulting address.
393          */
394         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, addr, write_fault, user_fault,
395                              fetch_fault);
396
397         /*
398          * The page is not mapped by the guest.  Let the guest handle it.
399          */
400         if (!r) {
401                 pgprintk("%s: guest page fault\n", __func__);
402                 inject_page_fault(vcpu, addr, walker.error_code);
403                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
404                 return 0;
405         }
406
407         if (walker.level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
408                 gfn_t large_gfn;
409                 large_gfn = walker.gfn &
410                             ~(KVM_PAGES_PER_HPAGE(PT_DIRECTORY_LEVEL) - 1);
411                 if (mapping_level(vcpu, large_gfn) == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
412                         walker.gfn = large_gfn;
413                         largepage = 1;
414                 }
415         }
416         mmu_seq = vcpu->kvm->mmu_notifier_seq;
417         smp_rmb();
418         pfn = gfn_to_pfn(vcpu->kvm, walker.gfn);
419
420         /* mmio */
421         if (is_error_pfn(pfn)) {
422                 pgprintk("gfn %lx is mmio\n", walker.gfn);
423                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
424                 return 1;
425         }
426
427         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
428         if (mmu_notifier_retry(vcpu, mmu_seq))
429                 goto out_unlock;
430         kvm_mmu_free_some_pages(vcpu);
431         sptep = FNAME(fetch)(vcpu, addr, &walker, user_fault, write_fault,
432                              largepage, &write_pt, pfn);
433
434         pgprintk("%s: shadow pte %p %llx ptwrite %d\n", __func__,
435                  sptep, *sptep, write_pt);
436
437         if (!write_pt)
438                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
439
440         ++vcpu->stat.pf_fixed;
441         kvm_mmu_audit(vcpu, "post page fault (fixed)");
442         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
443
444         return write_pt;
445
446 out_unlock:
447         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
448         kvm_release_pfn_clean(pfn);
449         return 0;
450 }
451
452 static void FNAME(invlpg)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t gva)
453 {
454         struct kvm_shadow_walk_iterator iterator;
455         pt_element_t gpte;
456         gpa_t pte_gpa = -1;
457         int level;
458         u64 *sptep;
459         int need_flush = 0;
460
461         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
462
463         for_each_shadow_entry(vcpu, gva, iterator) {
464                 level = iterator.level;
465                 sptep = iterator.sptep;
466
467                 /* FIXME: properly handle invlpg on large guest pages */
468                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL ||
469                     ((level == PT_DIRECTORY_LEVEL) && is_large_pte(*sptep))) {
470                         struct kvm_mmu_page *sp = page_header(__pa(sptep));
471
472                         pte_gpa = (sp->gfn << PAGE_SHIFT);
473                         pte_gpa += (sptep - sp->spt) * sizeof(pt_element_t);
474
475                         if (is_shadow_present_pte(*sptep)) {
476                                 rmap_remove(vcpu->kvm, sptep);
477                                 if (is_large_pte(*sptep))
478                                         --vcpu->kvm->stat.lpages;
479                                 need_flush = 1;
480                         }
481                         __set_spte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
482                         break;
483                 }
484
485                 if (!is_shadow_present_pte(*sptep))
486                         break;
487         }
488
489         if (need_flush)
490                 kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
491         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
492
493         if (pte_gpa == -1)
494                 return;
495         if (kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, &gpte,
496                                   sizeof(pt_element_t)))
497                 return;
498         if (is_present_gpte(gpte) && (gpte & PT_ACCESSED_MASK)) {
499                 if (mmu_topup_memory_caches(vcpu))
500                         return;
501                 kvm_mmu_pte_write(vcpu, pte_gpa, (const u8 *)&gpte,
502                                   sizeof(pt_element_t), 0);
503         }
504 }
505
506 static gpa_t FNAME(gva_to_gpa)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t vaddr)
507 {
508         struct guest_walker walker;
509         gpa_t gpa = UNMAPPED_GVA;
510         int r;
511
512         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, vaddr, 0, 0, 0);
513
514         if (r) {
515                 gpa = gfn_to_gpa(walker.gfn);
516                 gpa |= vaddr & ~PAGE_MASK;
517         }
518
519         return gpa;
520 }
521
522 static void FNAME(prefetch_page)(struct kvm_vcpu *vcpu,
523                                  struct kvm_mmu_page *sp)
524 {
525         int i, j, offset, r;
526         pt_element_t pt[256 / sizeof(pt_element_t)];
527         gpa_t pte_gpa;
528
529         if (sp->role.direct
530             || (PTTYPE == 32 && sp->role.level > PT_PAGE_TABLE_LEVEL)) {
531                 nonpaging_prefetch_page(vcpu, sp);
532                 return;
533         }
534
535         pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
536         if (PTTYPE == 32) {
537                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
538                 pte_gpa += offset * sizeof(pt_element_t);
539         }
540
541         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i += ARRAY_SIZE(pt)) {
542                 r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, pt, sizeof pt);
543                 pte_gpa += ARRAY_SIZE(pt) * sizeof(pt_element_t);
544                 for (j = 0; j < ARRAY_SIZE(pt); ++j)
545                         if (r || is_present_gpte(pt[j]))
546                                 sp->spt[i+j] = shadow_trap_nonpresent_pte;
547                         else
548                                 sp->spt[i+j] = shadow_notrap_nonpresent_pte;
549         }
550 }
551
552 /*
553  * Using the cached information from sp->gfns is safe because:
554  * - The spte has a reference to the struct page, so the pfn for a given gfn
555  *   can't change unless all sptes pointing to it are nuked first.
556  * - Alias changes zap the entire shadow cache.
557  */
558 static int FNAME(sync_page)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *sp)
559 {
560         int i, offset, nr_present;
561
562         offset = nr_present = 0;
563
564         if (PTTYPE == 32)
565                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
566
567         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i++) {
568                 unsigned pte_access;
569                 pt_element_t gpte;
570                 gpa_t pte_gpa;
571                 gfn_t gfn = sp->gfns[i];
572
573                 if (!is_shadow_present_pte(sp->spt[i]))
574                         continue;
575
576                 pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
577                 pte_gpa += (i+offset) * sizeof(pt_element_t);
578
579                 if (kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, &gpte,
580                                           sizeof(pt_element_t)))
581                         return -EINVAL;
582
583                 if (gpte_to_gfn(gpte) != gfn || !is_present_gpte(gpte) ||
584                     !(gpte & PT_ACCESSED_MASK)) {
585                         u64 nonpresent;
586
587                         rmap_remove(vcpu->kvm, &sp->spt[i]);
588                         if (is_present_gpte(gpte))
589                                 nonpresent = shadow_trap_nonpresent_pte;
590                         else
591                                 nonpresent = shadow_notrap_nonpresent_pte;
592                         __set_spte(&sp->spt[i], nonpresent);
593                         continue;
594                 }
595
596                 nr_present++;
597                 pte_access = sp->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
598                 set_spte(vcpu, &sp->spt[i], pte_access, 0, 0,
599                          is_dirty_gpte(gpte), 0, gfn,
600                          spte_to_pfn(sp->spt[i]), true, false);
601         }
602
603         return !nr_present;
604 }
605
606 #undef pt_element_t
607 #undef guest_walker
608 #undef FNAME
609 #undef PT_BASE_ADDR_MASK
610 #undef PT_INDEX
611 #undef PT_LEVEL_MASK
612 #undef PT_DIR_BASE_ADDR_MASK
613 #undef PT_LEVEL_BITS
614 #undef PT_MAX_FULL_LEVELS
615 #undef gpte_to_gfn
616 #undef gpte_to_gfn_pde
617 #undef CMPXCHG