KVM: Synchronize guest physical memory map to host virtual memory map
[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 SHADOW_PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
33         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT64_LEVEL_MASK(level)
34         #define PT_LEVEL_BITS PT64_LEVEL_BITS
35         #ifdef CONFIG_X86_64
36         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 4
37         #define CMPXCHG cmpxchg
38         #else
39         #define CMPXCHG cmpxchg64
40         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
41         #endif
42 #elif PTTYPE == 32
43         #define pt_element_t u32
44         #define guest_walker guest_walker32
45         #define FNAME(name) paging##32_##name
46         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT32_BASE_ADDR_MASK
47         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT32_DIR_BASE_ADDR_MASK
48         #define PT_INDEX(addr, level) PT32_INDEX(addr, level)
49         #define SHADOW_PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
50         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT32_LEVEL_MASK(level)
51         #define PT_LEVEL_BITS PT32_LEVEL_BITS
52         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
53         #define CMPXCHG cmpxchg
54 #else
55         #error Invalid PTTYPE value
56 #endif
57
58 #define gpte_to_gfn FNAME(gpte_to_gfn)
59 #define gpte_to_gfn_pde FNAME(gpte_to_gfn_pde)
60
61 /*
62  * The guest_walker structure emulates the behavior of the hardware page
63  * table walker.
64  */
65 struct guest_walker {
66         int level;
67         gfn_t table_gfn[PT_MAX_FULL_LEVELS];
68         pt_element_t ptes[PT_MAX_FULL_LEVELS];
69         gpa_t pte_gpa[PT_MAX_FULL_LEVELS];
70         unsigned pt_access;
71         unsigned pte_access;
72         gfn_t gfn;
73         u32 error_code;
74 };
75
76 static gfn_t gpte_to_gfn(pt_element_t gpte)
77 {
78         return (gpte & PT_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
79 }
80
81 static gfn_t gpte_to_gfn_pde(pt_element_t gpte)
82 {
83         return (gpte & PT_DIR_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
84 }
85
86 static bool FNAME(cmpxchg_gpte)(struct kvm *kvm,
87                          gfn_t table_gfn, unsigned index,
88                          pt_element_t orig_pte, pt_element_t new_pte)
89 {
90         pt_element_t ret;
91         pt_element_t *table;
92         struct page *page;
93
94         down_read(&current->mm->mmap_sem);
95         page = gfn_to_page(kvm, table_gfn);
96         up_read(&current->mm->mmap_sem);
97
98         table = kmap_atomic(page, KM_USER0);
99
100         ret = CMPXCHG(&table[index], orig_pte, new_pte);
101
102         kunmap_atomic(table, KM_USER0);
103
104         kvm_release_page_dirty(page);
105
106         return (ret != orig_pte);
107 }
108
109 static unsigned FNAME(gpte_access)(struct kvm_vcpu *vcpu, pt_element_t gpte)
110 {
111         unsigned access;
112
113         access = (gpte & (PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK)) | ACC_EXEC_MASK;
114 #if PTTYPE == 64
115         if (is_nx(vcpu))
116                 access &= ~(gpte >> PT64_NX_SHIFT);
117 #endif
118         return access;
119 }
120
121 /*
122  * Fetch a guest pte for a guest virtual address
123  */
124 static int FNAME(walk_addr)(struct guest_walker *walker,
125                             struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
126                             int write_fault, int user_fault, int fetch_fault)
127 {
128         pt_element_t pte;
129         gfn_t table_gfn;
130         unsigned index, pt_access, pte_access;
131         gpa_t pte_gpa;
132
133         pgprintk("%s: addr %lx\n", __func__, addr);
134 walk:
135         walker->level = vcpu->arch.mmu.root_level;
136         pte = vcpu->arch.cr3;
137 #if PTTYPE == 64
138         if (!is_long_mode(vcpu)) {
139                 pte = vcpu->arch.pdptrs[(addr >> 30) & 3];
140                 if (!is_present_pte(pte))
141                         goto not_present;
142                 --walker->level;
143         }
144 #endif
145         ASSERT((!is_long_mode(vcpu) && is_pae(vcpu)) ||
146                (vcpu->arch.cr3 & CR3_NONPAE_RESERVED_BITS) == 0);
147
148         pt_access = ACC_ALL;
149
150         for (;;) {
151                 index = PT_INDEX(addr, walker->level);
152
153                 table_gfn = gpte_to_gfn(pte);
154                 pte_gpa = gfn_to_gpa(table_gfn);
155                 pte_gpa += index * sizeof(pt_element_t);
156                 walker->table_gfn[walker->level - 1] = table_gfn;
157                 walker->pte_gpa[walker->level - 1] = pte_gpa;
158                 pgprintk("%s: table_gfn[%d] %lx\n", __func__,
159                          walker->level - 1, table_gfn);
160
161                 kvm_read_guest(vcpu->kvm, pte_gpa, &pte, sizeof(pte));
162
163                 if (!is_present_pte(pte))
164                         goto not_present;
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                         mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
180                         if (FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn,
181                             index, pte, pte|PT_ACCESSED_MASK))
182                                 goto walk;
183                         pte |= PT_ACCESSED_MASK;
184                 }
185
186                 pte_access = pt_access & FNAME(gpte_access)(vcpu, pte);
187
188                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
189
190                 if (walker->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL) {
191                         walker->gfn = gpte_to_gfn(pte);
192                         break;
193                 }
194
195                 if (walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL
196                     && (pte & PT_PAGE_SIZE_MASK)
197                     && (PTTYPE == 64 || is_pse(vcpu))) {
198                         walker->gfn = gpte_to_gfn_pde(pte);
199                         walker->gfn += PT_INDEX(addr, PT_PAGE_TABLE_LEVEL);
200                         if (PTTYPE == 32 && is_cpuid_PSE36())
201                                 walker->gfn += pse36_gfn_delta(pte);
202                         break;
203                 }
204
205                 pt_access = pte_access;
206                 --walker->level;
207         }
208
209         if (write_fault && !is_dirty_pte(pte)) {
210                 bool ret;
211
212                 mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
213                 ret = FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn, index, pte,
214                             pte|PT_DIRTY_MASK);
215                 if (ret)
216                         goto walk;
217                 pte |= PT_DIRTY_MASK;
218                 kvm_mmu_pte_write(vcpu, pte_gpa, (u8 *)&pte, sizeof(pte));
219                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
220         }
221
222         walker->pt_access = pt_access;
223         walker->pte_access = pte_access;
224         pgprintk("%s: pte %llx pte_access %x pt_access %x\n",
225                  __func__, (u64)pte, pt_access, pte_access);
226         return 1;
227
228 not_present:
229         walker->error_code = 0;
230         goto err;
231
232 access_error:
233         walker->error_code = PFERR_PRESENT_MASK;
234
235 err:
236         if (write_fault)
237                 walker->error_code |= PFERR_WRITE_MASK;
238         if (user_fault)
239                 walker->error_code |= PFERR_USER_MASK;
240         if (fetch_fault)
241                 walker->error_code |= PFERR_FETCH_MASK;
242         return 0;
243 }
244
245 static void FNAME(update_pte)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *page,
246                               u64 *spte, const void *pte)
247 {
248         pt_element_t gpte;
249         unsigned pte_access;
250         pfn_t pfn;
251         int largepage = vcpu->arch.update_pte.largepage;
252
253         gpte = *(const pt_element_t *)pte;
254         if (~gpte & (PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK)) {
255                 if (!is_present_pte(gpte))
256                         set_shadow_pte(spte, shadow_notrap_nonpresent_pte);
257                 return;
258         }
259         pgprintk("%s: gpte %llx spte %p\n", __func__, (u64)gpte, spte);
260         pte_access = page->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
261         if (gpte_to_gfn(gpte) != vcpu->arch.update_pte.gfn)
262                 return;
263         pfn = vcpu->arch.update_pte.pfn;
264         if (is_error_pfn(pfn))
265                 return;
266         if (mmu_notifier_retry(vcpu, vcpu->arch.update_pte.mmu_seq))
267                 return;
268         kvm_get_pfn(pfn);
269         mmu_set_spte(vcpu, spte, page->role.access, pte_access, 0, 0,
270                      gpte & PT_DIRTY_MASK, NULL, largepage, gpte_to_gfn(gpte),
271                      pfn, true);
272 }
273
274 /*
275  * Fetch a shadow pte for a specific level in the paging hierarchy.
276  */
277 static u64 *FNAME(fetch)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
278                          struct guest_walker *walker,
279                          int user_fault, int write_fault, int largepage,
280                          int *ptwrite, pfn_t pfn)
281 {
282         hpa_t shadow_addr;
283         int level;
284         u64 *shadow_ent;
285         unsigned access = walker->pt_access;
286
287         if (!is_present_pte(walker->ptes[walker->level - 1]))
288                 return NULL;
289
290         shadow_addr = vcpu->arch.mmu.root_hpa;
291         level = vcpu->arch.mmu.shadow_root_level;
292         if (level == PT32E_ROOT_LEVEL) {
293                 shadow_addr = vcpu->arch.mmu.pae_root[(addr >> 30) & 3];
294                 shadow_addr &= PT64_BASE_ADDR_MASK;
295                 --level;
296         }
297
298         for (; ; level--) {
299                 u32 index = SHADOW_PT_INDEX(addr, level);
300                 struct kvm_mmu_page *shadow_page;
301                 u64 shadow_pte;
302                 int metaphysical;
303                 gfn_t table_gfn;
304
305                 shadow_ent = ((u64 *)__va(shadow_addr)) + index;
306                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL)
307                         break;
308
309                 if (largepage && level == PT_DIRECTORY_LEVEL)
310                         break;
311
312                 if (is_shadow_present_pte(*shadow_ent)
313                     && !is_large_pte(*shadow_ent)) {
314                         shadow_addr = *shadow_ent & PT64_BASE_ADDR_MASK;
315                         continue;
316                 }
317
318                 if (is_large_pte(*shadow_ent))
319                         rmap_remove(vcpu->kvm, shadow_ent);
320
321                 if (level - 1 == PT_PAGE_TABLE_LEVEL
322                     && walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
323                         metaphysical = 1;
324                         if (!is_dirty_pte(walker->ptes[level - 1]))
325                                 access &= ~ACC_WRITE_MASK;
326                         table_gfn = gpte_to_gfn(walker->ptes[level - 1]);
327                 } else {
328                         metaphysical = 0;
329                         table_gfn = walker->table_gfn[level - 2];
330                 }
331                 shadow_page = kvm_mmu_get_page(vcpu, table_gfn, addr, level-1,
332                                                metaphysical, access,
333                                                shadow_ent);
334                 if (!metaphysical) {
335                         int r;
336                         pt_element_t curr_pte;
337                         r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm,
338                                                   walker->pte_gpa[level - 2],
339                                                   &curr_pte, sizeof(curr_pte));
340                         if (r || curr_pte != walker->ptes[level - 2]) {
341                                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
342                                 return NULL;
343                         }
344                 }
345                 shadow_addr = __pa(shadow_page->spt);
346                 shadow_pte = shadow_addr | PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK
347                         | PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK;
348                 *shadow_ent = shadow_pte;
349         }
350
351         mmu_set_spte(vcpu, shadow_ent, access, walker->pte_access & access,
352                      user_fault, write_fault,
353                      walker->ptes[walker->level-1] & PT_DIRTY_MASK,
354                      ptwrite, largepage, walker->gfn, pfn, false);
355
356         return shadow_ent;
357 }
358
359 /*
360  * Page fault handler.  There are several causes for a page fault:
361  *   - there is no shadow pte for the guest pte
362  *   - write access through a shadow pte marked read only so that we can set
363  *     the dirty bit
364  *   - write access to a shadow pte marked read only so we can update the page
365  *     dirty bitmap, when userspace requests it
366  *   - mmio access; in this case we will never install a present shadow pte
367  *   - normal guest page fault due to the guest pte marked not present, not
368  *     writable, or not executable
369  *
370  *  Returns: 1 if we need to emulate the instruction, 0 otherwise, or
371  *           a negative value on error.
372  */
373 static int FNAME(page_fault)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
374                                u32 error_code)
375 {
376         int write_fault = error_code & PFERR_WRITE_MASK;
377         int user_fault = error_code & PFERR_USER_MASK;
378         int fetch_fault = error_code & PFERR_FETCH_MASK;
379         struct guest_walker walker;
380         u64 *shadow_pte;
381         int write_pt = 0;
382         int r;
383         pfn_t pfn;
384         int largepage = 0;
385         unsigned long mmu_seq;
386
387         pgprintk("%s: addr %lx err %x\n", __func__, addr, error_code);
388         kvm_mmu_audit(vcpu, "pre page fault");
389
390         r = mmu_topup_memory_caches(vcpu);
391         if (r)
392                 return r;
393
394         /*
395          * Look up the shadow pte for the faulting address.
396          */
397         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, addr, write_fault, user_fault,
398                              fetch_fault);
399
400         /*
401          * The page is not mapped by the guest.  Let the guest handle it.
402          */
403         if (!r) {
404                 pgprintk("%s: guest page fault\n", __func__);
405                 inject_page_fault(vcpu, addr, walker.error_code);
406                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
407                 return 0;
408         }
409
410         down_read(&current->mm->mmap_sem);
411         if (walker.level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
412                 gfn_t large_gfn;
413                 large_gfn = walker.gfn & ~(KVM_PAGES_PER_HPAGE-1);
414                 if (is_largepage_backed(vcpu, large_gfn)) {
415                         walker.gfn = large_gfn;
416                         largepage = 1;
417                 }
418         }
419         mmu_seq = vcpu->kvm->mmu_notifier_seq;
420         /* implicit mb(), we'll read before PT lock is unlocked */
421         pfn = gfn_to_pfn(vcpu->kvm, walker.gfn);
422         up_read(&current->mm->mmap_sem);
423
424         /* mmio */
425         if (is_error_pfn(pfn)) {
426                 pgprintk("gfn %lx is mmio\n", walker.gfn);
427                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
428                 return 1;
429         }
430
431         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
432         if (mmu_notifier_retry(vcpu, mmu_seq))
433                 goto out_unlock;
434         kvm_mmu_free_some_pages(vcpu);
435         shadow_pte = FNAME(fetch)(vcpu, addr, &walker, user_fault, write_fault,
436                                   largepage, &write_pt, pfn);
437
438         pgprintk("%s: shadow pte %p %llx ptwrite %d\n", __func__,
439                  shadow_pte, *shadow_pte, write_pt);
440
441         if (!write_pt)
442                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
443
444         ++vcpu->stat.pf_fixed;
445         kvm_mmu_audit(vcpu, "post page fault (fixed)");
446         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
447
448         return write_pt;
449
450 out_unlock:
451         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
452         kvm_release_pfn_clean(pfn);
453         return 0;
454 }
455
456 static gpa_t FNAME(gva_to_gpa)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t vaddr)
457 {
458         struct guest_walker walker;
459         gpa_t gpa = UNMAPPED_GVA;
460         int r;
461
462         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, vaddr, 0, 0, 0);
463
464         if (r) {
465                 gpa = gfn_to_gpa(walker.gfn);
466                 gpa |= vaddr & ~PAGE_MASK;
467         }
468
469         return gpa;
470 }
471
472 static void FNAME(prefetch_page)(struct kvm_vcpu *vcpu,
473                                  struct kvm_mmu_page *sp)
474 {
475         int i, j, offset, r;
476         pt_element_t pt[256 / sizeof(pt_element_t)];
477         gpa_t pte_gpa;
478
479         if (sp->role.metaphysical
480             || (PTTYPE == 32 && sp->role.level > PT_PAGE_TABLE_LEVEL)) {
481                 nonpaging_prefetch_page(vcpu, sp);
482                 return;
483         }
484
485         pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
486         if (PTTYPE == 32) {
487                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
488                 pte_gpa += offset * sizeof(pt_element_t);
489         }
490
491         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i += ARRAY_SIZE(pt)) {
492                 r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, pt, sizeof pt);
493                 pte_gpa += ARRAY_SIZE(pt) * sizeof(pt_element_t);
494                 for (j = 0; j < ARRAY_SIZE(pt); ++j)
495                         if (r || is_present_pte(pt[j]))
496                                 sp->spt[i+j] = shadow_trap_nonpresent_pte;
497                         else
498                                 sp->spt[i+j] = shadow_notrap_nonpresent_pte;
499         }
500 }
501
502 #undef pt_element_t
503 #undef guest_walker
504 #undef FNAME
505 #undef PT_BASE_ADDR_MASK
506 #undef PT_INDEX
507 #undef SHADOW_PT_INDEX
508 #undef PT_LEVEL_MASK
509 #undef PT_DIR_BASE_ADDR_MASK
510 #undef PT_LEVEL_BITS
511 #undef PT_MAX_FULL_LEVELS
512 #undef gpte_to_gfn
513 #undef gpte_to_gfn_pde
514 #undef CMPXCHG