lguest: the host code
[linux-2.6.git] / drivers / lguest / page_tables.c
1 /* Shadow page table operations.
2  * Copyright (C) Rusty Russell IBM Corporation 2006.
3  * GPL v2 and any later version */
4 #include <linux/mm.h>
5 #include <linux/types.h>
6 #include <linux/spinlock.h>
7 #include <linux/random.h>
8 #include <linux/percpu.h>
9 #include <asm/tlbflush.h>
10 #include "lg.h"
11
12 #define PTES_PER_PAGE_SHIFT 10
13 #define PTES_PER_PAGE (1 << PTES_PER_PAGE_SHIFT)
14 #define SWITCHER_PGD_INDEX (PTES_PER_PAGE - 1)
15
16 static DEFINE_PER_CPU(spte_t *, switcher_pte_pages);
17 #define switcher_pte_page(cpu) per_cpu(switcher_pte_pages, cpu)
18
19 static unsigned vaddr_to_pgd_index(unsigned long vaddr)
20 {
21         return vaddr >> (PAGE_SHIFT + PTES_PER_PAGE_SHIFT);
22 }
23
24 /* These access the shadow versions (ie. the ones used by the CPU). */
25 static spgd_t *spgd_addr(struct lguest *lg, u32 i, unsigned long vaddr)
26 {
27         unsigned int index = vaddr_to_pgd_index(vaddr);
28
29         if (index >= SWITCHER_PGD_INDEX) {
30                 kill_guest(lg, "attempt to access switcher pages");
31                 index = 0;
32         }
33         return &lg->pgdirs[i].pgdir[index];
34 }
35
36 static spte_t *spte_addr(struct lguest *lg, spgd_t spgd, unsigned long vaddr)
37 {
38         spte_t *page = __va(spgd.pfn << PAGE_SHIFT);
39         BUG_ON(!(spgd.flags & _PAGE_PRESENT));
40         return &page[(vaddr >> PAGE_SHIFT) % PTES_PER_PAGE];
41 }
42
43 /* These access the guest versions. */
44 static unsigned long gpgd_addr(struct lguest *lg, unsigned long vaddr)
45 {
46         unsigned int index = vaddr >> (PAGE_SHIFT + PTES_PER_PAGE_SHIFT);
47         return lg->pgdirs[lg->pgdidx].cr3 + index * sizeof(gpgd_t);
48 }
49
50 static unsigned long gpte_addr(struct lguest *lg,
51                                gpgd_t gpgd, unsigned long vaddr)
52 {
53         unsigned long gpage = gpgd.pfn << PAGE_SHIFT;
54         BUG_ON(!(gpgd.flags & _PAGE_PRESENT));
55         return gpage + ((vaddr>>PAGE_SHIFT) % PTES_PER_PAGE) * sizeof(gpte_t);
56 }
57
58 /* Do a virtual -> physical mapping on a user page. */
59 static unsigned long get_pfn(unsigned long virtpfn, int write)
60 {
61         struct page *page;
62         unsigned long ret = -1UL;
63
64         down_read(&current->mm->mmap_sem);
65         if (get_user_pages(current, current->mm, virtpfn << PAGE_SHIFT,
66                            1, write, 1, &page, NULL) == 1)
67                 ret = page_to_pfn(page);
68         up_read(&current->mm->mmap_sem);
69         return ret;
70 }
71
72 static spte_t gpte_to_spte(struct lguest *lg, gpte_t gpte, int write)
73 {
74         spte_t spte;
75         unsigned long pfn;
76
77         /* We ignore the global flag. */
78         spte.flags = (gpte.flags & ~_PAGE_GLOBAL);
79         pfn = get_pfn(gpte.pfn, write);
80         if (pfn == -1UL) {
81                 kill_guest(lg, "failed to get page %u", gpte.pfn);
82                 /* Must not put_page() bogus page on cleanup. */
83                 spte.flags = 0;
84         }
85         spte.pfn = pfn;
86         return spte;
87 }
88
89 static void release_pte(spte_t pte)
90 {
91         if (pte.flags & _PAGE_PRESENT)
92                 put_page(pfn_to_page(pte.pfn));
93 }
94
95 static void check_gpte(struct lguest *lg, gpte_t gpte)
96 {
97         if ((gpte.flags & (_PAGE_PWT|_PAGE_PSE)) || gpte.pfn >= lg->pfn_limit)
98                 kill_guest(lg, "bad page table entry");
99 }
100
101 static void check_gpgd(struct lguest *lg, gpgd_t gpgd)
102 {
103         if ((gpgd.flags & ~_PAGE_TABLE) || gpgd.pfn >= lg->pfn_limit)
104                 kill_guest(lg, "bad page directory entry");
105 }
106
107 /* FIXME: We hold reference to pages, which prevents them from being
108    swapped.  It'd be nice to have a callback when Linux wants to swap out. */
109
110 /* We fault pages in, which allows us to update accessed/dirty bits.
111  * Return true if we got page. */
112 int demand_page(struct lguest *lg, unsigned long vaddr, int errcode)
113 {
114         gpgd_t gpgd;
115         spgd_t *spgd;
116         unsigned long gpte_ptr;
117         gpte_t gpte;
118         spte_t *spte;
119
120         gpgd = mkgpgd(lgread_u32(lg, gpgd_addr(lg, vaddr)));
121         if (!(gpgd.flags & _PAGE_PRESENT))
122                 return 0;
123
124         spgd = spgd_addr(lg, lg->pgdidx, vaddr);
125         if (!(spgd->flags & _PAGE_PRESENT)) {
126                 /* Get a page of PTEs for them. */
127                 unsigned long ptepage = get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
128                 /* FIXME: Steal from self in this case? */
129                 if (!ptepage) {
130                         kill_guest(lg, "out of memory allocating pte page");
131                         return 0;
132                 }
133                 check_gpgd(lg, gpgd);
134                 spgd->raw.val = (__pa(ptepage) | gpgd.flags);
135         }
136
137         gpte_ptr = gpte_addr(lg, gpgd, vaddr);
138         gpte = mkgpte(lgread_u32(lg, gpte_ptr));
139
140         /* No page? */
141         if (!(gpte.flags & _PAGE_PRESENT))
142                 return 0;
143
144         /* Write to read-only page? */
145         if ((errcode & 2) && !(gpte.flags & _PAGE_RW))
146                 return 0;
147
148         /* User access to a non-user page? */
149         if ((errcode & 4) && !(gpte.flags & _PAGE_USER))
150                 return 0;
151
152         check_gpte(lg, gpte);
153         gpte.flags |= _PAGE_ACCESSED;
154         if (errcode & 2)
155                 gpte.flags |= _PAGE_DIRTY;
156
157         /* We're done with the old pte. */
158         spte = spte_addr(lg, *spgd, vaddr);
159         release_pte(*spte);
160
161         /* We don't make it writable if this isn't a write: later
162          * write will fault so we can set dirty bit in guest. */
163         if (gpte.flags & _PAGE_DIRTY)
164                 *spte = gpte_to_spte(lg, gpte, 1);
165         else {
166                 gpte_t ro_gpte = gpte;
167                 ro_gpte.flags &= ~_PAGE_RW;
168                 *spte = gpte_to_spte(lg, ro_gpte, 0);
169         }
170
171         /* Now we update dirty/accessed on guest. */
172         lgwrite_u32(lg, gpte_ptr, gpte.raw.val);
173         return 1;
174 }
175
176 /* This is much faster than the full demand_page logic. */
177 static int page_writable(struct lguest *lg, unsigned long vaddr)
178 {
179         spgd_t *spgd;
180         unsigned long flags;
181
182         spgd = spgd_addr(lg, lg->pgdidx, vaddr);
183         if (!(spgd->flags & _PAGE_PRESENT))
184                 return 0;
185
186         flags = spte_addr(lg, *spgd, vaddr)->flags;
187         return (flags & (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW)) == (_PAGE_PRESENT|_PAGE_RW);
188 }
189
190 void pin_page(struct lguest *lg, unsigned long vaddr)
191 {
192         if (!page_writable(lg, vaddr) && !demand_page(lg, vaddr, 2))
193                 kill_guest(lg, "bad stack page %#lx", vaddr);
194 }
195
196 static void release_pgd(struct lguest *lg, spgd_t *spgd)
197 {
198         if (spgd->flags & _PAGE_PRESENT) {
199                 unsigned int i;
200                 spte_t *ptepage = __va(spgd->pfn << PAGE_SHIFT);
201                 for (i = 0; i < PTES_PER_PAGE; i++)
202                         release_pte(ptepage[i]);
203                 free_page((long)ptepage);
204                 spgd->raw.val = 0;
205         }
206 }
207
208 static void flush_user_mappings(struct lguest *lg, int idx)
209 {
210         unsigned int i;
211         for (i = 0; i < vaddr_to_pgd_index(lg->page_offset); i++)
212                 release_pgd(lg, lg->pgdirs[idx].pgdir + i);
213 }
214
215 void guest_pagetable_flush_user(struct lguest *lg)
216 {
217         flush_user_mappings(lg, lg->pgdidx);
218 }
219
220 static unsigned int find_pgdir(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
221 {
222         unsigned int i;
223         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
224                 if (lg->pgdirs[i].cr3 == pgtable)
225                         break;
226         return i;
227 }
228
229 static unsigned int new_pgdir(struct lguest *lg,
230                               unsigned long cr3,
231                               int *blank_pgdir)
232 {
233         unsigned int next;
234
235         next = random32() % ARRAY_SIZE(lg->pgdirs);
236         if (!lg->pgdirs[next].pgdir) {
237                 lg->pgdirs[next].pgdir = (spgd_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
238                 if (!lg->pgdirs[next].pgdir)
239                         next = lg->pgdidx;
240                 else
241                         /* There are no mappings: you'll need to re-pin */
242                         *blank_pgdir = 1;
243         }
244         lg->pgdirs[next].cr3 = cr3;
245         /* Release all the non-kernel mappings. */
246         flush_user_mappings(lg, next);
247
248         return next;
249 }
250
251 void guest_new_pagetable(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
252 {
253         int newpgdir, repin = 0;
254
255         newpgdir = find_pgdir(lg, pgtable);
256         if (newpgdir == ARRAY_SIZE(lg->pgdirs))
257                 newpgdir = new_pgdir(lg, pgtable, &repin);
258         lg->pgdidx = newpgdir;
259         if (repin)
260                 pin_stack_pages(lg);
261 }
262
263 static void release_all_pagetables(struct lguest *lg)
264 {
265         unsigned int i, j;
266
267         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
268                 if (lg->pgdirs[i].pgdir)
269                         for (j = 0; j < SWITCHER_PGD_INDEX; j++)
270                                 release_pgd(lg, lg->pgdirs[i].pgdir + j);
271 }
272
273 void guest_pagetable_clear_all(struct lguest *lg)
274 {
275         release_all_pagetables(lg);
276         pin_stack_pages(lg);
277 }
278
279 static void do_set_pte(struct lguest *lg, int idx,
280                        unsigned long vaddr, gpte_t gpte)
281 {
282         spgd_t *spgd = spgd_addr(lg, idx, vaddr);
283         if (spgd->flags & _PAGE_PRESENT) {
284                 spte_t *spte = spte_addr(lg, *spgd, vaddr);
285                 release_pte(*spte);
286                 if (gpte.flags & (_PAGE_DIRTY | _PAGE_ACCESSED)) {
287                         check_gpte(lg, gpte);
288                         *spte = gpte_to_spte(lg, gpte, gpte.flags&_PAGE_DIRTY);
289                 } else
290                         spte->raw.val = 0;
291         }
292 }
293
294 void guest_set_pte(struct lguest *lg,
295                    unsigned long cr3, unsigned long vaddr, gpte_t gpte)
296 {
297         /* Kernel mappings must be changed on all top levels. */
298         if (vaddr >= lg->page_offset) {
299                 unsigned int i;
300                 for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
301                         if (lg->pgdirs[i].pgdir)
302                                 do_set_pte(lg, i, vaddr, gpte);
303         } else {
304                 int pgdir = find_pgdir(lg, cr3);
305                 if (pgdir != ARRAY_SIZE(lg->pgdirs))
306                         do_set_pte(lg, pgdir, vaddr, gpte);
307         }
308 }
309
310 void guest_set_pmd(struct lguest *lg, unsigned long cr3, u32 idx)
311 {
312         int pgdir;
313
314         if (idx >= SWITCHER_PGD_INDEX)
315                 return;
316
317         pgdir = find_pgdir(lg, cr3);
318         if (pgdir < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs))
319                 release_pgd(lg, lg->pgdirs[pgdir].pgdir + idx);
320 }
321
322 int init_guest_pagetable(struct lguest *lg, unsigned long pgtable)
323 {
324         /* We assume this in flush_user_mappings, so check now */
325         if (vaddr_to_pgd_index(lg->page_offset) >= SWITCHER_PGD_INDEX)
326                 return -EINVAL;
327         lg->pgdidx = 0;
328         lg->pgdirs[lg->pgdidx].cr3 = pgtable;
329         lg->pgdirs[lg->pgdidx].pgdir = (spgd_t*)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
330         if (!lg->pgdirs[lg->pgdidx].pgdir)
331                 return -ENOMEM;
332         return 0;
333 }
334
335 void free_guest_pagetable(struct lguest *lg)
336 {
337         unsigned int i;
338
339         release_all_pagetables(lg);
340         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->pgdirs); i++)
341                 free_page((long)lg->pgdirs[i].pgdir);
342 }
343
344 /* Caller must be preempt-safe */
345 void map_switcher_in_guest(struct lguest *lg, struct lguest_pages *pages)
346 {
347         spte_t *switcher_pte_page = __get_cpu_var(switcher_pte_pages);
348         spgd_t switcher_pgd;
349         spte_t regs_pte;
350
351         /* Since switcher less that 4MB, we simply mug top pte page. */
352         switcher_pgd.pfn = __pa(switcher_pte_page) >> PAGE_SHIFT;
353         switcher_pgd.flags = _PAGE_KERNEL;
354         lg->pgdirs[lg->pgdidx].pgdir[SWITCHER_PGD_INDEX] = switcher_pgd;
355
356         /* Map our regs page over stack page. */
357         regs_pte.pfn = __pa(lg->regs_page) >> PAGE_SHIFT;
358         regs_pte.flags = _PAGE_KERNEL;
359         switcher_pte_page[(unsigned long)pages/PAGE_SIZE%PTES_PER_PAGE]
360                 = regs_pte;
361 }
362
363 static void free_switcher_pte_pages(void)
364 {
365         unsigned int i;
366
367         for_each_possible_cpu(i)
368                 free_page((long)switcher_pte_page(i));
369 }
370
371 static __init void populate_switcher_pte_page(unsigned int cpu,
372                                               struct page *switcher_page[],
373                                               unsigned int pages)
374 {
375         unsigned int i;
376         spte_t *pte = switcher_pte_page(cpu);
377
378         for (i = 0; i < pages; i++) {
379                 pte[i].pfn = page_to_pfn(switcher_page[i]);
380                 pte[i].flags = _PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED;
381         }
382
383         /* We only map this CPU's pages, so guest can't see others. */
384         i = pages + cpu*2;
385
386         /* First page (regs) is rw, second (state) is ro. */
387         pte[i].pfn = page_to_pfn(switcher_page[i]);
388         pte[i].flags = _PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED|_PAGE_RW;
389         pte[i+1].pfn = page_to_pfn(switcher_page[i+1]);
390         pte[i+1].flags = _PAGE_PRESENT|_PAGE_ACCESSED;
391 }
392
393 __init int init_pagetables(struct page **switcher_page, unsigned int pages)
394 {
395         unsigned int i;
396
397         for_each_possible_cpu(i) {
398                 switcher_pte_page(i) = (spte_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL);
399                 if (!switcher_pte_page(i)) {
400                         free_switcher_pte_pages();
401                         return -ENOMEM;
402                 }
403                 populate_switcher_pte_page(i, switcher_page, pages);
404         }
405         return 0;
406 }
407
408 void free_pagetables(void)
409 {
410         free_switcher_pte_pages();
411 }