lguest: Sanitize the lguest clock.
[safe/jmp/linux-2.6] / arch / x86 / lguest / boot.c
1 /*P:010
2  * A hypervisor allows multiple Operating Systems to run on a single machine.
3  * To quote David Wheeler: "Any problem in computer science can be solved with
4  * another layer of indirection."
5  *
6  * We keep things simple in two ways.  First, we start with a normal Linux
7  * kernel and insert a module (lg.ko) which allows us to run other Linux
8  * kernels the same way we'd run processes.  We call the first kernel the Host,
9  * and the others the Guests.  The program which sets up and configures Guests
10  * (such as the example in Documentation/lguest/lguest.c) is called the
11  * Launcher.
12  *
13  * Secondly, we only run specially modified Guests, not normal kernels.  When
14  * you set CONFIG_LGUEST to 'y' or 'm', this automatically sets
15  * CONFIG_LGUEST_GUEST=y, which compiles this file into the kernel so it knows
16  * how to be a Guest.  This means that you can use the same kernel you boot
17  * normally (ie. as a Host) as a Guest.
18  *
19  * These Guests know that they cannot do privileged operations, such as disable
20  * interrupts, and that they have to ask the Host to do such things explicitly.
21  * This file consists of all the replacements for such low-level native
22  * hardware operations: these special Guest versions call the Host.
23  *
24  * So how does the kernel know it's a Guest?  The Guest starts at a special
25  * entry point marked with a magic string, which sets up a few things then
26  * calls here.  We replace the native functions various "paravirt" structures
27  * with our Guest versions, then boot like normal. :*/
28
29 /*
30  * Copyright (C) 2006, Rusty Russell <rusty@rustcorp.com.au> IBM Corporation.
31  *
32  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
33  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
34  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
35  * (at your option) any later version.
36  *
37  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
38  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
39  * MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, GOOD TITLE or
40  * NON INFRINGEMENT.  See the GNU General Public License for more
41  * details.
42  *
43  * You should have received a copy of the GNU General Public License
44  * along with this program; if not, write to the Free Software
45  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
46  */
47 #include <linux/kernel.h>
48 #include <linux/start_kernel.h>
49 #include <linux/string.h>
50 #include <linux/console.h>
51 #include <linux/screen_info.h>
52 #include <linux/irq.h>
53 #include <linux/interrupt.h>
54 #include <linux/clocksource.h>
55 #include <linux/clockchips.h>
56 #include <linux/lguest.h>
57 #include <linux/lguest_launcher.h>
58 #include <linux/virtio_console.h>
59 #include <linux/pm.h>
60 #include <asm/lguest.h>
61 #include <asm/paravirt.h>
62 #include <asm/param.h>
63 #include <asm/page.h>
64 #include <asm/pgtable.h>
65 #include <asm/desc.h>
66 #include <asm/setup.h>
67 #include <asm/e820.h>
68 #include <asm/mce.h>
69 #include <asm/io.h>
70 #include <asm/i387.h>
71 #include <asm/reboot.h>         /* for struct machine_ops */
72
73 /*G:010 Welcome to the Guest!
74  *
75  * The Guest in our tale is a simple creature: identical to the Host but
76  * behaving in simplified but equivalent ways.  In particular, the Guest is the
77  * same kernel as the Host (or at least, built from the same source code). :*/
78
79 struct lguest_data lguest_data = {
80         .hcall_status = { [0 ... LHCALL_RING_SIZE-1] = 0xFF },
81         .noirq_start = (u32)lguest_noirq_start,
82         .noirq_end = (u32)lguest_noirq_end,
83         .kernel_address = PAGE_OFFSET,
84         .blocked_interrupts = { 1 }, /* Block timer interrupts */
85         .syscall_vec = SYSCALL_VECTOR,
86 };
87
88 /*G:037 async_hcall() is pretty simple: I'm quite proud of it really.  We have a
89  * ring buffer of stored hypercalls which the Host will run though next time we
90  * do a normal hypercall.  Each entry in the ring has 4 slots for the hypercall
91  * arguments, and a "hcall_status" word which is 0 if the call is ready to go,
92  * and 255 once the Host has finished with it.
93  *
94  * If we come around to a slot which hasn't been finished, then the table is
95  * full and we just make the hypercall directly.  This has the nice side
96  * effect of causing the Host to run all the stored calls in the ring buffer
97  * which empties it for next time! */
98 static void async_hcall(unsigned long call, unsigned long arg1,
99                         unsigned long arg2, unsigned long arg3)
100 {
101         /* Note: This code assumes we're uniprocessor. */
102         static unsigned int next_call;
103         unsigned long flags;
104
105         /* Disable interrupts if not already disabled: we don't want an
106          * interrupt handler making a hypercall while we're already doing
107          * one! */
108         local_irq_save(flags);
109         if (lguest_data.hcall_status[next_call] != 0xFF) {
110                 /* Table full, so do normal hcall which will flush table. */
111                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
112         } else {
113                 lguest_data.hcalls[next_call].arg0 = call;
114                 lguest_data.hcalls[next_call].arg1 = arg1;
115                 lguest_data.hcalls[next_call].arg2 = arg2;
116                 lguest_data.hcalls[next_call].arg3 = arg3;
117                 /* Arguments must all be written before we mark it to go */
118                 wmb();
119                 lguest_data.hcall_status[next_call] = 0;
120                 if (++next_call == LHCALL_RING_SIZE)
121                         next_call = 0;
122         }
123         local_irq_restore(flags);
124 }
125
126 /*G:035 Notice the lazy_hcall() above, rather than hcall().  This is our first
127  * real optimization trick!
128  *
129  * When lazy_mode is set, it means we're allowed to defer all hypercalls and do
130  * them as a batch when lazy_mode is eventually turned off.  Because hypercalls
131  * are reasonably expensive, batching them up makes sense.  For example, a
132  * large munmap might update dozens of page table entries: that code calls
133  * paravirt_enter_lazy_mmu(), does the dozen updates, then calls
134  * lguest_leave_lazy_mode().
135  *
136  * So, when we're in lazy mode, we call async_hcall() to store the call for
137  * future processing. */
138 static void lazy_hcall(unsigned long call,
139                        unsigned long arg1,
140                        unsigned long arg2,
141                        unsigned long arg3)
142 {
143         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
144                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
145         else
146                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3);
147 }
148
149 /* When lazy mode is turned off reset the per-cpu lazy mode variable and then
150  * issue a hypercall to flush any stored calls. */
151 static void lguest_leave_lazy_mode(void)
152 {
153         paravirt_leave_lazy(paravirt_get_lazy_mode());
154         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0);
155 }
156
157 /*G:033
158  * After that diversion we return to our first native-instruction
159  * replacements: four functions for interrupt control.
160  *
161  * The simplest way of implementing these would be to have "turn interrupts
162  * off" and "turn interrupts on" hypercalls.  Unfortunately, this is too slow:
163  * these are by far the most commonly called functions of those we override.
164  *
165  * So instead we keep an "irq_enabled" field inside our "struct lguest_data",
166  * which the Guest can update with a single instruction.  The Host knows to
167  * check there when it wants to deliver an interrupt.
168  */
169
170 /* save_flags() is expected to return the processor state (ie. "flags").  The
171  * flags word contains all kind of stuff, but in practice Linux only cares
172  * about the interrupt flag.  Our "save_flags()" just returns that. */
173 static unsigned long save_fl(void)
174 {
175         return lguest_data.irq_enabled;
176 }
177
178 /* restore_flags() just sets the flags back to the value given. */
179 static void restore_fl(unsigned long flags)
180 {
181         lguest_data.irq_enabled = flags;
182 }
183
184 /* Interrupts go off... */
185 static void irq_disable(void)
186 {
187         lguest_data.irq_enabled = 0;
188 }
189
190 /* Interrupts go on... */
191 static void irq_enable(void)
192 {
193         lguest_data.irq_enabled = X86_EFLAGS_IF;
194 }
195 /*:*/
196 /*M:003 Note that we don't check for outstanding interrupts when we re-enable
197  * them (or when we unmask an interrupt).  This seems to work for the moment,
198  * since interrupts are rare and we'll just get the interrupt on the next timer
199  * tick, but when we turn on CONFIG_NO_HZ, we should revisit this.  One way
200  * would be to put the "irq_enabled" field in a page by itself, and have the
201  * Host write-protect it when an interrupt comes in when irqs are disabled.
202  * There will then be a page fault as soon as interrupts are re-enabled. :*/
203
204 /*G:034
205  * The Interrupt Descriptor Table (IDT).
206  *
207  * The IDT tells the processor what to do when an interrupt comes in.  Each
208  * entry in the table is a 64-bit descriptor: this holds the privilege level,
209  * address of the handler, and... well, who cares?  The Guest just asks the
210  * Host to make the change anyway, because the Host controls the real IDT.
211  */
212 static void lguest_write_idt_entry(gate_desc *dt,
213                                    int entrynum, const gate_desc *g)
214 {
215         u32 *desc = (u32 *)g;
216         /* Keep the local copy up to date. */
217         native_write_idt_entry(dt, entrynum, g);
218         /* Tell Host about this new entry. */
219         hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, entrynum, desc[0], desc[1]);
220 }
221
222 /* Changing to a different IDT is very rare: we keep the IDT up-to-date every
223  * time it is written, so we can simply loop through all entries and tell the
224  * Host about them. */
225 static void lguest_load_idt(const struct desc_ptr *desc)
226 {
227         unsigned int i;
228         struct desc_struct *idt = (void *)desc->address;
229
230         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
231                 hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, i, idt[i].a, idt[i].b);
232 }
233
234 /*
235  * The Global Descriptor Table.
236  *
237  * The Intel architecture defines another table, called the Global Descriptor
238  * Table (GDT).  You tell the CPU where it is (and its size) using the "lgdt"
239  * instruction, and then several other instructions refer to entries in the
240  * table.  There are three entries which the Switcher needs, so the Host simply
241  * controls the entire thing and the Guest asks it to make changes using the
242  * LOAD_GDT hypercall.
243  *
244  * This is the opposite of the IDT code where we have a LOAD_IDT_ENTRY
245  * hypercall and use that repeatedly to load a new IDT.  I don't think it
246  * really matters, but wouldn't it be nice if they were the same?
247  */
248 static void lguest_load_gdt(const struct desc_ptr *desc)
249 {
250         BUG_ON((desc->size+1)/8 != GDT_ENTRIES);
251         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(desc->address), GDT_ENTRIES, 0);
252 }
253
254 /* For a single GDT entry which changes, we do the lazy thing: alter our GDT,
255  * then tell the Host to reload the entire thing.  This operation is so rare
256  * that this naive implementation is reasonable. */
257 static void lguest_write_gdt_entry(struct desc_struct *dt, int entrynum,
258                                    const void *desc, int type)
259 {
260         native_write_gdt_entry(dt, entrynum, desc, type);
261         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(dt), GDT_ENTRIES, 0);
262 }
263
264 /* OK, I lied.  There are three "thread local storage" GDT entries which change
265  * on every context switch (these three entries are how glibc implements
266  * __thread variables).  So we have a hypercall specifically for this case. */
267 static void lguest_load_tls(struct thread_struct *t, unsigned int cpu)
268 {
269         /* There's one problem which normal hardware doesn't have: the Host
270          * can't handle us removing entries we're currently using.  So we clear
271          * the GS register here: if it's needed it'll be reloaded anyway. */
272         loadsegment(gs, 0);
273         lazy_hcall(LHCALL_LOAD_TLS, __pa(&t->tls_array), cpu, 0);
274 }
275
276 /*G:038 That's enough excitement for now, back to ploughing through each of
277  * the different pv_ops structures (we're about 1/3 of the way through).
278  *
279  * This is the Local Descriptor Table, another weird Intel thingy.  Linux only
280  * uses this for some strange applications like Wine.  We don't do anything
281  * here, so they'll get an informative and friendly Segmentation Fault. */
282 static void lguest_set_ldt(const void *addr, unsigned entries)
283 {
284 }
285
286 /* This loads a GDT entry into the "Task Register": that entry points to a
287  * structure called the Task State Segment.  Some comments scattered though the
288  * kernel code indicate that this used for task switching in ages past, along
289  * with blood sacrifice and astrology.
290  *
291  * Now there's nothing interesting in here that we don't get told elsewhere.
292  * But the native version uses the "ltr" instruction, which makes the Host
293  * complain to the Guest about a Segmentation Fault and it'll oops.  So we
294  * override the native version with a do-nothing version. */
295 static void lguest_load_tr_desc(void)
296 {
297 }
298
299 /* The "cpuid" instruction is a way of querying both the CPU identity
300  * (manufacturer, model, etc) and its features.  It was introduced before the
301  * Pentium in 1993 and keeps getting extended by both Intel and AMD.  As you
302  * might imagine, after a decade and a half this treatment, it is now a giant
303  * ball of hair.  Its entry in the current Intel manual runs to 28 pages.
304  *
305  * This instruction even it has its own Wikipedia entry.  The Wikipedia entry
306  * has been translated into 4 languages.  I am not making this up!
307  *
308  * We could get funky here and identify ourselves as "GenuineLguest", but
309  * instead we just use the real "cpuid" instruction.  Then I pretty much turned
310  * off feature bits until the Guest booted.  (Don't say that: you'll damage
311  * lguest sales!)  Shut up, inner voice!  (Hey, just pointing out that this is
312  * hardly future proof.)  Noone's listening!  They don't like you anyway,
313  * parenthetic weirdo!
314  *
315  * Replacing the cpuid so we can turn features off is great for the kernel, but
316  * anyone (including userspace) can just use the raw "cpuid" instruction and
317  * the Host won't even notice since it isn't privileged.  So we try not to get
318  * too worked up about it. */
319 static void lguest_cpuid(unsigned int *ax, unsigned int *bx,
320                          unsigned int *cx, unsigned int *dx)
321 {
322         int function = *ax;
323
324         native_cpuid(ax, bx, cx, dx);
325         switch (function) {
326         case 1: /* Basic feature request. */
327                 /* We only allow kernel to see SSE3, CMPXCHG16B and SSSE3 */
328                 *cx &= 0x00002201;
329                 /* SSE, SSE2, FXSR, MMX, CMOV, CMPXCHG8B, TSC, FPU. */
330                 *dx &= 0x07808111;
331                 /* The Host can do a nice optimization if it knows that the
332                  * kernel mappings (addresses above 0xC0000000 or whatever
333                  * PAGE_OFFSET is set to) haven't changed.  But Linux calls
334                  * flush_tlb_user() for both user and kernel mappings unless
335                  * the Page Global Enable (PGE) feature bit is set. */
336                 *dx |= 0x00002000;
337                 break;
338         case 0x80000000:
339                 /* Futureproof this a little: if they ask how much extended
340                  * processor information there is, limit it to known fields. */
341                 if (*ax > 0x80000008)
342                         *ax = 0x80000008;
343                 break;
344         }
345 }
346
347 /* Intel has four control registers, imaginatively named cr0, cr2, cr3 and cr4.
348  * I assume there's a cr1, but it hasn't bothered us yet, so we'll not bother
349  * it.  The Host needs to know when the Guest wants to change them, so we have
350  * a whole series of functions like read_cr0() and write_cr0().
351  *
352  * We start with cr0.  cr0 allows you to turn on and off all kinds of basic
353  * features, but Linux only really cares about one: the horrifically-named Task
354  * Switched (TS) bit at bit 3 (ie. 8)
355  *
356  * What does the TS bit do?  Well, it causes the CPU to trap (interrupt 7) if
357  * the floating point unit is used.  Which allows us to restore FPU state
358  * lazily after a task switch, and Linux uses that gratefully, but wouldn't a
359  * name like "FPUTRAP bit" be a little less cryptic?
360  *
361  * We store cr0 (and cr3) locally, because the Host never changes it.  The
362  * Guest sometimes wants to read it and we'd prefer not to bother the Host
363  * unnecessarily. */
364 static unsigned long current_cr0, current_cr3;
365 static void lguest_write_cr0(unsigned long val)
366 {
367         lazy_hcall(LHCALL_TS, val & X86_CR0_TS, 0, 0);
368         current_cr0 = val;
369 }
370
371 static unsigned long lguest_read_cr0(void)
372 {
373         return current_cr0;
374 }
375
376 /* Intel provided a special instruction to clear the TS bit for people too cool
377  * to use write_cr0() to do it.  This "clts" instruction is faster, because all
378  * the vowels have been optimized out. */
379 static void lguest_clts(void)
380 {
381         lazy_hcall(LHCALL_TS, 0, 0, 0);
382         current_cr0 &= ~X86_CR0_TS;
383 }
384
385 /* cr2 is the virtual address of the last page fault, which the Guest only ever
386  * reads.  The Host kindly writes this into our "struct lguest_data", so we
387  * just read it out of there. */
388 static unsigned long lguest_read_cr2(void)
389 {
390         return lguest_data.cr2;
391 }
392
393 /* cr3 is the current toplevel pagetable page: the principle is the same as
394  * cr0.  Keep a local copy, and tell the Host when it changes. */
395 static void lguest_write_cr3(unsigned long cr3)
396 {
397         lazy_hcall(LHCALL_NEW_PGTABLE, cr3, 0, 0);
398         current_cr3 = cr3;
399 }
400
401 static unsigned long lguest_read_cr3(void)
402 {
403         return current_cr3;
404 }
405
406 /* cr4 is used to enable and disable PGE, but we don't care. */
407 static unsigned long lguest_read_cr4(void)
408 {
409         return 0;
410 }
411
412 static void lguest_write_cr4(unsigned long val)
413 {
414 }
415
416 /*
417  * Page Table Handling.
418  *
419  * Now would be a good time to take a rest and grab a coffee or similarly
420  * relaxing stimulant.  The easy parts are behind us, and the trek gradually
421  * winds uphill from here.
422  *
423  * Quick refresher: memory is divided into "pages" of 4096 bytes each.  The CPU
424  * maps virtual addresses to physical addresses using "page tables".  We could
425  * use one huge index of 1 million entries: each address is 4 bytes, so that's
426  * 1024 pages just to hold the page tables.   But since most virtual addresses
427  * are unused, we use a two level index which saves space.  The cr3 register
428  * contains the physical address of the top level "page directory" page, which
429  * contains physical addresses of up to 1024 second-level pages.  Each of these
430  * second level pages contains up to 1024 physical addresses of actual pages,
431  * or Page Table Entries (PTEs).
432  *
433  * Here's a diagram, where arrows indicate physical addresses:
434  *
435  * cr3 ---> +---------+
436  *          |      --------->+---------+
437  *          |         |      | PADDR1  |
438  *        Top-level   |      | PADDR2  |
439  *        (PMD) page  |      |         |
440  *          |         |    Lower-level |
441  *          |         |    (PTE) page  |
442  *          |         |      |         |
443  *            ....               ....
444  *
445  * So to convert a virtual address to a physical address, we look up the top
446  * level, which points us to the second level, which gives us the physical
447  * address of that page.  If the top level entry was not present, or the second
448  * level entry was not present, then the virtual address is invalid (we
449  * say "the page was not mapped").
450  *
451  * Put another way, a 32-bit virtual address is divided up like so:
452  *
453  *  1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
454  * |<---- 10 bits ---->|<---- 10 bits ---->|<------ 12 bits ------>|
455  *    Index into top     Index into second      Offset within page
456  *  page directory page    pagetable page
457  *
458  * The kernel spends a lot of time changing both the top-level page directory
459  * and lower-level pagetable pages.  The Guest doesn't know physical addresses,
460  * so while it maintains these page tables exactly like normal, it also needs
461  * to keep the Host informed whenever it makes a change: the Host will create
462  * the real page tables based on the Guests'.
463  */
464
465 /* The Guest calls this to set a second-level entry (pte), ie. to map a page
466  * into a process' address space.  We set the entry then tell the Host the
467  * toplevel and address this corresponds to.  The Guest uses one pagetable per
468  * process, so we need to tell the Host which one we're changing (mm->pgd). */
469 static void lguest_set_pte_at(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
470                               pte_t *ptep, pte_t pteval)
471 {
472         *ptep = pteval;
473         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr, pteval.pte_low);
474 }
475
476 /* The Guest calls this to set a top-level entry.  Again, we set the entry then
477  * tell the Host which top-level page we changed, and the index of the entry we
478  * changed. */
479 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
480 {
481         *pmdp = pmdval;
482         lazy_hcall(LHCALL_SET_PMD, __pa(pmdp)&PAGE_MASK,
483                    (__pa(pmdp)&(PAGE_SIZE-1)), 0);
484 }
485
486 /* There are a couple of legacy places where the kernel sets a PTE, but we
487  * don't know the top level any more.  This is useless for us, since we don't
488  * know which pagetable is changing or what address, so we just tell the Host
489  * to forget all of them.  Fortunately, this is very rare.
490  *
491  * ... except in early boot when the kernel sets up the initial pagetables,
492  * which makes booting astonishingly slow.  So we don't even tell the Host
493  * anything changed until we've done the first page table switch. */
494 static void lguest_set_pte(pte_t *ptep, pte_t pteval)
495 {
496         *ptep = pteval;
497         /* Don't bother with hypercall before initial setup. */
498         if (current_cr3)
499                 lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
500 }
501
502 /* Unfortunately for Lguest, the pv_mmu_ops for page tables were based on
503  * native page table operations.  On native hardware you can set a new page
504  * table entry whenever you want, but if you want to remove one you have to do
505  * a TLB flush (a TLB is a little cache of page table entries kept by the CPU).
506  *
507  * So the lguest_set_pte_at() and lguest_set_pmd() functions above are only
508  * called when a valid entry is written, not when it's removed (ie. marked not
509  * present).  Instead, this is where we come when the Guest wants to remove a
510  * page table entry: we tell the Host to set that entry to 0 (ie. the present
511  * bit is zero). */
512 static void lguest_flush_tlb_single(unsigned long addr)
513 {
514         /* Simply set it to zero: if it was not, it will fault back in. */
515         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, current_cr3, addr, 0);
516 }
517
518 /* This is what happens after the Guest has removed a large number of entries.
519  * This tells the Host that any of the page table entries for userspace might
520  * have changed, ie. virtual addresses below PAGE_OFFSET. */
521 static void lguest_flush_tlb_user(void)
522 {
523         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 0, 0, 0);
524 }
525
526 /* This is called when the kernel page tables have changed.  That's not very
527  * common (unless the Guest is using highmem, which makes the Guest extremely
528  * slow), so it's worth separating this from the user flushing above. */
529 static void lguest_flush_tlb_kernel(void)
530 {
531         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
532 }
533
534 /*
535  * The Unadvanced Programmable Interrupt Controller.
536  *
537  * This is an attempt to implement the simplest possible interrupt controller.
538  * I spent some time looking though routines like set_irq_chip_and_handler,
539  * set_irq_chip_and_handler_name, set_irq_chip_data and set_phasers_to_stun and
540  * I *think* this is as simple as it gets.
541  *
542  * We can tell the Host what interrupts we want blocked ready for using the
543  * lguest_data.interrupts bitmap, so disabling (aka "masking") them is as
544  * simple as setting a bit.  We don't actually "ack" interrupts as such, we
545  * just mask and unmask them.  I wonder if we should be cleverer?
546  */
547 static void disable_lguest_irq(unsigned int irq)
548 {
549         set_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
550 }
551
552 static void enable_lguest_irq(unsigned int irq)
553 {
554         clear_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
555 }
556
557 /* This structure describes the lguest IRQ controller. */
558 static struct irq_chip lguest_irq_controller = {
559         .name           = "lguest",
560         .mask           = disable_lguest_irq,
561         .mask_ack       = disable_lguest_irq,
562         .unmask         = enable_lguest_irq,
563 };
564
565 /* This sets up the Interrupt Descriptor Table (IDT) entry for each hardware
566  * interrupt (except 128, which is used for system calls), and then tells the
567  * Linux infrastructure that each interrupt is controlled by our level-based
568  * lguest interrupt controller. */
569 static void __init lguest_init_IRQ(void)
570 {
571         unsigned int i;
572
573         for (i = 0; i < LGUEST_IRQS; i++) {
574                 int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
575                 if (vector != SYSCALL_VECTOR) {
576                         set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
577                         set_irq_chip_and_handler(i, &lguest_irq_controller,
578                                                  handle_level_irq);
579                 }
580         }
581         /* This call is required to set up for 4k stacks, where we have
582          * separate stacks for hard and soft interrupts. */
583         irq_ctx_init(smp_processor_id());
584 }
585
586 /*
587  * Time.
588  *
589  * It would be far better for everyone if the Guest had its own clock, but
590  * until then the Host gives us the time on every interrupt.
591  */
592 static unsigned long lguest_get_wallclock(void)
593 {
594         return lguest_data.time.tv_sec;
595 }
596
597 /* The TSC is a Time Stamp Counter.  The Host tells us what speed it runs at,
598  * or 0 if it's unusable as a reliable clock source.  This matches what we want
599  * here: if we return 0 from this function, the x86 TSC clock will not register
600  * itself. */
601 static unsigned long lguest_cpu_khz(void)
602 {
603         return lguest_data.tsc_khz;
604 }
605
606 /* If we can't use the TSC, the kernel falls back to our "lguest_clock", where
607  * we read the time value given to us by the Host. */
608 static cycle_t lguest_clock_read(void)
609 {
610         unsigned long sec, nsec;
611
612         /* Since the time is in two parts (seconds and nanoseconds), we risk
613          * reading it just as it's changing from 99 & 0.999999999 to 100 and 0,
614          * and getting 99 and 0.  As Linux tends to come apart under the stress
615          * of time travel, we must be careful: */
616         do {
617                 /* First we read the seconds part. */
618                 sec = lguest_data.time.tv_sec;
619                 /* This read memory barrier tells the compiler and the CPU that
620                  * this can't be reordered: we have to complete the above
621                  * before going on. */
622                 rmb();
623                 /* Now we read the nanoseconds part. */
624                 nsec = lguest_data.time.tv_nsec;
625                 /* Make sure we've done that. */
626                 rmb();
627                 /* Now if the seconds part has changed, try again. */
628         } while (unlikely(lguest_data.time.tv_sec != sec));
629
630         /* Our lguest clock is in real nanoseconds. */
631         return sec*1000000000ULL + nsec;
632 }
633
634 /* This is the fallback clocksource: lower priority than the TSC clocksource. */
635 static struct clocksource lguest_clock = {
636         .name           = "lguest",
637         .rating         = 200,
638         .read           = lguest_clock_read,
639         .mask           = CLOCKSOURCE_MASK(64),
640         .mult           = 1 << 22,
641         .shift          = 22,
642         .flags          = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
643 };
644
645 /* We also need a "struct clock_event_device": Linux asks us to set it to go
646  * off some time in the future.  Actually, James Morris figured all this out, I
647  * just applied the patch. */
648 static int lguest_clockevent_set_next_event(unsigned long delta,
649                                            struct clock_event_device *evt)
650 {
651         if (delta < LG_CLOCK_MIN_DELTA) {
652                 if (printk_ratelimit())
653                         printk(KERN_DEBUG "%s: small delta %lu ns\n",
654                                __FUNCTION__, delta);
655                 return -ETIME;
656         }
657         hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, delta, 0, 0);
658         return 0;
659 }
660
661 static void lguest_clockevent_set_mode(enum clock_event_mode mode,
662                                       struct clock_event_device *evt)
663 {
664         switch (mode) {
665         case CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
666         case CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
667                 /* A 0 argument shuts the clock down. */
668                 hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, 0, 0, 0);
669                 break;
670         case CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
671                 /* This is what we expect. */
672                 break;
673         case CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
674                 BUG();
675         case CLOCK_EVT_MODE_RESUME:
676                 break;
677         }
678 }
679
680 /* This describes our primitive timer chip. */
681 static struct clock_event_device lguest_clockevent = {
682         .name                   = "lguest",
683         .features               = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
684         .set_next_event         = lguest_clockevent_set_next_event,
685         .set_mode               = lguest_clockevent_set_mode,
686         .rating                 = INT_MAX,
687         .mult                   = 1,
688         .shift                  = 0,
689         .min_delta_ns           = LG_CLOCK_MIN_DELTA,
690         .max_delta_ns           = LG_CLOCK_MAX_DELTA,
691 };
692
693 /* This is the Guest timer interrupt handler (hardware interrupt 0).  We just
694  * call the clockevent infrastructure and it does whatever needs doing. */
695 static void lguest_time_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
696 {
697         unsigned long flags;
698
699         /* Don't interrupt us while this is running. */
700         local_irq_save(flags);
701         lguest_clockevent.event_handler(&lguest_clockevent);
702         local_irq_restore(flags);
703 }
704
705 /* At some point in the boot process, we get asked to set up our timing
706  * infrastructure.  The kernel doesn't expect timer interrupts before this, but
707  * we cleverly initialized the "blocked_interrupts" field of "struct
708  * lguest_data" so that timer interrupts were blocked until now. */
709 static void lguest_time_init(void)
710 {
711         /* Set up the timer interrupt (0) to go to our simple timer routine */
712         set_irq_handler(0, lguest_time_irq);
713
714         clocksource_register(&lguest_clock);
715
716         /* We can't set cpumask in the initializer: damn C limitations!  Set it
717          * here and register our timer device. */
718         lguest_clockevent.cpumask = cpumask_of_cpu(0);
719         clockevents_register_device(&lguest_clockevent);
720
721         /* Finally, we unblock the timer interrupt. */
722         enable_lguest_irq(0);
723 }
724
725 /*
726  * Miscellaneous bits and pieces.
727  *
728  * Here is an oddball collection of functions which the Guest needs for things
729  * to work.  They're pretty simple.
730  */
731
732 /* The Guest needs to tell the Host what stack it expects traps to use.  For
733  * native hardware, this is part of the Task State Segment mentioned above in
734  * lguest_load_tr_desc(), but to help hypervisors there's this special call.
735  *
736  * We tell the Host the segment we want to use (__KERNEL_DS is the kernel data
737  * segment), the privilege level (we're privilege level 1, the Host is 0 and
738  * will not tolerate us trying to use that), the stack pointer, and the number
739  * of pages in the stack. */
740 static void lguest_load_sp0(struct tss_struct *tss,
741                                      struct thread_struct *thread)
742 {
743         lazy_hcall(LHCALL_SET_STACK, __KERNEL_DS|0x1, thread->sp0,
744                    THREAD_SIZE/PAGE_SIZE);
745 }
746
747 /* Let's just say, I wouldn't do debugging under a Guest. */
748 static void lguest_set_debugreg(int regno, unsigned long value)
749 {
750         /* FIXME: Implement */
751 }
752
753 /* There are times when the kernel wants to make sure that no memory writes are
754  * caught in the cache (that they've all reached real hardware devices).  This
755  * doesn't matter for the Guest which has virtual hardware.
756  *
757  * On the Pentium 4 and above, cpuid() indicates that the Cache Line Flush
758  * (clflush) instruction is available and the kernel uses that.  Otherwise, it
759  * uses the older "Write Back and Invalidate Cache" (wbinvd) instruction.
760  * Unlike clflush, wbinvd can only be run at privilege level 0.  So we can
761  * ignore clflush, but replace wbinvd.
762  */
763 static void lguest_wbinvd(void)
764 {
765 }
766
767 /* If the Guest expects to have an Advanced Programmable Interrupt Controller,
768  * we play dumb by ignoring writes and returning 0 for reads.  So it's no
769  * longer Programmable nor Controlling anything, and I don't think 8 lines of
770  * code qualifies for Advanced.  It will also never interrupt anything.  It
771  * does, however, allow us to get through the Linux boot code. */
772 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
773 static void lguest_apic_write(unsigned long reg, u32 v)
774 {
775 }
776
777 static u32 lguest_apic_read(unsigned long reg)
778 {
779         return 0;
780 }
781 #endif
782
783 /* STOP!  Until an interrupt comes in. */
784 static void lguest_safe_halt(void)
785 {
786         hcall(LHCALL_HALT, 0, 0, 0);
787 }
788
789 /* Perhaps CRASH isn't the best name for this hypercall, but we use it to get a
790  * message out when we're crashing as well as elegant termination like powering
791  * off.
792  *
793  * Note that the Host always prefers that the Guest speak in physical addresses
794  * rather than virtual addresses, so we use __pa() here. */
795 static void lguest_power_off(void)
796 {
797         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa("Power down"), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0);
798 }
799
800 /*
801  * Panicing.
802  *
803  * Don't.  But if you did, this is what happens.
804  */
805 static int lguest_panic(struct notifier_block *nb, unsigned long l, void *p)
806 {
807         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(p), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0);
808         /* The hcall won't return, but to keep gcc happy, we're "done". */
809         return NOTIFY_DONE;
810 }
811
812 static struct notifier_block paniced = {
813         .notifier_call = lguest_panic
814 };
815
816 /* Setting up memory is fairly easy. */
817 static __init char *lguest_memory_setup(void)
818 {
819         /* We do this here and not earlier because lockcheck barfs if we do it
820          * before start_kernel() */
821         atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &paniced);
822
823         /* The Linux bootloader header contains an "e820" memory map: the
824          * Launcher populated the first entry with our memory limit. */
825         add_memory_region(boot_params.e820_map[0].addr,
826                           boot_params.e820_map[0].size,
827                           boot_params.e820_map[0].type);
828
829         /* This string is for the boot messages. */
830         return "LGUEST";
831 }
832
833 /* We will eventually use the virtio console device to produce console output,
834  * but before that is set up we use LHCALL_NOTIFY on normal memory to produce
835  * console output. */
836 static __init int early_put_chars(u32 vtermno, const char *buf, int count)
837 {
838         char scratch[17];
839         unsigned int len = count;
840
841         /* We use a nul-terminated string, so we have to make a copy.  Icky,
842          * huh? */
843         if (len > sizeof(scratch) - 1)
844                 len = sizeof(scratch) - 1;
845         scratch[len] = '\0';
846         memcpy(scratch, buf, len);
847         hcall(LHCALL_NOTIFY, __pa(scratch), 0, 0);
848
849         /* This routine returns the number of bytes actually written. */
850         return len;
851 }
852
853 /*G:050
854  * Patching (Powerfully Placating Performance Pedants)
855  *
856  * We have already seen that pv_ops structures let us replace simple
857  * native instructions with calls to the appropriate back end all throughout
858  * the kernel.  This allows the same kernel to run as a Guest and as a native
859  * kernel, but it's slow because of all the indirect branches.
860  *
861  * Remember that David Wheeler quote about "Any problem in computer science can
862  * be solved with another layer of indirection"?  The rest of that quote is
863  * "... But that usually will create another problem."  This is the first of
864  * those problems.
865  *
866  * Our current solution is to allow the paravirt back end to optionally patch
867  * over the indirect calls to replace them with something more efficient.  We
868  * patch the four most commonly called functions: disable interrupts, enable
869  * interrupts, restore interrupts and save interrupts.  We usually have 6 or 10
870  * bytes to patch into: the Guest versions of these operations are small enough
871  * that we can fit comfortably.
872  *
873  * First we need assembly templates of each of the patchable Guest operations,
874  * and these are in lguest_asm.S. */
875
876 /*G:060 We construct a table from the assembler templates: */
877 static const struct lguest_insns
878 {
879         const char *start, *end;
880 } lguest_insns[] = {
881         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_disable)] = { lgstart_cli, lgend_cli },
882         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_enable)] = { lgstart_sti, lgend_sti },
883         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.restore_fl)] = { lgstart_popf, lgend_popf },
884         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.save_fl)] = { lgstart_pushf, lgend_pushf },
885 };
886
887 /* Now our patch routine is fairly simple (based on the native one in
888  * paravirt.c).  If we have a replacement, we copy it in and return how much of
889  * the available space we used. */
890 static unsigned lguest_patch(u8 type, u16 clobber, void *ibuf,
891                              unsigned long addr, unsigned len)
892 {
893         unsigned int insn_len;
894
895         /* Don't do anything special if we don't have a replacement */
896         if (type >= ARRAY_SIZE(lguest_insns) || !lguest_insns[type].start)
897                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
898
899         insn_len = lguest_insns[type].end - lguest_insns[type].start;
900
901         /* Similarly if we can't fit replacement (shouldn't happen, but let's
902          * be thorough). */
903         if (len < insn_len)
904                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
905
906         /* Copy in our instructions. */
907         memcpy(ibuf, lguest_insns[type].start, insn_len);
908         return insn_len;
909 }
910
911 static void lguest_restart(char *reason)
912 {
913         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(reason), LGUEST_SHUTDOWN_RESTART, 0);
914 }
915
916 /*G:030 Once we get to lguest_init(), we know we're a Guest.  The pv_ops
917  * structures in the kernel provide points for (almost) every routine we have
918  * to override to avoid privileged instructions. */
919 __init void lguest_init(void)
920 {
921         /* We're under lguest, paravirt is enabled, and we're running at
922          * privilege level 1, not 0 as normal. */
923         pv_info.name = "lguest";
924         pv_info.paravirt_enabled = 1;
925         pv_info.kernel_rpl = 1;
926
927         /* We set up all the lguest overrides for sensitive operations.  These
928          * are detailed with the operations themselves. */
929
930         /* interrupt-related operations */
931         pv_irq_ops.init_IRQ = lguest_init_IRQ;
932         pv_irq_ops.save_fl = save_fl;
933         pv_irq_ops.restore_fl = restore_fl;
934         pv_irq_ops.irq_disable = irq_disable;
935         pv_irq_ops.irq_enable = irq_enable;
936         pv_irq_ops.safe_halt = lguest_safe_halt;
937
938         /* init-time operations */
939         pv_init_ops.memory_setup = lguest_memory_setup;
940         pv_init_ops.patch = lguest_patch;
941
942         /* Intercepts of various cpu instructions */
943         pv_cpu_ops.load_gdt = lguest_load_gdt;
944         pv_cpu_ops.cpuid = lguest_cpuid;
945         pv_cpu_ops.load_idt = lguest_load_idt;
946         pv_cpu_ops.iret = lguest_iret;
947         pv_cpu_ops.load_sp0 = lguest_load_sp0;
948         pv_cpu_ops.load_tr_desc = lguest_load_tr_desc;
949         pv_cpu_ops.set_ldt = lguest_set_ldt;
950         pv_cpu_ops.load_tls = lguest_load_tls;
951         pv_cpu_ops.set_debugreg = lguest_set_debugreg;
952         pv_cpu_ops.clts = lguest_clts;
953         pv_cpu_ops.read_cr0 = lguest_read_cr0;
954         pv_cpu_ops.write_cr0 = lguest_write_cr0;
955         pv_cpu_ops.read_cr4 = lguest_read_cr4;
956         pv_cpu_ops.write_cr4 = lguest_write_cr4;
957         pv_cpu_ops.write_gdt_entry = lguest_write_gdt_entry;
958         pv_cpu_ops.write_idt_entry = lguest_write_idt_entry;
959         pv_cpu_ops.wbinvd = lguest_wbinvd;
960         pv_cpu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_cpu;
961         pv_cpu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
962
963         /* pagetable management */
964         pv_mmu_ops.write_cr3 = lguest_write_cr3;
965         pv_mmu_ops.flush_tlb_user = lguest_flush_tlb_user;
966         pv_mmu_ops.flush_tlb_single = lguest_flush_tlb_single;
967         pv_mmu_ops.flush_tlb_kernel = lguest_flush_tlb_kernel;
968         pv_mmu_ops.set_pte = lguest_set_pte;
969         pv_mmu_ops.set_pte_at = lguest_set_pte_at;
970         pv_mmu_ops.set_pmd = lguest_set_pmd;
971         pv_mmu_ops.read_cr2 = lguest_read_cr2;
972         pv_mmu_ops.read_cr3 = lguest_read_cr3;
973         pv_mmu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_mmu;
974         pv_mmu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
975
976 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
977         /* apic read/write intercepts */
978         pv_apic_ops.apic_write = lguest_apic_write;
979         pv_apic_ops.apic_write_atomic = lguest_apic_write;
980         pv_apic_ops.apic_read = lguest_apic_read;
981 #endif
982
983         /* time operations */
984         pv_time_ops.get_wallclock = lguest_get_wallclock;
985         pv_time_ops.time_init = lguest_time_init;
986         pv_time_ops.get_cpu_khz = lguest_cpu_khz;
987
988         /* Now is a good time to look at the implementations of these functions
989          * before returning to the rest of lguest_init(). */
990
991         /*G:070 Now we've seen all the paravirt_ops, we return to
992          * lguest_init() where the rest of the fairly chaotic boot setup
993          * occurs. */
994
995         /* The native boot code sets up initial page tables immediately after
996          * the kernel itself, and sets init_pg_tables_end so they're not
997          * clobbered.  The Launcher places our initial pagetables somewhere at
998          * the top of our physical memory, so we don't need extra space: set
999          * init_pg_tables_end to the end of the kernel. */
1000         init_pg_tables_end = __pa(pg0);
1001
1002         /* Load the %fs segment register (the per-cpu segment register) with
1003          * the normal data segment to get through booting. */
1004         asm volatile ("mov %0, %%fs" : : "r" (__KERNEL_DS) : "memory");
1005
1006         /* The Host uses the top of the Guest's virtual address space for the
1007          * Host<->Guest Switcher, and it tells us how big that is in
1008          * lguest_data.reserve_mem, set up on the LGUEST_INIT hypercall. */
1009         reserve_top_address(lguest_data.reserve_mem);
1010
1011         /* If we don't initialize the lock dependency checker now, it crashes
1012          * paravirt_disable_iospace. */
1013         lockdep_init();
1014
1015         /* The IDE code spends about 3 seconds probing for disks: if we reserve
1016          * all the I/O ports up front it can't get them and so doesn't probe.
1017          * Other device drivers are similar (but less severe).  This cuts the
1018          * kernel boot time on my machine from 4.1 seconds to 0.45 seconds. */
1019         paravirt_disable_iospace();
1020
1021         /* This is messy CPU setup stuff which the native boot code does before
1022          * start_kernel, so we have to do, too: */
1023         cpu_detect(&new_cpu_data);
1024         /* head.S usually sets up the first capability word, so do it here. */
1025         new_cpu_data.x86_capability[0] = cpuid_edx(1);
1026
1027         /* Math is always hard! */
1028         new_cpu_data.hard_math = 1;
1029
1030 #ifdef CONFIG_X86_MCE
1031         mce_disabled = 1;
1032 #endif
1033 #ifdef CONFIG_ACPI
1034         acpi_disabled = 1;
1035         acpi_ht = 0;
1036 #endif
1037
1038         /* We set the perferred console to "hvc".  This is the "hypervisor
1039          * virtual console" driver written by the PowerPC people, which we also
1040          * adapted for lguest's use. */
1041         add_preferred_console("hvc", 0, NULL);
1042
1043         /* Register our very early console. */
1044         virtio_cons_early_init(early_put_chars);
1045
1046         /* Last of all, we set the power management poweroff hook to point to
1047          * the Guest routine to power off. */
1048         pm_power_off = lguest_power_off;
1049
1050         machine_ops.restart = lguest_restart;
1051         /* Now we're set up, call start_kernel() in init/main.c and we proceed
1052          * to boot as normal.  It never returns. */
1053         start_kernel();
1054 }
1055 /*
1056  * This marks the end of stage II of our journey, The Guest.
1057  *
1058  * It is now time for us to explore the layer of virtual drivers and complete
1059  * our understanding of the Guest in "make Drivers".
1060  */