lguest: make registers per-vcpu
[safe/jmp/linux-2.6] / drivers / lguest / interrupts_and_traps.c
1 /*P:800 Interrupts (traps) are complicated enough to earn their own file.
2  * There are three classes of interrupts:
3  *
4  * 1) Real hardware interrupts which occur while we're running the Guest,
5  * 2) Interrupts for virtual devices attached to the Guest, and
6  * 3) Traps and faults from the Guest.
7  *
8  * Real hardware interrupts must be delivered to the Host, not the Guest.
9  * Virtual interrupts must be delivered to the Guest, but we make them look
10  * just like real hardware would deliver them.  Traps from the Guest can be set
11  * up to go directly back into the Guest, but sometimes the Host wants to see
12  * them first, so we also have a way of "reflecting" them into the Guest as if
13  * they had been delivered to it directly. :*/
14 #include <linux/uaccess.h>
15 #include <linux/interrupt.h>
16 #include <linux/module.h>
17 #include "lg.h"
18
19 /* Allow Guests to use a non-128 (ie. non-Linux) syscall trap. */
20 static unsigned int syscall_vector = SYSCALL_VECTOR;
21 module_param(syscall_vector, uint, 0444);
22
23 /* The address of the interrupt handler is split into two bits: */
24 static unsigned long idt_address(u32 lo, u32 hi)
25 {
26         return (lo & 0x0000FFFF) | (hi & 0xFFFF0000);
27 }
28
29 /* The "type" of the interrupt handler is a 4 bit field: we only support a
30  * couple of types. */
31 static int idt_type(u32 lo, u32 hi)
32 {
33         return (hi >> 8) & 0xF;
34 }
35
36 /* An IDT entry can't be used unless the "present" bit is set. */
37 static int idt_present(u32 lo, u32 hi)
38 {
39         return (hi & 0x8000);
40 }
41
42 /* We need a helper to "push" a value onto the Guest's stack, since that's a
43  * big part of what delivering an interrupt does. */
44 static void push_guest_stack(struct lguest *lg, unsigned long *gstack, u32 val)
45 {
46         /* Stack grows upwards: move stack then write value. */
47         *gstack -= 4;
48         lgwrite(lg, *gstack, u32, val);
49 }
50
51 /*H:210 The set_guest_interrupt() routine actually delivers the interrupt or
52  * trap.  The mechanics of delivering traps and interrupts to the Guest are the
53  * same, except some traps have an "error code" which gets pushed onto the
54  * stack as well: the caller tells us if this is one.
55  *
56  * "lo" and "hi" are the two parts of the Interrupt Descriptor Table for this
57  * interrupt or trap.  It's split into two parts for traditional reasons: gcc
58  * on i386 used to be frightened by 64 bit numbers.
59  *
60  * We set up the stack just like the CPU does for a real interrupt, so it's
61  * identical for the Guest (and the standard "iret" instruction will undo
62  * it). */
63 static void set_guest_interrupt(struct lg_cpu *cpu, u32 lo, u32 hi, int has_err)
64 {
65         unsigned long gstack, origstack;
66         u32 eflags, ss, irq_enable;
67         unsigned long virtstack;
68         struct lguest *lg = cpu->lg;
69
70         /* There are two cases for interrupts: one where the Guest is already
71          * in the kernel, and a more complex one where the Guest is in
72          * userspace.  We check the privilege level to find out. */
73         if ((cpu->regs->ss&0x3) != GUEST_PL) {
74                 /* The Guest told us their kernel stack with the SET_STACK
75                  * hypercall: both the virtual address and the segment */
76                 virtstack = lg->esp1;
77                 ss = lg->ss1;
78
79                 origstack = gstack = guest_pa(lg, virtstack);
80                 /* We push the old stack segment and pointer onto the new
81                  * stack: when the Guest does an "iret" back from the interrupt
82                  * handler the CPU will notice they're dropping privilege
83                  * levels and expect these here. */
84                 push_guest_stack(lg, &gstack, cpu->regs->ss);
85                 push_guest_stack(lg, &gstack, cpu->regs->esp);
86         } else {
87                 /* We're staying on the same Guest (kernel) stack. */
88                 virtstack = cpu->regs->esp;
89                 ss = cpu->regs->ss;
90
91                 origstack = gstack = guest_pa(lg, virtstack);
92         }
93
94         /* Remember that we never let the Guest actually disable interrupts, so
95          * the "Interrupt Flag" bit is always set.  We copy that bit from the
96          * Guest's "irq_enabled" field into the eflags word: we saw the Guest
97          * copy it back in "lguest_iret". */
98         eflags = cpu->regs->eflags;
99         if (get_user(irq_enable, &lg->lguest_data->irq_enabled) == 0
100             && !(irq_enable & X86_EFLAGS_IF))
101                 eflags &= ~X86_EFLAGS_IF;
102
103         /* An interrupt is expected to push three things on the stack: the old
104          * "eflags" word, the old code segment, and the old instruction
105          * pointer. */
106         push_guest_stack(lg, &gstack, eflags);
107         push_guest_stack(lg, &gstack, cpu->regs->cs);
108         push_guest_stack(lg, &gstack, cpu->regs->eip);
109
110         /* For the six traps which supply an error code, we push that, too. */
111         if (has_err)
112                 push_guest_stack(lg, &gstack, cpu->regs->errcode);
113
114         /* Now we've pushed all the old state, we change the stack, the code
115          * segment and the address to execute. */
116         cpu->regs->ss = ss;
117         cpu->regs->esp = virtstack + (gstack - origstack);
118         cpu->regs->cs = (__KERNEL_CS|GUEST_PL);
119         cpu->regs->eip = idt_address(lo, hi);
120
121         /* There are two kinds of interrupt handlers: 0xE is an "interrupt
122          * gate" which expects interrupts to be disabled on entry. */
123         if (idt_type(lo, hi) == 0xE)
124                 if (put_user(0, &lg->lguest_data->irq_enabled))
125                         kill_guest(lg, "Disabling interrupts");
126 }
127
128 /*H:205
129  * Virtual Interrupts.
130  *
131  * maybe_do_interrupt() gets called before every entry to the Guest, to see if
132  * we should divert the Guest to running an interrupt handler. */
133 void maybe_do_interrupt(struct lg_cpu *cpu)
134 {
135         unsigned int irq;
136         struct lguest *lg = cpu->lg;
137         DECLARE_BITMAP(blk, LGUEST_IRQS);
138         struct desc_struct *idt;
139
140         /* If the Guest hasn't even initialized yet, we can do nothing. */
141         if (!lg->lguest_data)
142                 return;
143
144         /* Take our "irqs_pending" array and remove any interrupts the Guest
145          * wants blocked: the result ends up in "blk". */
146         if (copy_from_user(&blk, lg->lguest_data->blocked_interrupts,
147                            sizeof(blk)))
148                 return;
149
150         bitmap_andnot(blk, cpu->irqs_pending, blk, LGUEST_IRQS);
151
152         /* Find the first interrupt. */
153         irq = find_first_bit(blk, LGUEST_IRQS);
154         /* None?  Nothing to do */
155         if (irq >= LGUEST_IRQS)
156                 return;
157
158         /* They may be in the middle of an iret, where they asked us never to
159          * deliver interrupts. */
160         if (cpu->regs->eip >= lg->noirq_start && cpu->regs->eip < lg->noirq_end)
161                 return;
162
163         /* If they're halted, interrupts restart them. */
164         if (lg->halted) {
165                 /* Re-enable interrupts. */
166                 if (put_user(X86_EFLAGS_IF, &lg->lguest_data->irq_enabled))
167                         kill_guest(lg, "Re-enabling interrupts");
168                 lg->halted = 0;
169         } else {
170                 /* Otherwise we check if they have interrupts disabled. */
171                 u32 irq_enabled;
172                 if (get_user(irq_enabled, &lg->lguest_data->irq_enabled))
173                         irq_enabled = 0;
174                 if (!irq_enabled)
175                         return;
176         }
177
178         /* Look at the IDT entry the Guest gave us for this interrupt.  The
179          * first 32 (FIRST_EXTERNAL_VECTOR) entries are for traps, so we skip
180          * over them. */
181         idt = &lg->arch.idt[FIRST_EXTERNAL_VECTOR+irq];
182         /* If they don't have a handler (yet?), we just ignore it */
183         if (idt_present(idt->a, idt->b)) {
184                 /* OK, mark it no longer pending and deliver it. */
185                 clear_bit(irq, cpu->irqs_pending);
186                 /* set_guest_interrupt() takes the interrupt descriptor and a
187                  * flag to say whether this interrupt pushes an error code onto
188                  * the stack as well: virtual interrupts never do. */
189                 set_guest_interrupt(cpu, idt->a, idt->b, 0);
190         }
191
192         /* Every time we deliver an interrupt, we update the timestamp in the
193          * Guest's lguest_data struct.  It would be better for the Guest if we
194          * did this more often, but it can actually be quite slow: doing it
195          * here is a compromise which means at least it gets updated every
196          * timer interrupt. */
197         write_timestamp(lg);
198 }
199 /*:*/
200
201 /* Linux uses trap 128 for system calls.  Plan9 uses 64, and Ron Minnich sent
202  * me a patch, so we support that too.  It'd be a big step for lguest if half
203  * the Plan 9 user base were to start using it.
204  *
205  * Actually now I think of it, it's possible that Ron *is* half the Plan 9
206  * userbase.  Oh well. */
207 static bool could_be_syscall(unsigned int num)
208 {
209         /* Normal Linux SYSCALL_VECTOR or reserved vector? */
210         return num == SYSCALL_VECTOR || num == syscall_vector;
211 }
212
213 /* The syscall vector it wants must be unused by Host. */
214 bool check_syscall_vector(struct lguest *lg)
215 {
216         u32 vector;
217
218         if (get_user(vector, &lg->lguest_data->syscall_vec))
219                 return false;
220
221         return could_be_syscall(vector);
222 }
223
224 int init_interrupts(void)
225 {
226         /* If they want some strange system call vector, reserve it now */
227         if (syscall_vector != SYSCALL_VECTOR
228             && test_and_set_bit(syscall_vector, used_vectors)) {
229                 printk("lg: couldn't reserve syscall %u\n", syscall_vector);
230                 return -EBUSY;
231         }
232         return 0;
233 }
234
235 void free_interrupts(void)
236 {
237         if (syscall_vector != SYSCALL_VECTOR)
238                 clear_bit(syscall_vector, used_vectors);
239 }
240
241 /*H:220 Now we've got the routines to deliver interrupts, delivering traps
242  * like page fault is easy.  The only trick is that Intel decided that some
243  * traps should have error codes: */
244 static int has_err(unsigned int trap)
245 {
246         return (trap == 8 || (trap >= 10 && trap <= 14) || trap == 17);
247 }
248
249 /* deliver_trap() returns true if it could deliver the trap. */
250 int deliver_trap(struct lg_cpu *cpu, unsigned int num)
251 {
252         /* Trap numbers are always 8 bit, but we set an impossible trap number
253          * for traps inside the Switcher, so check that here. */
254         if (num >= ARRAY_SIZE(cpu->lg->arch.idt))
255                 return 0;
256
257         /* Early on the Guest hasn't set the IDT entries (or maybe it put a
258          * bogus one in): if we fail here, the Guest will be killed. */
259         if (!idt_present(cpu->lg->arch.idt[num].a, cpu->lg->arch.idt[num].b))
260                 return 0;
261         set_guest_interrupt(cpu, cpu->lg->arch.idt[num].a,
262                             cpu->lg->arch.idt[num].b, has_err(num));
263         return 1;
264 }
265
266 /*H:250 Here's the hard part: returning to the Host every time a trap happens
267  * and then calling deliver_trap() and re-entering the Guest is slow.
268  * Particularly because Guest userspace system calls are traps (usually trap
269  * 128).
270  *
271  * So we'd like to set up the IDT to tell the CPU to deliver traps directly
272  * into the Guest.  This is possible, but the complexities cause the size of
273  * this file to double!  However, 150 lines of code is worth writing for taking
274  * system calls down from 1750ns to 270ns.  Plus, if lguest didn't do it, all
275  * the other hypervisors would beat it up at lunchtime.
276  *
277  * This routine indicates if a particular trap number could be delivered
278  * directly. */
279 static int direct_trap(unsigned int num)
280 {
281         /* Hardware interrupts don't go to the Guest at all (except system
282          * call). */
283         if (num >= FIRST_EXTERNAL_VECTOR && !could_be_syscall(num))
284                 return 0;
285
286         /* The Host needs to see page faults (for shadow paging and to save the
287          * fault address), general protection faults (in/out emulation) and
288          * device not available (TS handling), and of course, the hypercall
289          * trap. */
290         return num != 14 && num != 13 && num != 7 && num != LGUEST_TRAP_ENTRY;
291 }
292 /*:*/
293
294 /*M:005 The Guest has the ability to turn its interrupt gates into trap gates,
295  * if it is careful.  The Host will let trap gates can go directly to the
296  * Guest, but the Guest needs the interrupts atomically disabled for an
297  * interrupt gate.  It can do this by pointing the trap gate at instructions
298  * within noirq_start and noirq_end, where it can safely disable interrupts. */
299
300 /*M:006 The Guests do not use the sysenter (fast system call) instruction,
301  * because it's hardcoded to enter privilege level 0 and so can't go direct.
302  * It's about twice as fast as the older "int 0x80" system call, so it might
303  * still be worthwhile to handle it in the Switcher and lcall down to the
304  * Guest.  The sysenter semantics are hairy tho: search for that keyword in
305  * entry.S :*/
306
307 /*H:260 When we make traps go directly into the Guest, we need to make sure
308  * the kernel stack is valid (ie. mapped in the page tables).  Otherwise, the
309  * CPU trying to deliver the trap will fault while trying to push the interrupt
310  * words on the stack: this is called a double fault, and it forces us to kill
311  * the Guest.
312  *
313  * Which is deeply unfair, because (literally!) it wasn't the Guests' fault. */
314 void pin_stack_pages(struct lguest *lg)
315 {
316         unsigned int i;
317
318         /* Depending on the CONFIG_4KSTACKS option, the Guest can have one or
319          * two pages of stack space. */
320         for (i = 0; i < lg->stack_pages; i++)
321                 /* The stack grows *upwards*, so the address we're given is the
322                  * start of the page after the kernel stack.  Subtract one to
323                  * get back onto the first stack page, and keep subtracting to
324                  * get to the rest of the stack pages. */
325                 pin_page(lg, lg->esp1 - 1 - i * PAGE_SIZE);
326 }
327
328 /* Direct traps also mean that we need to know whenever the Guest wants to use
329  * a different kernel stack, so we can change the IDT entries to use that
330  * stack.  The IDT entries expect a virtual address, so unlike most addresses
331  * the Guest gives us, the "esp" (stack pointer) value here is virtual, not
332  * physical.
333  *
334  * In Linux each process has its own kernel stack, so this happens a lot: we
335  * change stacks on each context switch. */
336 void guest_set_stack(struct lguest *lg, u32 seg, u32 esp, unsigned int pages)
337 {
338         /* You are not allowed have a stack segment with privilege level 0: bad
339          * Guest! */
340         if ((seg & 0x3) != GUEST_PL)
341                 kill_guest(lg, "bad stack segment %i", seg);
342         /* We only expect one or two stack pages. */
343         if (pages > 2)
344                 kill_guest(lg, "bad stack pages %u", pages);
345         /* Save where the stack is, and how many pages */
346         lg->ss1 = seg;
347         lg->esp1 = esp;
348         lg->stack_pages = pages;
349         /* Make sure the new stack pages are mapped */
350         pin_stack_pages(lg);
351 }
352
353 /* All this reference to mapping stacks leads us neatly into the other complex
354  * part of the Host: page table handling. */
355
356 /*H:235 This is the routine which actually checks the Guest's IDT entry and
357  * transfers it into the entry in "struct lguest": */
358 static void set_trap(struct lguest *lg, struct desc_struct *trap,
359                      unsigned int num, u32 lo, u32 hi)
360 {
361         u8 type = idt_type(lo, hi);
362
363         /* We zero-out a not-present entry */
364         if (!idt_present(lo, hi)) {
365                 trap->a = trap->b = 0;
366                 return;
367         }
368
369         /* We only support interrupt and trap gates. */
370         if (type != 0xE && type != 0xF)
371                 kill_guest(lg, "bad IDT type %i", type);
372
373         /* We only copy the handler address, present bit, privilege level and
374          * type.  The privilege level controls where the trap can be triggered
375          * manually with an "int" instruction.  This is usually GUEST_PL,
376          * except for system calls which userspace can use. */
377         trap->a = ((__KERNEL_CS|GUEST_PL)<<16) | (lo&0x0000FFFF);
378         trap->b = (hi&0xFFFFEF00);
379 }
380
381 /*H:230 While we're here, dealing with delivering traps and interrupts to the
382  * Guest, we might as well complete the picture: how the Guest tells us where
383  * it wants them to go.  This would be simple, except making traps fast
384  * requires some tricks.
385  *
386  * We saw the Guest setting Interrupt Descriptor Table (IDT) entries with the
387  * LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY hypercall before: that comes here. */
388 void load_guest_idt_entry(struct lguest *lg, unsigned int num, u32 lo, u32 hi)
389 {
390         /* Guest never handles: NMI, doublefault, spurious interrupt or
391          * hypercall.  We ignore when it tries to set them. */
392         if (num == 2 || num == 8 || num == 15 || num == LGUEST_TRAP_ENTRY)
393                 return;
394
395         /* Mark the IDT as changed: next time the Guest runs we'll know we have
396          * to copy this again. */
397         lg->changed |= CHANGED_IDT;
398
399         /* Check that the Guest doesn't try to step outside the bounds. */
400         if (num >= ARRAY_SIZE(lg->arch.idt))
401                 kill_guest(lg, "Setting idt entry %u", num);
402         else
403                 set_trap(lg, &lg->arch.idt[num], num, lo, hi);
404 }
405
406 /* The default entry for each interrupt points into the Switcher routines which
407  * simply return to the Host.  The run_guest() loop will then call
408  * deliver_trap() to bounce it back into the Guest. */
409 static void default_idt_entry(struct desc_struct *idt,
410                               int trap,
411                               const unsigned long handler)
412 {
413         /* A present interrupt gate. */
414         u32 flags = 0x8e00;
415
416         /* Set the privilege level on the entry for the hypercall: this allows
417          * the Guest to use the "int" instruction to trigger it. */
418         if (trap == LGUEST_TRAP_ENTRY)
419                 flags |= (GUEST_PL << 13);
420
421         /* Now pack it into the IDT entry in its weird format. */
422         idt->a = (LGUEST_CS<<16) | (handler&0x0000FFFF);
423         idt->b = (handler&0xFFFF0000) | flags;
424 }
425
426 /* When the Guest first starts, we put default entries into the IDT. */
427 void setup_default_idt_entries(struct lguest_ro_state *state,
428                                const unsigned long *def)
429 {
430         unsigned int i;
431
432         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(state->guest_idt); i++)
433                 default_idt_entry(&state->guest_idt[i], i, def[i]);
434 }
435
436 /*H:240 We don't use the IDT entries in the "struct lguest" directly, instead
437  * we copy them into the IDT which we've set up for Guests on this CPU, just
438  * before we run the Guest.  This routine does that copy. */
439 void copy_traps(const struct lguest *lg, struct desc_struct *idt,
440                 const unsigned long *def)
441 {
442         unsigned int i;
443
444         /* We can simply copy the direct traps, otherwise we use the default
445          * ones in the Switcher: they will return to the Host. */
446         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(lg->arch.idt); i++) {
447                 /* If no Guest can ever override this trap, leave it alone. */
448                 if (!direct_trap(i))
449                         continue;
450
451                 /* Only trap gates (type 15) can go direct to the Guest.
452                  * Interrupt gates (type 14) disable interrupts as they are
453                  * entered, which we never let the Guest do.  Not present
454                  * entries (type 0x0) also can't go direct, of course. */
455                 if (idt_type(lg->arch.idt[i].a, lg->arch.idt[i].b) == 0xF)
456                         idt[i] = lg->arch.idt[i];
457                 else
458                         /* Reset it to the default. */
459                         default_idt_entry(&idt[i], i, def[i]);
460         }
461 }
462
463 /*H:200
464  * The Guest Clock.
465  *
466  * There are two sources of virtual interrupts.  We saw one in lguest_user.c:
467  * the Launcher sending interrupts for virtual devices.  The other is the Guest
468  * timer interrupt.
469  *
470  * The Guest uses the LHCALL_SET_CLOCKEVENT hypercall to tell us how long to
471  * the next timer interrupt (in nanoseconds).  We use the high-resolution timer
472  * infrastructure to set a callback at that time.
473  *
474  * 0 means "turn off the clock". */
475 void guest_set_clockevent(struct lg_cpu *cpu, unsigned long delta)
476 {
477         ktime_t expires;
478
479         if (unlikely(delta == 0)) {
480                 /* Clock event device is shutting down. */
481                 hrtimer_cancel(&cpu->hrt);
482                 return;
483         }
484
485         /* We use wallclock time here, so the Guest might not be running for
486          * all the time between now and the timer interrupt it asked for.  This
487          * is almost always the right thing to do. */
488         expires = ktime_add_ns(ktime_get_real(), delta);
489         hrtimer_start(&cpu->hrt, expires, HRTIMER_MODE_ABS);
490 }
491
492 /* This is the function called when the Guest's timer expires. */
493 static enum hrtimer_restart clockdev_fn(struct hrtimer *timer)
494 {
495         struct lg_cpu *cpu = container_of(timer, struct lg_cpu, hrt);
496
497         /* Remember the first interrupt is the timer interrupt. */
498         set_bit(0, cpu->irqs_pending);
499         /* If the Guest is actually stopped, we need to wake it up. */
500         if (cpu->lg->halted)
501                 wake_up_process(cpu->lg->tsk);
502         return HRTIMER_NORESTART;
503 }
504
505 /* This sets up the timer for this Guest. */
506 void init_clockdev(struct lg_cpu *cpu)
507 {
508         hrtimer_init(&cpu->hrt, CLOCK_REALTIME, HRTIMER_MODE_ABS);
509         cpu->hrt.function = clockdev_fn;
510 }