eae949973d09c193003bfdb725ca57bc7acffcd0
[safe/jmp/linux-2.6] / arch / x86 / kvm / paging_tmpl.h
1 /*
2  * Kernel-based Virtual Machine driver for Linux
3  *
4  * This module enables machines with Intel VT-x extensions to run virtual
5  * machines without emulation or binary translation.
6  *
7  * MMU support
8  *
9  * Copyright (C) 2006 Qumranet, Inc.
10  *
11  * Authors:
12  *   Yaniv Kamay  <yaniv@qumranet.com>
13  *   Avi Kivity   <avi@qumranet.com>
14  *
15  * This work is licensed under the terms of the GNU GPL, version 2.  See
16  * the COPYING file in the top-level directory.
17  *
18  */
19
20 /*
21  * We need the mmu code to access both 32-bit and 64-bit guest ptes,
22  * so the code in this file is compiled twice, once per pte size.
23  */
24
25 #if PTTYPE == 64
26         #define pt_element_t u64
27         #define guest_walker guest_walker64
28         #define FNAME(name) paging##64_##name
29         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT64_BASE_ADDR_MASK
30         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT64_DIR_BASE_ADDR_MASK
31         #define PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
32         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT64_LEVEL_MASK(level)
33         #define PT_LEVEL_BITS PT64_LEVEL_BITS
34         #ifdef CONFIG_X86_64
35         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 4
36         #define CMPXCHG cmpxchg
37         #else
38         #define CMPXCHG cmpxchg64
39         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
40         #endif
41 #elif PTTYPE == 32
42         #define pt_element_t u32
43         #define guest_walker guest_walker32
44         #define FNAME(name) paging##32_##name
45         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT32_BASE_ADDR_MASK
46         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT32_DIR_BASE_ADDR_MASK
47         #define PT_INDEX(addr, level) PT32_INDEX(addr, level)
48         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT32_LEVEL_MASK(level)
49         #define PT_LEVEL_BITS PT32_LEVEL_BITS
50         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
51         #define CMPXCHG cmpxchg
52 #else
53         #error Invalid PTTYPE value
54 #endif
55
56 #define gpte_to_gfn FNAME(gpte_to_gfn)
57 #define gpte_to_gfn_pde FNAME(gpte_to_gfn_pde)
58
59 /*
60  * The guest_walker structure emulates the behavior of the hardware page
61  * table walker.
62  */
63 struct guest_walker {
64         int level;
65         gfn_t table_gfn[PT_MAX_FULL_LEVELS];
66         pt_element_t ptes[PT_MAX_FULL_LEVELS];
67         gpa_t pte_gpa[PT_MAX_FULL_LEVELS];
68         unsigned pt_access;
69         unsigned pte_access;
70         gfn_t gfn;
71         u32 error_code;
72 };
73
74 static gfn_t gpte_to_gfn(pt_element_t gpte)
75 {
76         return (gpte & PT_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
77 }
78
79 static gfn_t gpte_to_gfn_pde(pt_element_t gpte)
80 {
81         return (gpte & PT_DIR_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
82 }
83
84 static bool FNAME(cmpxchg_gpte)(struct kvm *kvm,
85                          gfn_t table_gfn, unsigned index,
86                          pt_element_t orig_pte, pt_element_t new_pte)
87 {
88         pt_element_t ret;
89         pt_element_t *table;
90         struct page *page;
91
92         page = gfn_to_page(kvm, table_gfn);
93
94         table = kmap_atomic(page, KM_USER0);
95         ret = CMPXCHG(&table[index], orig_pte, new_pte);
96         kunmap_atomic(table, KM_USER0);
97
98         kvm_release_page_dirty(page);
99
100         return (ret != orig_pte);
101 }
102
103 static unsigned FNAME(gpte_access)(struct kvm_vcpu *vcpu, pt_element_t gpte)
104 {
105         unsigned access;
106
107         access = (gpte & (PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK)) | ACC_EXEC_MASK;
108 #if PTTYPE == 64
109         if (is_nx(vcpu))
110                 access &= ~(gpte >> PT64_NX_SHIFT);
111 #endif
112         return access;
113 }
114
115 /*
116  * Fetch a guest pte for a guest virtual address
117  */
118 static int FNAME(walk_addr)(struct guest_walker *walker,
119                             struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
120                             int write_fault, int user_fault, int fetch_fault)
121 {
122         pt_element_t pte;
123         gfn_t table_gfn;
124         unsigned index, pt_access, pte_access;
125         gpa_t pte_gpa;
126
127         pgprintk("%s: addr %lx\n", __func__, addr);
128 walk:
129         walker->level = vcpu->arch.mmu.root_level;
130         pte = vcpu->arch.cr3;
131 #if PTTYPE == 64
132         if (!is_long_mode(vcpu)) {
133                 pte = vcpu->arch.pdptrs[(addr >> 30) & 3];
134                 if (!is_present_pte(pte))
135                         goto not_present;
136                 --walker->level;
137         }
138 #endif
139         ASSERT((!is_long_mode(vcpu) && is_pae(vcpu)) ||
140                (vcpu->arch.cr3 & CR3_NONPAE_RESERVED_BITS) == 0);
141
142         pt_access = ACC_ALL;
143
144         for (;;) {
145                 index = PT_INDEX(addr, walker->level);
146
147                 table_gfn = gpte_to_gfn(pte);
148                 pte_gpa = gfn_to_gpa(table_gfn);
149                 pte_gpa += index * sizeof(pt_element_t);
150                 walker->table_gfn[walker->level - 1] = table_gfn;
151                 walker->pte_gpa[walker->level - 1] = pte_gpa;
152                 pgprintk("%s: table_gfn[%d] %lx\n", __func__,
153                          walker->level - 1, table_gfn);
154
155                 kvm_read_guest(vcpu->kvm, pte_gpa, &pte, sizeof(pte));
156
157                 if (!is_present_pte(pte))
158                         goto not_present;
159
160                 if (write_fault && !is_writeble_pte(pte))
161                         if (user_fault || is_write_protection(vcpu))
162                                 goto access_error;
163
164                 if (user_fault && !(pte & PT_USER_MASK))
165                         goto access_error;
166
167 #if PTTYPE == 64
168                 if (fetch_fault && is_nx(vcpu) && (pte & PT64_NX_MASK))
169                         goto access_error;
170 #endif
171
172                 if (!(pte & PT_ACCESSED_MASK)) {
173                         mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
174                         if (FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn,
175                             index, pte, pte|PT_ACCESSED_MASK))
176                                 goto walk;
177                         pte |= PT_ACCESSED_MASK;
178                 }
179
180                 pte_access = pt_access & FNAME(gpte_access)(vcpu, pte);
181
182                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
183
184                 if (walker->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL) {
185                         walker->gfn = gpte_to_gfn(pte);
186                         break;
187                 }
188
189                 if (walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL
190                     && (pte & PT_PAGE_SIZE_MASK)
191                     && (PTTYPE == 64 || is_pse(vcpu))) {
192                         walker->gfn = gpte_to_gfn_pde(pte);
193                         walker->gfn += PT_INDEX(addr, PT_PAGE_TABLE_LEVEL);
194                         if (PTTYPE == 32 && is_cpuid_PSE36())
195                                 walker->gfn += pse36_gfn_delta(pte);
196                         break;
197                 }
198
199                 pt_access = pte_access;
200                 --walker->level;
201         }
202
203         if (write_fault && !is_dirty_pte(pte)) {
204                 bool ret;
205
206                 mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
207                 ret = FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn, index, pte,
208                             pte|PT_DIRTY_MASK);
209                 if (ret)
210                         goto walk;
211                 pte |= PT_DIRTY_MASK;
212                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
213         }
214
215         walker->pt_access = pt_access;
216         walker->pte_access = pte_access;
217         pgprintk("%s: pte %llx pte_access %x pt_access %x\n",
218                  __func__, (u64)pte, pt_access, pte_access);
219         return 1;
220
221 not_present:
222         walker->error_code = 0;
223         goto err;
224
225 access_error:
226         walker->error_code = PFERR_PRESENT_MASK;
227
228 err:
229         if (write_fault)
230                 walker->error_code |= PFERR_WRITE_MASK;
231         if (user_fault)
232                 walker->error_code |= PFERR_USER_MASK;
233         if (fetch_fault)
234                 walker->error_code |= PFERR_FETCH_MASK;
235         return 0;
236 }
237
238 static void FNAME(update_pte)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *page,
239                               u64 *spte, const void *pte)
240 {
241         pt_element_t gpte;
242         unsigned pte_access;
243         pfn_t pfn;
244         int largepage = vcpu->arch.update_pte.largepage;
245
246         gpte = *(const pt_element_t *)pte;
247         if (~gpte & (PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK)) {
248                 if (!is_present_pte(gpte))
249                         set_shadow_pte(spte, shadow_notrap_nonpresent_pte);
250                 return;
251         }
252         pgprintk("%s: gpte %llx spte %p\n", __func__, (u64)gpte, spte);
253         pte_access = page->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
254         if (gpte_to_gfn(gpte) != vcpu->arch.update_pte.gfn)
255                 return;
256         pfn = vcpu->arch.update_pte.pfn;
257         if (is_error_pfn(pfn))
258                 return;
259         if (mmu_notifier_retry(vcpu, vcpu->arch.update_pte.mmu_seq))
260                 return;
261         kvm_get_pfn(pfn);
262         mmu_set_spte(vcpu, spte, page->role.access, pte_access, 0, 0,
263                      gpte & PT_DIRTY_MASK, NULL, largepage,
264                      gpte & PT_GLOBAL_MASK, gpte_to_gfn(gpte),
265                      pfn, true);
266 }
267
268 /*
269  * Fetch a shadow pte for a specific level in the paging hierarchy.
270  */
271 static u64 *FNAME(fetch)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
272                          struct guest_walker *gw,
273                          int user_fault, int write_fault, int largepage,
274                          int *ptwrite, pfn_t pfn)
275 {
276         unsigned access = gw->pt_access;
277         struct kvm_mmu_page *shadow_page;
278         u64 spte, *sptep;
279         int direct;
280         gfn_t table_gfn;
281         int r;
282         int level;
283         pt_element_t curr_pte;
284         struct kvm_shadow_walk_iterator iterator;
285
286         if (!is_present_pte(gw->ptes[gw->level - 1]))
287                 return NULL;
288
289         for_each_shadow_entry(vcpu, addr, iterator) {
290                 level = iterator.level;
291                 sptep = iterator.sptep;
292                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL
293                     || (largepage && level == PT_DIRECTORY_LEVEL)) {
294                         mmu_set_spte(vcpu, sptep, access,
295                                      gw->pte_access & access,
296                                      user_fault, write_fault,
297                                      gw->ptes[gw->level-1] & PT_DIRTY_MASK,
298                                      ptwrite, largepage,
299                                      gw->ptes[gw->level-1] & PT_GLOBAL_MASK,
300                                      gw->gfn, pfn, false);
301                         break;
302                 }
303
304                 if (is_shadow_present_pte(*sptep) && !is_large_pte(*sptep))
305                         continue;
306
307                 if (is_large_pte(*sptep)) {
308                         rmap_remove(vcpu->kvm, sptep);
309                         set_shadow_pte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
310                         kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
311                 }
312
313                 if (level == PT_DIRECTORY_LEVEL
314                     && gw->level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
315                         direct = 1;
316                         if (!is_dirty_pte(gw->ptes[level - 1]))
317                                 access &= ~ACC_WRITE_MASK;
318                         table_gfn = gpte_to_gfn(gw->ptes[level - 1]);
319                 } else {
320                         direct = 0;
321                         table_gfn = gw->table_gfn[level - 2];
322                 }
323                 shadow_page = kvm_mmu_get_page(vcpu, table_gfn, addr, level-1,
324                                                direct, access, sptep);
325                 if (!direct) {
326                         r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm,
327                                                   gw->pte_gpa[level - 2],
328                                                   &curr_pte, sizeof(curr_pte));
329                         if (r || curr_pte != gw->ptes[level - 2]) {
330                                 kvm_mmu_put_page(shadow_page, sptep);
331                                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
332                                 sptep = NULL;
333                                 break;
334                         }
335                 }
336
337                 spte = __pa(shadow_page->spt)
338                         | PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK
339                         | PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK;
340                 *sptep = spte;
341         }
342
343         return sptep;
344 }
345
346 /*
347  * Page fault handler.  There are several causes for a page fault:
348  *   - there is no shadow pte for the guest pte
349  *   - write access through a shadow pte marked read only so that we can set
350  *     the dirty bit
351  *   - write access to a shadow pte marked read only so we can update the page
352  *     dirty bitmap, when userspace requests it
353  *   - mmio access; in this case we will never install a present shadow pte
354  *   - normal guest page fault due to the guest pte marked not present, not
355  *     writable, or not executable
356  *
357  *  Returns: 1 if we need to emulate the instruction, 0 otherwise, or
358  *           a negative value on error.
359  */
360 static int FNAME(page_fault)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
361                                u32 error_code)
362 {
363         int write_fault = error_code & PFERR_WRITE_MASK;
364         int user_fault = error_code & PFERR_USER_MASK;
365         int fetch_fault = error_code & PFERR_FETCH_MASK;
366         struct guest_walker walker;
367         u64 *shadow_pte;
368         int write_pt = 0;
369         int r;
370         pfn_t pfn;
371         int largepage = 0;
372         unsigned long mmu_seq;
373
374         pgprintk("%s: addr %lx err %x\n", __func__, addr, error_code);
375         kvm_mmu_audit(vcpu, "pre page fault");
376
377         r = mmu_topup_memory_caches(vcpu);
378         if (r)
379                 return r;
380
381         /*
382          * Look up the guest pte for the faulting address.
383          */
384         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, addr, write_fault, user_fault,
385                              fetch_fault);
386
387         /*
388          * The page is not mapped by the guest.  Let the guest handle it.
389          */
390         if (!r) {
391                 pgprintk("%s: guest page fault\n", __func__);
392                 inject_page_fault(vcpu, addr, walker.error_code);
393                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
394                 return 0;
395         }
396
397         if (walker.level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
398                 gfn_t large_gfn;
399                 large_gfn = walker.gfn & ~(KVM_PAGES_PER_HPAGE-1);
400                 if (is_largepage_backed(vcpu, large_gfn)) {
401                         walker.gfn = large_gfn;
402                         largepage = 1;
403                 }
404         }
405         mmu_seq = vcpu->kvm->mmu_notifier_seq;
406         smp_rmb();
407         pfn = gfn_to_pfn(vcpu->kvm, walker.gfn);
408
409         /* mmio */
410         if (is_error_pfn(pfn)) {
411                 pgprintk("gfn %lx is mmio\n", walker.gfn);
412                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
413                 return 1;
414         }
415
416         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
417         if (mmu_notifier_retry(vcpu, mmu_seq))
418                 goto out_unlock;
419         kvm_mmu_free_some_pages(vcpu);
420         shadow_pte = FNAME(fetch)(vcpu, addr, &walker, user_fault, write_fault,
421                                   largepage, &write_pt, pfn);
422
423         pgprintk("%s: shadow pte %p %llx ptwrite %d\n", __func__,
424                  shadow_pte, *shadow_pte, write_pt);
425
426         if (!write_pt)
427                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
428
429         ++vcpu->stat.pf_fixed;
430         kvm_mmu_audit(vcpu, "post page fault (fixed)");
431         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
432
433         return write_pt;
434
435 out_unlock:
436         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
437         kvm_release_pfn_clean(pfn);
438         return 0;
439 }
440
441 static void FNAME(invlpg)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t gva)
442 {
443         struct kvm_shadow_walk_iterator iterator;
444         pt_element_t gpte;
445         gpa_t pte_gpa = -1;
446         int level;
447         u64 *sptep;
448         int need_flush = 0;
449
450         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
451
452         for_each_shadow_entry(vcpu, gva, iterator) {
453                 level = iterator.level;
454                 sptep = iterator.sptep;
455
456                 /* FIXME: properly handle invlpg on large guest pages */
457                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL ||
458                     ((level == PT_DIRECTORY_LEVEL) && is_large_pte(*sptep))) {
459                         struct kvm_mmu_page *sp = page_header(__pa(sptep));
460
461                         pte_gpa = (sp->gfn << PAGE_SHIFT);
462                         pte_gpa += (sptep - sp->spt) * sizeof(pt_element_t);
463
464                         if (is_shadow_present_pte(*sptep)) {
465                                 rmap_remove(vcpu->kvm, sptep);
466                                 if (is_large_pte(*sptep))
467                                         --vcpu->kvm->stat.lpages;
468                                 need_flush = 1;
469                         }
470                         set_shadow_pte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
471                         break;
472                 }
473
474                 if (!is_shadow_present_pte(*sptep))
475                         break;
476         }
477
478         if (need_flush)
479                 kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
480         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
481
482         if (pte_gpa == -1)
483                 return;
484         if (kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, &gpte,
485                                   sizeof(pt_element_t)))
486                 return;
487         if (is_present_pte(gpte) && (gpte & PT_ACCESSED_MASK)) {
488                 if (mmu_topup_memory_caches(vcpu))
489                         return;
490                 kvm_mmu_pte_write(vcpu, pte_gpa, (const u8 *)&gpte,
491                                   sizeof(pt_element_t), 0);
492         }
493 }
494
495 static gpa_t FNAME(gva_to_gpa)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t vaddr)
496 {
497         struct guest_walker walker;
498         gpa_t gpa = UNMAPPED_GVA;
499         int r;
500
501         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, vaddr, 0, 0, 0);
502
503         if (r) {
504                 gpa = gfn_to_gpa(walker.gfn);
505                 gpa |= vaddr & ~PAGE_MASK;
506         }
507
508         return gpa;
509 }
510
511 static void FNAME(prefetch_page)(struct kvm_vcpu *vcpu,
512                                  struct kvm_mmu_page *sp)
513 {
514         int i, j, offset, r;
515         pt_element_t pt[256 / sizeof(pt_element_t)];
516         gpa_t pte_gpa;
517
518         if (sp->role.direct
519             || (PTTYPE == 32 && sp->role.level > PT_PAGE_TABLE_LEVEL)) {
520                 nonpaging_prefetch_page(vcpu, sp);
521                 return;
522         }
523
524         pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
525         if (PTTYPE == 32) {
526                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
527                 pte_gpa += offset * sizeof(pt_element_t);
528         }
529
530         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i += ARRAY_SIZE(pt)) {
531                 r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, pt, sizeof pt);
532                 pte_gpa += ARRAY_SIZE(pt) * sizeof(pt_element_t);
533                 for (j = 0; j < ARRAY_SIZE(pt); ++j)
534                         if (r || is_present_pte(pt[j]))
535                                 sp->spt[i+j] = shadow_trap_nonpresent_pte;
536                         else
537                                 sp->spt[i+j] = shadow_notrap_nonpresent_pte;
538         }
539 }
540
541 /*
542  * Using the cached information from sp->gfns is safe because:
543  * - The spte has a reference to the struct page, so the pfn for a given gfn
544  *   can't change unless all sptes pointing to it are nuked first.
545  * - Alias changes zap the entire shadow cache.
546  */
547 static int FNAME(sync_page)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *sp)
548 {
549         int i, offset, nr_present;
550
551         offset = nr_present = 0;
552
553         if (PTTYPE == 32)
554                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
555
556         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i++) {
557                 unsigned pte_access;
558                 pt_element_t gpte;
559                 gpa_t pte_gpa;
560                 gfn_t gfn = sp->gfns[i];
561
562                 if (!is_shadow_present_pte(sp->spt[i]))
563                         continue;
564
565                 pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
566                 pte_gpa += (i+offset) * sizeof(pt_element_t);
567
568                 if (kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, &gpte,
569                                           sizeof(pt_element_t)))
570                         return -EINVAL;
571
572                 if (gpte_to_gfn(gpte) != gfn || !is_present_pte(gpte) ||
573                     !(gpte & PT_ACCESSED_MASK)) {
574                         u64 nonpresent;
575
576                         rmap_remove(vcpu->kvm, &sp->spt[i]);
577                         if (is_present_pte(gpte))
578                                 nonpresent = shadow_trap_nonpresent_pte;
579                         else
580                                 nonpresent = shadow_notrap_nonpresent_pte;
581                         set_shadow_pte(&sp->spt[i], nonpresent);
582                         continue;
583                 }
584
585                 nr_present++;
586                 pte_access = sp->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
587                 set_spte(vcpu, &sp->spt[i], pte_access, 0, 0,
588                          is_dirty_pte(gpte), 0, gpte & PT_GLOBAL_MASK, gfn,
589                          spte_to_pfn(sp->spt[i]), true, false);
590         }
591
592         return !nr_present;
593 }
594
595 #undef pt_element_t
596 #undef guest_walker
597 #undef FNAME
598 #undef PT_BASE_ADDR_MASK
599 #undef PT_INDEX
600 #undef PT_LEVEL_MASK
601 #undef PT_DIR_BASE_ADDR_MASK
602 #undef PT_LEVEL_BITS
603 #undef PT_MAX_FULL_LEVELS
604 #undef gpte_to_gfn
605 #undef gpte_to_gfn_pde
606 #undef CMPXCHG