Merge git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net
[pandora-kernel.git] / 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/virtual/lguest/lguest.c) is called the
11  * Launcher.
12  *
13  * Secondly, we only run specially modified Guests, not normal kernels: setting
14  * CONFIG_LGUEST_GUEST to "y" compiles this file into the kernel so it knows
15  * how to be a Guest at boot time.  This means that you can use the same kernel
16  * you boot normally (ie. as a Host) as a Guest.
17  *
18  * These Guests know that they cannot do privileged operations, such as disable
19  * interrupts, and that they have to ask the Host to do such things explicitly.
20  * This file consists of all the replacements for such low-level native
21  * hardware operations: these special Guest versions call the Host.
22  *
23  * So how does the kernel know it's a Guest?  We'll see that later, but let's
24  * just say that we end up here where we replace the native functions various
25  * "paravirt" structures with our Guest versions, then boot like normal.
26 :*/
27
28 /*
29  * Copyright (C) 2006, Rusty Russell <rusty@rustcorp.com.au> IBM Corporation.
30  *
31  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
32  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
33  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
34  * (at your option) any later version.
35  *
36  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
37  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
38  * MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, GOOD TITLE or
39  * NON INFRINGEMENT.  See the GNU General Public License for more
40  * details.
41  *
42  * You should have received a copy of the GNU General Public License
43  * along with this program; if not, write to the Free Software
44  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
45  */
46 #include <linux/kernel.h>
47 #include <linux/start_kernel.h>
48 #include <linux/string.h>
49 #include <linux/console.h>
50 #include <linux/screen_info.h>
51 #include <linux/irq.h>
52 #include <linux/interrupt.h>
53 #include <linux/clocksource.h>
54 #include <linux/clockchips.h>
55 #include <linux/lguest.h>
56 #include <linux/lguest_launcher.h>
57 #include <linux/virtio_console.h>
58 #include <linux/pm.h>
59 #include <linux/export.h>
60 #include <asm/apic.h>
61 #include <asm/lguest.h>
62 #include <asm/paravirt.h>
63 #include <asm/param.h>
64 #include <asm/page.h>
65 #include <asm/pgtable.h>
66 #include <asm/desc.h>
67 #include <asm/setup.h>
68 #include <asm/e820.h>
69 #include <asm/mce.h>
70 #include <asm/io.h>
71 #include <asm/i387.h>
72 #include <asm/stackprotector.h>
73 #include <asm/reboot.h>         /* for struct machine_ops */
74 #include <asm/kvm_para.h>
75
76 /*G:010
77  * Welcome to the Guest!
78  *
79  * The Guest in our tale is a simple creature: identical to the Host but
80  * behaving in simplified but equivalent ways.  In particular, the Guest is the
81  * same kernel as the Host (or at least, built from the same source code).
82 :*/
83
84 struct lguest_data lguest_data = {
85         .hcall_status = { [0 ... LHCALL_RING_SIZE-1] = 0xFF },
86         .noirq_start = (u32)lguest_noirq_start,
87         .noirq_end = (u32)lguest_noirq_end,
88         .kernel_address = PAGE_OFFSET,
89         .blocked_interrupts = { 1 }, /* Block timer interrupts */
90         .syscall_vec = SYSCALL_VECTOR,
91 };
92
93 /*G:037
94  * async_hcall() is pretty simple: I'm quite proud of it really.  We have a
95  * ring buffer of stored hypercalls which the Host will run though next time we
96  * do a normal hypercall.  Each entry in the ring has 5 slots for the hypercall
97  * arguments, and a "hcall_status" word which is 0 if the call is ready to go,
98  * and 255 once the Host has finished with it.
99  *
100  * If we come around to a slot which hasn't been finished, then the table is
101  * full and we just make the hypercall directly.  This has the nice side
102  * effect of causing the Host to run all the stored calls in the ring buffer
103  * which empties it for next time!
104  */
105 static void async_hcall(unsigned long call, unsigned long arg1,
106                         unsigned long arg2, unsigned long arg3,
107                         unsigned long arg4)
108 {
109         /* Note: This code assumes we're uniprocessor. */
110         static unsigned int next_call;
111         unsigned long flags;
112
113         /*
114          * Disable interrupts if not already disabled: we don't want an
115          * interrupt handler making a hypercall while we're already doing
116          * one!
117          */
118         local_irq_save(flags);
119         if (lguest_data.hcall_status[next_call] != 0xFF) {
120                 /* Table full, so do normal hcall which will flush table. */
121                 hcall(call, arg1, arg2, arg3, arg4);
122         } else {
123                 lguest_data.hcalls[next_call].arg0 = call;
124                 lguest_data.hcalls[next_call].arg1 = arg1;
125                 lguest_data.hcalls[next_call].arg2 = arg2;
126                 lguest_data.hcalls[next_call].arg3 = arg3;
127                 lguest_data.hcalls[next_call].arg4 = arg4;
128                 /* Arguments must all be written before we mark it to go */
129                 wmb();
130                 lguest_data.hcall_status[next_call] = 0;
131                 if (++next_call == LHCALL_RING_SIZE)
132                         next_call = 0;
133         }
134         local_irq_restore(flags);
135 }
136
137 /*G:035
138  * Notice the lazy_hcall() above, rather than hcall().  This is our first real
139  * optimization trick!
140  *
141  * When lazy_mode is set, it means we're allowed to defer all hypercalls and do
142  * them as a batch when lazy_mode is eventually turned off.  Because hypercalls
143  * are reasonably expensive, batching them up makes sense.  For example, a
144  * large munmap might update dozens of page table entries: that code calls
145  * paravirt_enter_lazy_mmu(), does the dozen updates, then calls
146  * lguest_leave_lazy_mode().
147  *
148  * So, when we're in lazy mode, we call async_hcall() to store the call for
149  * future processing:
150  */
151 static void lazy_hcall1(unsigned long call, unsigned long arg1)
152 {
153         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
154                 hcall(call, arg1, 0, 0, 0);
155         else
156                 async_hcall(call, arg1, 0, 0, 0);
157 }
158
159 /* You can imagine what lazy_hcall2, 3 and 4 look like. :*/
160 static void lazy_hcall2(unsigned long call,
161                         unsigned long arg1,
162                         unsigned long arg2)
163 {
164         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
165                 hcall(call, arg1, arg2, 0, 0);
166         else
167                 async_hcall(call, arg1, arg2, 0, 0);
168 }
169
170 static void lazy_hcall3(unsigned long call,
171                         unsigned long arg1,
172                         unsigned long arg2,
173                         unsigned long arg3)
174 {
175         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
176                 hcall(call, arg1, arg2, arg3, 0);
177         else
178                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3, 0);
179 }
180
181 #ifdef CONFIG_X86_PAE
182 static void lazy_hcall4(unsigned long call,
183                         unsigned long arg1,
184                         unsigned long arg2,
185                         unsigned long arg3,
186                         unsigned long arg4)
187 {
188         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
189                 hcall(call, arg1, arg2, arg3, arg4);
190         else
191                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3, arg4);
192 }
193 #endif
194
195 /*G:036
196  * When lazy mode is turned off, we issue the do-nothing hypercall to
197  * flush any stored calls, and call the generic helper to reset the
198  * per-cpu lazy mode variable.
199  */
200 static void lguest_leave_lazy_mmu_mode(void)
201 {
202         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0, 0);
203         paravirt_leave_lazy_mmu();
204 }
205
206 /*
207  * We also catch the end of context switch; we enter lazy mode for much of
208  * that too, so again we need to flush here.
209  *
210  * (Technically, this is lazy CPU mode, and normally we're in lazy MMU
211  * mode, but unlike Xen, lguest doesn't care about the difference).
212  */
213 static void lguest_end_context_switch(struct task_struct *next)
214 {
215         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0, 0);
216         paravirt_end_context_switch(next);
217 }
218
219 /*G:032
220  * After that diversion we return to our first native-instruction
221  * replacements: four functions for interrupt control.
222  *
223  * The simplest way of implementing these would be to have "turn interrupts
224  * off" and "turn interrupts on" hypercalls.  Unfortunately, this is too slow:
225  * these are by far the most commonly called functions of those we override.
226  *
227  * So instead we keep an "irq_enabled" field inside our "struct lguest_data",
228  * which the Guest can update with a single instruction.  The Host knows to
229  * check there before it tries to deliver an interrupt.
230  */
231
232 /*
233  * save_flags() is expected to return the processor state (ie. "flags").  The
234  * flags word contains all kind of stuff, but in practice Linux only cares
235  * about the interrupt flag.  Our "save_flags()" just returns that.
236  */
237 static unsigned long save_fl(void)
238 {
239         return lguest_data.irq_enabled;
240 }
241
242 /* Interrupts go off... */
243 static void irq_disable(void)
244 {
245         lguest_data.irq_enabled = 0;
246 }
247
248 /*
249  * Let's pause a moment.  Remember how I said these are called so often?
250  * Jeremy Fitzhardinge optimized them so hard early in 2009 that he had to
251  * break some rules.  In particular, these functions are assumed to save their
252  * own registers if they need to: normal C functions assume they can trash the
253  * eax register.  To use normal C functions, we use
254  * PV_CALLEE_SAVE_REGS_THUNK(), which pushes %eax onto the stack, calls the
255  * C function, then restores it.
256  */
257 PV_CALLEE_SAVE_REGS_THUNK(save_fl);
258 PV_CALLEE_SAVE_REGS_THUNK(irq_disable);
259 /*:*/
260
261 /* These are in i386_head.S */
262 extern void lg_irq_enable(void);
263 extern void lg_restore_fl(unsigned long flags);
264
265 /*M:003
266  * We could be more efficient in our checking of outstanding interrupts, rather
267  * than using a branch.  One way would be to put the "irq_enabled" field in a
268  * page by itself, and have the Host write-protect it when an interrupt comes
269  * in when irqs are disabled.  There will then be a page fault as soon as
270  * interrupts are re-enabled.
271  *
272  * A better method is to implement soft interrupt disable generally for x86:
273  * instead of disabling interrupts, we set a flag.  If an interrupt does come
274  * in, we then disable them for real.  This is uncommon, so we could simply use
275  * a hypercall for interrupt control and not worry about efficiency.
276 :*/
277
278 /*G:034
279  * The Interrupt Descriptor Table (IDT).
280  *
281  * The IDT tells the processor what to do when an interrupt comes in.  Each
282  * entry in the table is a 64-bit descriptor: this holds the privilege level,
283  * address of the handler, and... well, who cares?  The Guest just asks the
284  * Host to make the change anyway, because the Host controls the real IDT.
285  */
286 static void lguest_write_idt_entry(gate_desc *dt,
287                                    int entrynum, const gate_desc *g)
288 {
289         /*
290          * The gate_desc structure is 8 bytes long: we hand it to the Host in
291          * two 32-bit chunks.  The whole 32-bit kernel used to hand descriptors
292          * around like this; typesafety wasn't a big concern in Linux's early
293          * years.
294          */
295         u32 *desc = (u32 *)g;
296         /* Keep the local copy up to date. */
297         native_write_idt_entry(dt, entrynum, g);
298         /* Tell Host about this new entry. */
299         hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, entrynum, desc[0], desc[1], 0);
300 }
301
302 /*
303  * Changing to a different IDT is very rare: we keep the IDT up-to-date every
304  * time it is written, so we can simply loop through all entries and tell the
305  * Host about them.
306  */
307 static void lguest_load_idt(const struct desc_ptr *desc)
308 {
309         unsigned int i;
310         struct desc_struct *idt = (void *)desc->address;
311
312         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
313                 hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, i, idt[i].a, idt[i].b, 0);
314 }
315
316 /*
317  * The Global Descriptor Table.
318  *
319  * The Intel architecture defines another table, called the Global Descriptor
320  * Table (GDT).  You tell the CPU where it is (and its size) using the "lgdt"
321  * instruction, and then several other instructions refer to entries in the
322  * table.  There are three entries which the Switcher needs, so the Host simply
323  * controls the entire thing and the Guest asks it to make changes using the
324  * LOAD_GDT hypercall.
325  *
326  * This is the exactly like the IDT code.
327  */
328 static void lguest_load_gdt(const struct desc_ptr *desc)
329 {
330         unsigned int i;
331         struct desc_struct *gdt = (void *)desc->address;
332
333         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
334                 hcall(LHCALL_LOAD_GDT_ENTRY, i, gdt[i].a, gdt[i].b, 0);
335 }
336
337 /*
338  * For a single GDT entry which changes, we simply change our copy and
339  * then tell the host about it.
340  */
341 static void lguest_write_gdt_entry(struct desc_struct *dt, int entrynum,
342                                    const void *desc, int type)
343 {
344         native_write_gdt_entry(dt, entrynum, desc, type);
345         /* Tell Host about this new entry. */
346         hcall(LHCALL_LOAD_GDT_ENTRY, entrynum,
347               dt[entrynum].a, dt[entrynum].b, 0);
348 }
349
350 /*
351  * There are three "thread local storage" GDT entries which change
352  * on every context switch (these three entries are how glibc implements
353  * __thread variables).  As an optimization, we have a hypercall
354  * specifically for this case.
355  *
356  * Wouldn't it be nicer to have a general LOAD_GDT_ENTRIES hypercall
357  * which took a range of entries?
358  */
359 static void lguest_load_tls(struct thread_struct *t, unsigned int cpu)
360 {
361         /*
362          * There's one problem which normal hardware doesn't have: the Host
363          * can't handle us removing entries we're currently using.  So we clear
364          * the GS register here: if it's needed it'll be reloaded anyway.
365          */
366         lazy_load_gs(0);
367         lazy_hcall2(LHCALL_LOAD_TLS, __pa(&t->tls_array), cpu);
368 }
369
370 /*G:038
371  * That's enough excitement for now, back to ploughing through each of the
372  * different pv_ops structures (we're about 1/3 of the way through).
373  *
374  * This is the Local Descriptor Table, another weird Intel thingy.  Linux only
375  * uses this for some strange applications like Wine.  We don't do anything
376  * here, so they'll get an informative and friendly Segmentation Fault.
377  */
378 static void lguest_set_ldt(const void *addr, unsigned entries)
379 {
380 }
381
382 /*
383  * This loads a GDT entry into the "Task Register": that entry points to a
384  * structure called the Task State Segment.  Some comments scattered though the
385  * kernel code indicate that this used for task switching in ages past, along
386  * with blood sacrifice and astrology.
387  *
388  * Now there's nothing interesting in here that we don't get told elsewhere.
389  * But the native version uses the "ltr" instruction, which makes the Host
390  * complain to the Guest about a Segmentation Fault and it'll oops.  So we
391  * override the native version with a do-nothing version.
392  */
393 static void lguest_load_tr_desc(void)
394 {
395 }
396
397 /*
398  * The "cpuid" instruction is a way of querying both the CPU identity
399  * (manufacturer, model, etc) and its features.  It was introduced before the
400  * Pentium in 1993 and keeps getting extended by both Intel, AMD and others.
401  * As you might imagine, after a decade and a half this treatment, it is now a
402  * giant ball of hair.  Its entry in the current Intel manual runs to 28 pages.
403  *
404  * This instruction even it has its own Wikipedia entry.  The Wikipedia entry
405  * has been translated into 6 languages.  I am not making this up!
406  *
407  * We could get funky here and identify ourselves as "GenuineLguest", but
408  * instead we just use the real "cpuid" instruction.  Then I pretty much turned
409  * off feature bits until the Guest booted.  (Don't say that: you'll damage
410  * lguest sales!)  Shut up, inner voice!  (Hey, just pointing out that this is
411  * hardly future proof.)  No one's listening!  They don't like you anyway,
412  * parenthetic weirdo!
413  *
414  * Replacing the cpuid so we can turn features off is great for the kernel, but
415  * anyone (including userspace) can just use the raw "cpuid" instruction and
416  * the Host won't even notice since it isn't privileged.  So we try not to get
417  * too worked up about it.
418  */
419 static void lguest_cpuid(unsigned int *ax, unsigned int *bx,
420                          unsigned int *cx, unsigned int *dx)
421 {
422         int function = *ax;
423
424         native_cpuid(ax, bx, cx, dx);
425         switch (function) {
426         /*
427          * CPUID 0 gives the highest legal CPUID number (and the ID string).
428          * We futureproof our code a little by sticking to known CPUID values.
429          */
430         case 0:
431                 if (*ax > 5)
432                         *ax = 5;
433                 break;
434
435         /*
436          * CPUID 1 is a basic feature request.
437          *
438          * CX: we only allow kernel to see SSE3, CMPXCHG16B and SSSE3
439          * DX: SSE, SSE2, FXSR, MMX, CMOV, CMPXCHG8B, TSC, FPU and PAE.
440          */
441         case 1:
442                 *cx &= 0x00002201;
443                 *dx &= 0x07808151;
444                 /*
445                  * The Host can do a nice optimization if it knows that the
446                  * kernel mappings (addresses above 0xC0000000 or whatever
447                  * PAGE_OFFSET is set to) haven't changed.  But Linux calls
448                  * flush_tlb_user() for both user and kernel mappings unless
449                  * the Page Global Enable (PGE) feature bit is set.
450                  */
451                 *dx |= 0x00002000;
452                 /*
453                  * We also lie, and say we're family id 5.  6 or greater
454                  * leads to a rdmsr in early_init_intel which we can't handle.
455                  * Family ID is returned as bits 8-12 in ax.
456                  */
457                 *ax &= 0xFFFFF0FF;
458                 *ax |= 0x00000500;
459                 break;
460
461         /*
462          * This is used to detect if we're running under KVM.  We might be,
463          * but that's a Host matter, not us.  So say we're not.
464          */
465         case KVM_CPUID_SIGNATURE:
466                 *bx = *cx = *dx = 0;
467                 break;
468
469         /*
470          * 0x80000000 returns the highest Extended Function, so we futureproof
471          * like we do above by limiting it to known fields.
472          */
473         case 0x80000000:
474                 if (*ax > 0x80000008)
475                         *ax = 0x80000008;
476                 break;
477
478         /*
479          * PAE systems can mark pages as non-executable.  Linux calls this the
480          * NX bit.  Intel calls it XD (eXecute Disable), AMD EVP (Enhanced
481          * Virus Protection).  We just switch it off here, since we don't
482          * support it.
483          */
484         case 0x80000001:
485                 *dx &= ~(1 << 20);
486                 break;
487         }
488 }
489
490 /*
491  * Intel has four control registers, imaginatively named cr0, cr2, cr3 and cr4.
492  * I assume there's a cr1, but it hasn't bothered us yet, so we'll not bother
493  * it.  The Host needs to know when the Guest wants to change them, so we have
494  * a whole series of functions like read_cr0() and write_cr0().
495  *
496  * We start with cr0.  cr0 allows you to turn on and off all kinds of basic
497  * features, but Linux only really cares about one: the horrifically-named Task
498  * Switched (TS) bit at bit 3 (ie. 8)
499  *
500  * What does the TS bit do?  Well, it causes the CPU to trap (interrupt 7) if
501  * the floating point unit is used.  Which allows us to restore FPU state
502  * lazily after a task switch, and Linux uses that gratefully, but wouldn't a
503  * name like "FPUTRAP bit" be a little less cryptic?
504  *
505  * We store cr0 locally because the Host never changes it.  The Guest sometimes
506  * wants to read it and we'd prefer not to bother the Host unnecessarily.
507  */
508 static unsigned long current_cr0;
509 static void lguest_write_cr0(unsigned long val)
510 {
511         lazy_hcall1(LHCALL_TS, val & X86_CR0_TS);
512         current_cr0 = val;
513 }
514
515 static unsigned long lguest_read_cr0(void)
516 {
517         return current_cr0;
518 }
519
520 /*
521  * Intel provided a special instruction to clear the TS bit for people too cool
522  * to use write_cr0() to do it.  This "clts" instruction is faster, because all
523  * the vowels have been optimized out.
524  */
525 static void lguest_clts(void)
526 {
527         lazy_hcall1(LHCALL_TS, 0);
528         current_cr0 &= ~X86_CR0_TS;
529 }
530
531 /*
532  * cr2 is the virtual address of the last page fault, which the Guest only ever
533  * reads.  The Host kindly writes this into our "struct lguest_data", so we
534  * just read it out of there.
535  */
536 static unsigned long lguest_read_cr2(void)
537 {
538         return lguest_data.cr2;
539 }
540
541 /* See lguest_set_pte() below. */
542 static bool cr3_changed = false;
543 static unsigned long current_cr3;
544
545 /*
546  * cr3 is the current toplevel pagetable page: the principle is the same as
547  * cr0.  Keep a local copy, and tell the Host when it changes.
548  */
549 static void lguest_write_cr3(unsigned long cr3)
550 {
551         lazy_hcall1(LHCALL_NEW_PGTABLE, cr3);
552         current_cr3 = cr3;
553
554         /* These two page tables are simple, linear, and used during boot */
555         if (cr3 != __pa(swapper_pg_dir) && cr3 != __pa(initial_page_table))
556                 cr3_changed = true;
557 }
558
559 static unsigned long lguest_read_cr3(void)
560 {
561         return current_cr3;
562 }
563
564 /* cr4 is used to enable and disable PGE, but we don't care. */
565 static unsigned long lguest_read_cr4(void)
566 {
567         return 0;
568 }
569
570 static void lguest_write_cr4(unsigned long val)
571 {
572 }
573
574 /*
575  * Page Table Handling.
576  *
577  * Now would be a good time to take a rest and grab a coffee or similarly
578  * relaxing stimulant.  The easy parts are behind us, and the trek gradually
579  * winds uphill from here.
580  *
581  * Quick refresher: memory is divided into "pages" of 4096 bytes each.  The CPU
582  * maps virtual addresses to physical addresses using "page tables".  We could
583  * use one huge index of 1 million entries: each address is 4 bytes, so that's
584  * 1024 pages just to hold the page tables.   But since most virtual addresses
585  * are unused, we use a two level index which saves space.  The cr3 register
586  * contains the physical address of the top level "page directory" page, which
587  * contains physical addresses of up to 1024 second-level pages.  Each of these
588  * second level pages contains up to 1024 physical addresses of actual pages,
589  * or Page Table Entries (PTEs).
590  *
591  * Here's a diagram, where arrows indicate physical addresses:
592  *
593  * cr3 ---> +---------+
594  *          |      --------->+---------+
595  *          |         |      | PADDR1  |
596  *        Mid-level   |      | PADDR2  |
597  *        (PMD) page  |      |         |
598  *          |         |    Lower-level |
599  *          |         |    (PTE) page  |
600  *          |         |      |         |
601  *            ....               ....
602  *
603  * So to convert a virtual address to a physical address, we look up the top
604  * level, which points us to the second level, which gives us the physical
605  * address of that page.  If the top level entry was not present, or the second
606  * level entry was not present, then the virtual address is invalid (we
607  * say "the page was not mapped").
608  *
609  * Put another way, a 32-bit virtual address is divided up like so:
610  *
611  *  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
612  * |<---- 10 bits ---->|<---- 10 bits ---->|<------ 12 bits ------>|
613  *    Index into top     Index into second      Offset within page
614  *  page directory page    pagetable page
615  *
616  * Now, unfortunately, this isn't the whole story: Intel added Physical Address
617  * Extension (PAE) to allow 32 bit systems to use 64GB of memory (ie. 36 bits).
618  * These are held in 64-bit page table entries, so we can now only fit 512
619  * entries in a page, and the neat three-level tree breaks down.
620  *
621  * The result is a four level page table:
622  *
623  * cr3 --> [ 4 Upper  ]
624  *         [   Level  ]
625  *         [  Entries ]
626  *         [(PUD Page)]---> +---------+
627  *                          |      --------->+---------+
628  *                          |         |      | PADDR1  |
629  *                        Mid-level   |      | PADDR2  |
630  *                        (PMD) page  |      |         |
631  *                          |         |    Lower-level |
632  *                          |         |    (PTE) page  |
633  *                          |         |      |         |
634  *                            ....               ....
635  *
636  *
637  * And the virtual address is decoded as:
638  *
639  *         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
640  *      |<-2->|<--- 9 bits ---->|<---- 9 bits --->|<------ 12 bits ------>|
641  * Index into    Index into mid    Index into lower    Offset within page
642  * top entries   directory page     pagetable page
643  *
644  * It's too hard to switch between these two formats at runtime, so Linux only
645  * supports one or the other depending on whether CONFIG_X86_PAE is set.  Many
646  * distributions turn it on, and not just for people with silly amounts of
647  * memory: the larger PTE entries allow room for the NX bit, which lets the
648  * kernel disable execution of pages and increase security.
649  *
650  * This was a problem for lguest, which couldn't run on these distributions;
651  * then Matias Zabaljauregui figured it all out and implemented it, and only a
652  * handful of puppies were crushed in the process!
653  *
654  * Back to our point: the kernel spends a lot of time changing both the
655  * top-level page directory and lower-level pagetable pages.  The Guest doesn't
656  * know physical addresses, so while it maintains these page tables exactly
657  * like normal, it also needs to keep the Host informed whenever it makes a
658  * change: the Host will create the real page tables based on the Guests'.
659  */
660
661 /*
662  * The Guest calls this after it has set a second-level entry (pte), ie. to map
663  * a page into a process' address space.  We tell the Host the toplevel and
664  * address this corresponds to.  The Guest uses one pagetable per process, so
665  * we need to tell the Host which one we're changing (mm->pgd).
666  */
667 static void lguest_pte_update(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
668                                pte_t *ptep)
669 {
670 #ifdef CONFIG_X86_PAE
671         /* PAE needs to hand a 64 bit page table entry, so it uses two args. */
672         lazy_hcall4(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr,
673                     ptep->pte_low, ptep->pte_high);
674 #else
675         lazy_hcall3(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr, ptep->pte_low);
676 #endif
677 }
678
679 /* This is the "set and update" combo-meal-deal version. */
680 static void lguest_set_pte_at(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
681                               pte_t *ptep, pte_t pteval)
682 {
683         native_set_pte(ptep, pteval);
684         lguest_pte_update(mm, addr, ptep);
685 }
686
687 /*
688  * The Guest calls lguest_set_pud to set a top-level entry and lguest_set_pmd
689  * to set a middle-level entry when PAE is activated.
690  *
691  * Again, we set the entry then tell the Host which page we changed,
692  * and the index of the entry we changed.
693  */
694 #ifdef CONFIG_X86_PAE
695 static void lguest_set_pud(pud_t *pudp, pud_t pudval)
696 {
697         native_set_pud(pudp, pudval);
698
699         /* 32 bytes aligned pdpt address and the index. */
700         lazy_hcall2(LHCALL_SET_PGD, __pa(pudp) & 0xFFFFFFE0,
701                    (__pa(pudp) & 0x1F) / sizeof(pud_t));
702 }
703
704 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
705 {
706         native_set_pmd(pmdp, pmdval);
707         lazy_hcall2(LHCALL_SET_PMD, __pa(pmdp) & PAGE_MASK,
708                    (__pa(pmdp) & (PAGE_SIZE - 1)) / sizeof(pmd_t));
709 }
710 #else
711
712 /* The Guest calls lguest_set_pmd to set a top-level entry when !PAE. */
713 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
714 {
715         native_set_pmd(pmdp, pmdval);
716         lazy_hcall2(LHCALL_SET_PGD, __pa(pmdp) & PAGE_MASK,
717                    (__pa(pmdp) & (PAGE_SIZE - 1)) / sizeof(pmd_t));
718 }
719 #endif
720
721 /*
722  * There are a couple of legacy places where the kernel sets a PTE, but we
723  * don't know the top level any more.  This is useless for us, since we don't
724  * know which pagetable is changing or what address, so we just tell the Host
725  * to forget all of them.  Fortunately, this is very rare.
726  *
727  * ... except in early boot when the kernel sets up the initial pagetables,
728  * which makes booting astonishingly slow: 48 seconds!  So we don't even tell
729  * the Host anything changed until we've done the first real page table switch,
730  * which brings boot back to 4.3 seconds.
731  */
732 static void lguest_set_pte(pte_t *ptep, pte_t pteval)
733 {
734         native_set_pte(ptep, pteval);
735         if (cr3_changed)
736                 lazy_hcall1(LHCALL_FLUSH_TLB, 1);
737 }
738
739 #ifdef CONFIG_X86_PAE
740 /*
741  * With 64-bit PTE values, we need to be careful setting them: if we set 32
742  * bits at a time, the hardware could see a weird half-set entry.  These
743  * versions ensure we update all 64 bits at once.
744  */
745 static void lguest_set_pte_atomic(pte_t *ptep, pte_t pte)
746 {
747         native_set_pte_atomic(ptep, pte);
748         if (cr3_changed)
749                 lazy_hcall1(LHCALL_FLUSH_TLB, 1);
750 }
751
752 static void lguest_pte_clear(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
753                              pte_t *ptep)
754 {
755         native_pte_clear(mm, addr, ptep);
756         lguest_pte_update(mm, addr, ptep);
757 }
758
759 static void lguest_pmd_clear(pmd_t *pmdp)
760 {
761         lguest_set_pmd(pmdp, __pmd(0));
762 }
763 #endif
764
765 /*
766  * Unfortunately for Lguest, the pv_mmu_ops for page tables were based on
767  * native page table operations.  On native hardware you can set a new page
768  * table entry whenever you want, but if you want to remove one you have to do
769  * a TLB flush (a TLB is a little cache of page table entries kept by the CPU).
770  *
771  * So the lguest_set_pte_at() and lguest_set_pmd() functions above are only
772  * called when a valid entry is written, not when it's removed (ie. marked not
773  * present).  Instead, this is where we come when the Guest wants to remove a
774  * page table entry: we tell the Host to set that entry to 0 (ie. the present
775  * bit is zero).
776  */
777 static void lguest_flush_tlb_single(unsigned long addr)
778 {
779         /* Simply set it to zero: if it was not, it will fault back in. */
780         lazy_hcall3(LHCALL_SET_PTE, current_cr3, addr, 0);
781 }
782
783 /*
784  * This is what happens after the Guest has removed a large number of entries.
785  * This tells the Host that any of the page table entries for userspace might
786  * have changed, ie. virtual addresses below PAGE_OFFSET.
787  */
788 static void lguest_flush_tlb_user(void)
789 {
790         lazy_hcall1(LHCALL_FLUSH_TLB, 0);
791 }
792
793 /*
794  * This is called when the kernel page tables have changed.  That's not very
795  * common (unless the Guest is using highmem, which makes the Guest extremely
796  * slow), so it's worth separating this from the user flushing above.
797  */
798 static void lguest_flush_tlb_kernel(void)
799 {
800         lazy_hcall1(LHCALL_FLUSH_TLB, 1);
801 }
802
803 /*
804  * The Unadvanced Programmable Interrupt Controller.
805  *
806  * This is an attempt to implement the simplest possible interrupt controller.
807  * I spent some time looking though routines like set_irq_chip_and_handler,
808  * set_irq_chip_and_handler_name, set_irq_chip_data and set_phasers_to_stun and
809  * I *think* this is as simple as it gets.
810  *
811  * We can tell the Host what interrupts we want blocked ready for using the
812  * lguest_data.interrupts bitmap, so disabling (aka "masking") them is as
813  * simple as setting a bit.  We don't actually "ack" interrupts as such, we
814  * just mask and unmask them.  I wonder if we should be cleverer?
815  */
816 static void disable_lguest_irq(struct irq_data *data)
817 {
818         set_bit(data->irq, lguest_data.blocked_interrupts);
819 }
820
821 static void enable_lguest_irq(struct irq_data *data)
822 {
823         clear_bit(data->irq, lguest_data.blocked_interrupts);
824 }
825
826 /* This structure describes the lguest IRQ controller. */
827 static struct irq_chip lguest_irq_controller = {
828         .name           = "lguest",
829         .irq_mask       = disable_lguest_irq,
830         .irq_mask_ack   = disable_lguest_irq,
831         .irq_unmask     = enable_lguest_irq,
832 };
833
834 /*
835  * This sets up the Interrupt Descriptor Table (IDT) entry for each hardware
836  * interrupt (except 128, which is used for system calls), and then tells the
837  * Linux infrastructure that each interrupt is controlled by our level-based
838  * lguest interrupt controller.
839  */
840 static void __init lguest_init_IRQ(void)
841 {
842         unsigned int i;
843
844         for (i = FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i < NR_VECTORS; i++) {
845                 /* Some systems map "vectors" to interrupts weirdly.  Not us! */
846                 __this_cpu_write(vector_irq[i], i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR);
847                 if (i != SYSCALL_VECTOR)
848                         set_intr_gate(i, interrupt[i - FIRST_EXTERNAL_VECTOR]);
849         }
850
851         /*
852          * This call is required to set up for 4k stacks, where we have
853          * separate stacks for hard and soft interrupts.
854          */
855         irq_ctx_init(smp_processor_id());
856 }
857
858 /*
859  * With CONFIG_SPARSE_IRQ, interrupt descriptors are allocated as-needed, so
860  * rather than set them in lguest_init_IRQ we are called here every time an
861  * lguest device needs an interrupt.
862  *
863  * FIXME: irq_alloc_desc_at() can fail due to lack of memory, we should
864  * pass that up!
865  */
866 void lguest_setup_irq(unsigned int irq)
867 {
868         irq_alloc_desc_at(irq, 0);
869         irq_set_chip_and_handler_name(irq, &lguest_irq_controller,
870                                       handle_level_irq, "level");
871 }
872
873 /*
874  * Time.
875  *
876  * It would be far better for everyone if the Guest had its own clock, but
877  * until then the Host gives us the time on every interrupt.
878  */
879 static unsigned long lguest_get_wallclock(void)
880 {
881         return lguest_data.time.tv_sec;
882 }
883
884 /*
885  * The TSC is an Intel thing called the Time Stamp Counter.  The Host tells us
886  * what speed it runs at, or 0 if it's unusable as a reliable clock source.
887  * This matches what we want here: if we return 0 from this function, the x86
888  * TSC clock will give up and not register itself.
889  */
890 static unsigned long lguest_tsc_khz(void)
891 {
892         return lguest_data.tsc_khz;
893 }
894
895 /*
896  * If we can't use the TSC, the kernel falls back to our lower-priority
897  * "lguest_clock", where we read the time value given to us by the Host.
898  */
899 static cycle_t lguest_clock_read(struct clocksource *cs)
900 {
901         unsigned long sec, nsec;
902
903         /*
904          * Since the time is in two parts (seconds and nanoseconds), we risk
905          * reading it just as it's changing from 99 & 0.999999999 to 100 and 0,
906          * and getting 99 and 0.  As Linux tends to come apart under the stress
907          * of time travel, we must be careful:
908          */
909         do {
910                 /* First we read the seconds part. */
911                 sec = lguest_data.time.tv_sec;
912                 /*
913                  * This read memory barrier tells the compiler and the CPU that
914                  * this can't be reordered: we have to complete the above
915                  * before going on.
916                  */
917                 rmb();
918                 /* Now we read the nanoseconds part. */
919                 nsec = lguest_data.time.tv_nsec;
920                 /* Make sure we've done that. */
921                 rmb();
922                 /* Now if the seconds part has changed, try again. */
923         } while (unlikely(lguest_data.time.tv_sec != sec));
924
925         /* Our lguest clock is in real nanoseconds. */
926         return sec*1000000000ULL + nsec;
927 }
928
929 /* This is the fallback clocksource: lower priority than the TSC clocksource. */
930 static struct clocksource lguest_clock = {
931         .name           = "lguest",
932         .rating         = 200,
933         .read           = lguest_clock_read,
934         .mask           = CLOCKSOURCE_MASK(64),
935         .flags          = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
936 };
937
938 /*
939  * We also need a "struct clock_event_device": Linux asks us to set it to go
940  * off some time in the future.  Actually, James Morris figured all this out, I
941  * just applied the patch.
942  */
943 static int lguest_clockevent_set_next_event(unsigned long delta,
944                                            struct clock_event_device *evt)
945 {
946         /* FIXME: I don't think this can ever happen, but James tells me he had
947          * to put this code in.  Maybe we should remove it now.  Anyone? */
948         if (delta < LG_CLOCK_MIN_DELTA) {
949                 if (printk_ratelimit())
950                         printk(KERN_DEBUG "%s: small delta %lu ns\n",
951                                __func__, delta);
952                 return -ETIME;
953         }
954
955         /* Please wake us this far in the future. */
956         hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, delta, 0, 0, 0);
957         return 0;
958 }
959
960 static void lguest_clockevent_set_mode(enum clock_event_mode mode,
961                                       struct clock_event_device *evt)
962 {
963         switch (mode) {
964         case CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
965         case CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
966                 /* A 0 argument shuts the clock down. */
967                 hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, 0, 0, 0, 0);
968                 break;
969         case CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
970                 /* This is what we expect. */
971                 break;
972         case CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
973                 BUG();
974         case CLOCK_EVT_MODE_RESUME:
975                 break;
976         }
977 }
978
979 /* This describes our primitive timer chip. */
980 static struct clock_event_device lguest_clockevent = {
981         .name                   = "lguest",
982         .features               = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
983         .set_next_event         = lguest_clockevent_set_next_event,
984         .set_mode               = lguest_clockevent_set_mode,
985         .rating                 = INT_MAX,
986         .mult                   = 1,
987         .shift                  = 0,
988         .min_delta_ns           = LG_CLOCK_MIN_DELTA,
989         .max_delta_ns           = LG_CLOCK_MAX_DELTA,
990 };
991
992 /*
993  * This is the Guest timer interrupt handler (hardware interrupt 0).  We just
994  * call the clockevent infrastructure and it does whatever needs doing.
995  */
996 static void lguest_time_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
997 {
998         unsigned long flags;
999
1000         /* Don't interrupt us while this is running. */
1001         local_irq_save(flags);
1002         lguest_clockevent.event_handler(&lguest_clockevent);
1003         local_irq_restore(flags);
1004 }
1005
1006 /*
1007  * At some point in the boot process, we get asked to set up our timing
1008  * infrastructure.  The kernel doesn't expect timer interrupts before this, but
1009  * we cleverly initialized the "blocked_interrupts" field of "struct
1010  * lguest_data" so that timer interrupts were blocked until now.
1011  */
1012 static void lguest_time_init(void)
1013 {
1014         /* Set up the timer interrupt (0) to go to our simple timer routine */
1015         lguest_setup_irq(0);
1016         irq_set_handler(0, lguest_time_irq);
1017
1018         clocksource_register_hz(&lguest_clock, NSEC_PER_SEC);
1019
1020         /* We can't set cpumask in the initializer: damn C limitations!  Set it
1021          * here and register our timer device. */
1022         lguest_clockevent.cpumask = cpumask_of(0);
1023         clockevents_register_device(&lguest_clockevent);
1024
1025         /* Finally, we unblock the timer interrupt. */
1026         clear_bit(0, lguest_data.blocked_interrupts);
1027 }
1028
1029 /*
1030  * Miscellaneous bits and pieces.
1031  *
1032  * Here is an oddball collection of functions which the Guest needs for things
1033  * to work.  They're pretty simple.
1034  */
1035
1036 /*
1037  * The Guest needs to tell the Host what stack it expects traps to use.  For
1038  * native hardware, this is part of the Task State Segment mentioned above in
1039  * lguest_load_tr_desc(), but to help hypervisors there's this special call.
1040  *
1041  * We tell the Host the segment we want to use (__KERNEL_DS is the kernel data
1042  * segment), the privilege level (we're privilege level 1, the Host is 0 and
1043  * will not tolerate us trying to use that), the stack pointer, and the number
1044  * of pages in the stack.
1045  */
1046 static void lguest_load_sp0(struct tss_struct *tss,
1047                             struct thread_struct *thread)
1048 {
1049         lazy_hcall3(LHCALL_SET_STACK, __KERNEL_DS | 0x1, thread->sp0,
1050                    THREAD_SIZE / PAGE_SIZE);
1051 }
1052
1053 /* Let's just say, I wouldn't do debugging under a Guest. */
1054 static void lguest_set_debugreg(int regno, unsigned long value)
1055 {
1056         /* FIXME: Implement */
1057 }
1058
1059 /*
1060  * There are times when the kernel wants to make sure that no memory writes are
1061  * caught in the cache (that they've all reached real hardware devices).  This
1062  * doesn't matter for the Guest which has virtual hardware.
1063  *
1064  * On the Pentium 4 and above, cpuid() indicates that the Cache Line Flush
1065  * (clflush) instruction is available and the kernel uses that.  Otherwise, it
1066  * uses the older "Write Back and Invalidate Cache" (wbinvd) instruction.
1067  * Unlike clflush, wbinvd can only be run at privilege level 0.  So we can
1068  * ignore clflush, but replace wbinvd.
1069  */
1070 static void lguest_wbinvd(void)
1071 {
1072 }
1073
1074 /*
1075  * If the Guest expects to have an Advanced Programmable Interrupt Controller,
1076  * we play dumb by ignoring writes and returning 0 for reads.  So it's no
1077  * longer Programmable nor Controlling anything, and I don't think 8 lines of
1078  * code qualifies for Advanced.  It will also never interrupt anything.  It
1079  * does, however, allow us to get through the Linux boot code.
1080  */
1081 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
1082 static void lguest_apic_write(u32 reg, u32 v)
1083 {
1084 }
1085
1086 static u32 lguest_apic_read(u32 reg)
1087 {
1088         return 0;
1089 }
1090
1091 static u64 lguest_apic_icr_read(void)
1092 {
1093         return 0;
1094 }
1095
1096 static void lguest_apic_icr_write(u32 low, u32 id)
1097 {
1098         /* Warn to see if there's any stray references */
1099         WARN_ON(1);
1100 }
1101
1102 static void lguest_apic_wait_icr_idle(void)
1103 {
1104         return;
1105 }
1106
1107 static u32 lguest_apic_safe_wait_icr_idle(void)
1108 {
1109         return 0;
1110 }
1111
1112 static void set_lguest_basic_apic_ops(void)
1113 {
1114         apic->read = lguest_apic_read;
1115         apic->write = lguest_apic_write;
1116         apic->icr_read = lguest_apic_icr_read;
1117         apic->icr_write = lguest_apic_icr_write;
1118         apic->wait_icr_idle = lguest_apic_wait_icr_idle;
1119         apic->safe_wait_icr_idle = lguest_apic_safe_wait_icr_idle;
1120 };
1121 #endif
1122
1123 /* STOP!  Until an interrupt comes in. */
1124 static void lguest_safe_halt(void)
1125 {
1126         hcall(LHCALL_HALT, 0, 0, 0, 0);
1127 }
1128
1129 /*
1130  * The SHUTDOWN hypercall takes a string to describe what's happening, and
1131  * an argument which says whether this to restart (reboot) the Guest or not.
1132  *
1133  * Note that the Host always prefers that the Guest speak in physical addresses
1134  * rather than virtual addresses, so we use __pa() here.
1135  */
1136 static void lguest_power_off(void)
1137 {
1138         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa("Power down"),
1139               LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0, 0);
1140 }
1141
1142 /*
1143  * Panicing.
1144  *
1145  * Don't.  But if you did, this is what happens.
1146  */
1147 static int lguest_panic(struct notifier_block *nb, unsigned long l, void *p)
1148 {
1149         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(p), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0, 0);
1150         /* The hcall won't return, but to keep gcc happy, we're "done". */
1151         return NOTIFY_DONE;
1152 }
1153
1154 static struct notifier_block paniced = {
1155         .notifier_call = lguest_panic
1156 };
1157
1158 /* Setting up memory is fairly easy. */
1159 static __init char *lguest_memory_setup(void)
1160 {
1161         /*
1162          * The Linux bootloader header contains an "e820" memory map: the
1163          * Launcher populated the first entry with our memory limit.
1164          */
1165         e820_add_region(boot_params.e820_map[0].addr,
1166                           boot_params.e820_map[0].size,
1167                           boot_params.e820_map[0].type);
1168
1169         /* This string is for the boot messages. */
1170         return "LGUEST";
1171 }
1172
1173 /*
1174  * We will eventually use the virtio console device to produce console output,
1175  * but before that is set up we use LHCALL_NOTIFY on normal memory to produce
1176  * console output.
1177  */
1178 static __init int early_put_chars(u32 vtermno, const char *buf, int count)
1179 {
1180         char scratch[17];
1181         unsigned int len = count;
1182
1183         /* We use a nul-terminated string, so we make a copy.  Icky, huh? */
1184         if (len > sizeof(scratch) - 1)
1185                 len = sizeof(scratch) - 1;
1186         scratch[len] = '\0';
1187         memcpy(scratch, buf, len);
1188         hcall(LHCALL_NOTIFY, __pa(scratch), 0, 0, 0);
1189
1190         /* This routine returns the number of bytes actually written. */
1191         return len;
1192 }
1193
1194 /*
1195  * Rebooting also tells the Host we're finished, but the RESTART flag tells the
1196  * Launcher to reboot us.
1197  */
1198 static void lguest_restart(char *reason)
1199 {
1200         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(reason), LGUEST_SHUTDOWN_RESTART, 0, 0);
1201 }
1202
1203 /*G:050
1204  * Patching (Powerfully Placating Performance Pedants)
1205  *
1206  * We have already seen that pv_ops structures let us replace simple native
1207  * instructions with calls to the appropriate back end all throughout the
1208  * kernel.  This allows the same kernel to run as a Guest and as a native
1209  * kernel, but it's slow because of all the indirect branches.
1210  *
1211  * Remember that David Wheeler quote about "Any problem in computer science can
1212  * be solved with another layer of indirection"?  The rest of that quote is
1213  * "... But that usually will create another problem."  This is the first of
1214  * those problems.
1215  *
1216  * Our current solution is to allow the paravirt back end to optionally patch
1217  * over the indirect calls to replace them with something more efficient.  We
1218  * patch two of the simplest of the most commonly called functions: disable
1219  * interrupts and save interrupts.  We usually have 6 or 10 bytes to patch
1220  * into: the Guest versions of these operations are small enough that we can
1221  * fit comfortably.
1222  *
1223  * First we need assembly templates of each of the patchable Guest operations,
1224  * and these are in i386_head.S.
1225  */
1226
1227 /*G:060 We construct a table from the assembler templates: */
1228 static const struct lguest_insns
1229 {
1230         const char *start, *end;
1231 } lguest_insns[] = {
1232         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_disable)] = { lgstart_cli, lgend_cli },
1233         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.save_fl)] = { lgstart_pushf, lgend_pushf },
1234 };
1235
1236 /*
1237  * Now our patch routine is fairly simple (based on the native one in
1238  * paravirt.c).  If we have a replacement, we copy it in and return how much of
1239  * the available space we used.
1240  */
1241 static unsigned lguest_patch(u8 type, u16 clobber, void *ibuf,
1242                              unsigned long addr, unsigned len)
1243 {
1244         unsigned int insn_len;
1245
1246         /* Don't do anything special if we don't have a replacement */
1247         if (type >= ARRAY_SIZE(lguest_insns) || !lguest_insns[type].start)
1248                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
1249
1250         insn_len = lguest_insns[type].end - lguest_insns[type].start;
1251
1252         /* Similarly if it can't fit (doesn't happen, but let's be thorough). */
1253         if (len < insn_len)
1254                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
1255
1256         /* Copy in our instructions. */
1257         memcpy(ibuf, lguest_insns[type].start, insn_len);
1258         return insn_len;
1259 }
1260
1261 /*G:029
1262  * Once we get to lguest_init(), we know we're a Guest.  The various
1263  * pv_ops structures in the kernel provide points for (almost) every routine we
1264  * have to override to avoid privileged instructions.
1265  */
1266 __init void lguest_init(void)
1267 {
1268         /* We're under lguest. */
1269         pv_info.name = "lguest";
1270         /* Paravirt is enabled. */
1271         pv_info.paravirt_enabled = 1;
1272         /* We're running at privilege level 1, not 0 as normal. */
1273         pv_info.kernel_rpl = 1;
1274         /* Everyone except Xen runs with this set. */
1275         pv_info.shared_kernel_pmd = 1;
1276
1277         /*
1278          * We set up all the lguest overrides for sensitive operations.  These
1279          * are detailed with the operations themselves.
1280          */
1281
1282         /* Interrupt-related operations */
1283         pv_irq_ops.save_fl = PV_CALLEE_SAVE(save_fl);
1284         pv_irq_ops.restore_fl = __PV_IS_CALLEE_SAVE(lg_restore_fl);
1285         pv_irq_ops.irq_disable = PV_CALLEE_SAVE(irq_disable);
1286         pv_irq_ops.irq_enable = __PV_IS_CALLEE_SAVE(lg_irq_enable);
1287         pv_irq_ops.safe_halt = lguest_safe_halt;
1288
1289         /* Setup operations */
1290         pv_init_ops.patch = lguest_patch;
1291
1292         /* Intercepts of various CPU instructions */
1293         pv_cpu_ops.load_gdt = lguest_load_gdt;
1294         pv_cpu_ops.cpuid = lguest_cpuid;
1295         pv_cpu_ops.load_idt = lguest_load_idt;
1296         pv_cpu_ops.iret = lguest_iret;
1297         pv_cpu_ops.load_sp0 = lguest_load_sp0;
1298         pv_cpu_ops.load_tr_desc = lguest_load_tr_desc;
1299         pv_cpu_ops.set_ldt = lguest_set_ldt;
1300         pv_cpu_ops.load_tls = lguest_load_tls;
1301         pv_cpu_ops.set_debugreg = lguest_set_debugreg;
1302         pv_cpu_ops.clts = lguest_clts;
1303         pv_cpu_ops.read_cr0 = lguest_read_cr0;
1304         pv_cpu_ops.write_cr0 = lguest_write_cr0;
1305         pv_cpu_ops.read_cr4 = lguest_read_cr4;
1306         pv_cpu_ops.write_cr4 = lguest_write_cr4;
1307         pv_cpu_ops.write_gdt_entry = lguest_write_gdt_entry;
1308         pv_cpu_ops.write_idt_entry = lguest_write_idt_entry;
1309         pv_cpu_ops.wbinvd = lguest_wbinvd;
1310         pv_cpu_ops.start_context_switch = paravirt_start_context_switch;
1311         pv_cpu_ops.end_context_switch = lguest_end_context_switch;
1312
1313         /* Pagetable management */
1314         pv_mmu_ops.write_cr3 = lguest_write_cr3;
1315         pv_mmu_ops.flush_tlb_user = lguest_flush_tlb_user;
1316         pv_mmu_ops.flush_tlb_single = lguest_flush_tlb_single;
1317         pv_mmu_ops.flush_tlb_kernel = lguest_flush_tlb_kernel;
1318         pv_mmu_ops.set_pte = lguest_set_pte;
1319         pv_mmu_ops.set_pte_at = lguest_set_pte_at;
1320         pv_mmu_ops.set_pmd = lguest_set_pmd;
1321 #ifdef CONFIG_X86_PAE
1322         pv_mmu_ops.set_pte_atomic = lguest_set_pte_atomic;
1323         pv_mmu_ops.pte_clear = lguest_pte_clear;
1324         pv_mmu_ops.pmd_clear = lguest_pmd_clear;
1325         pv_mmu_ops.set_pud = lguest_set_pud;
1326 #endif
1327         pv_mmu_ops.read_cr2 = lguest_read_cr2;
1328         pv_mmu_ops.read_cr3 = lguest_read_cr3;
1329         pv_mmu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_mmu;
1330         pv_mmu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mmu_mode;
1331         pv_mmu_ops.pte_update = lguest_pte_update;
1332         pv_mmu_ops.pte_update_defer = lguest_pte_update;
1333
1334 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
1335         /* APIC read/write intercepts */
1336         set_lguest_basic_apic_ops();
1337 #endif
1338
1339         x86_init.resources.memory_setup = lguest_memory_setup;
1340         x86_init.irqs.intr_init = lguest_init_IRQ;
1341         x86_init.timers.timer_init = lguest_time_init;
1342         x86_platform.calibrate_tsc = lguest_tsc_khz;
1343         x86_platform.get_wallclock =  lguest_get_wallclock;
1344
1345         /*
1346          * Now is a good time to look at the implementations of these functions
1347          * before returning to the rest of lguest_init().
1348          */
1349
1350         /*G:070
1351          * Now we've seen all the paravirt_ops, we return to
1352          * lguest_init() where the rest of the fairly chaotic boot setup
1353          * occurs.
1354          */
1355
1356         /*
1357          * The stack protector is a weird thing where gcc places a canary
1358          * value on the stack and then checks it on return.  This file is
1359          * compiled with -fno-stack-protector it, so we got this far without
1360          * problems.  The value of the canary is kept at offset 20 from the
1361          * %gs register, so we need to set that up before calling C functions
1362          * in other files.
1363          */
1364         setup_stack_canary_segment(0);
1365
1366         /*
1367          * We could just call load_stack_canary_segment(), but we might as well
1368          * call switch_to_new_gdt() which loads the whole table and sets up the
1369          * per-cpu segment descriptor register %fs as well.
1370          */
1371         switch_to_new_gdt(0);
1372
1373         /*
1374          * The Host<->Guest Switcher lives at the top of our address space, and
1375          * the Host told us how big it is when we made LGUEST_INIT hypercall:
1376          * it put the answer in lguest_data.reserve_mem
1377          */
1378         reserve_top_address(lguest_data.reserve_mem);
1379
1380         /*
1381          * If we don't initialize the lock dependency checker now, it crashes
1382          * atomic_notifier_chain_register, then paravirt_disable_iospace.
1383          */
1384         lockdep_init();
1385
1386         /* Hook in our special panic hypercall code. */
1387         atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &paniced);
1388
1389         /*
1390          * The IDE code spends about 3 seconds probing for disks: if we reserve
1391          * all the I/O ports up front it can't get them and so doesn't probe.
1392          * Other device drivers are similar (but less severe).  This cuts the
1393          * kernel boot time on my machine from 4.1 seconds to 0.45 seconds.
1394          */
1395         paravirt_disable_iospace();
1396
1397         /*
1398          * This is messy CPU setup stuff which the native boot code does before
1399          * start_kernel, so we have to do, too:
1400          */
1401         cpu_detect(&new_cpu_data);
1402         /* head.S usually sets up the first capability word, so do it here. */
1403         new_cpu_data.x86_capability[0] = cpuid_edx(1);
1404
1405         /* Math is always hard! */
1406         new_cpu_data.hard_math = 1;
1407
1408         /* We don't have features.  We have puppies!  Puppies! */
1409 #ifdef CONFIG_X86_MCE
1410         mce_disabled = 1;
1411 #endif
1412 #ifdef CONFIG_ACPI
1413         acpi_disabled = 1;
1414 #endif
1415
1416         /*
1417          * We set the preferred console to "hvc".  This is the "hypervisor
1418          * virtual console" driver written by the PowerPC people, which we also
1419          * adapted for lguest's use.
1420          */
1421         add_preferred_console("hvc", 0, NULL);
1422
1423         /* Register our very early console. */
1424         virtio_cons_early_init(early_put_chars);
1425
1426         /*
1427          * Last of all, we set the power management poweroff hook to point to
1428          * the Guest routine to power off, and the reboot hook to our restart
1429          * routine.
1430          */
1431         pm_power_off = lguest_power_off;
1432         machine_ops.restart = lguest_restart;
1433
1434         /*
1435          * Now we're set up, call i386_start_kernel() in head32.c and we proceed
1436          * to boot as normal.  It never returns.
1437          */
1438         i386_start_kernel();
1439 }
1440 /*
1441  * This marks the end of stage II of our journey, The Guest.
1442  *
1443  * It is now time for us to explore the layer of virtual drivers and complete
1444  * our understanding of the Guest in "make Drivers".
1445  */