drivers/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 SHADOW_PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
  33         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT64_LEVEL_MASK(level)
  34         #define PT_PTE_COPY_MASK PT64_PTE_COPY_MASK
  35         #ifdef CONFIG_X86_64
  36         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 4
  37         #else
  38         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
  39         #endif
  40 #elif PTTYPE == 32
  41         #define pt_element_t u32
  42         #define guest_walker guest_walker32
  43         #define FNAME(name) paging##32_##name
  44         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT32_BASE_ADDR_MASK
  45         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT32_DIR_BASE_ADDR_MASK
  46         #define PT_INDEX(addr, level) PT32_INDEX(addr, level)
  47         #define SHADOW_PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
  48         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT32_LEVEL_MASK(level)
  49         #define PT_PTE_COPY_MASK PT32_PTE_COPY_MASK
  50         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
  51 #else
  52         #error Invalid PTTYPE value
  53 #endif
  54
  55 /*
  56  * The guest_walker structure emulates the behavior of the hardware page
  57  * table walker.
  58  */
  59 struct guest_walker {
  60         int level;
  61         gfn_t table_gfn[PT_MAX_FULL_LEVELS];
  62         pt_element_t *table;
  63         pt_element_t *ptep;
  64         pt_element_t inherited_ar;
  65         gfn_t gfn;
  66 };
  67
  68 /*
  69  * Fetch a guest pte for a guest virtual address
  70  */
  71 static void FNAME(walk_addr)(struct guest_walker *walker,
  72                              struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr)
  73 {
  74         hpa_t hpa;
  75         struct kvm_memory_slot *slot;
  76         pt_element_t *ptep;
  77         pt_element_t root;
  78         gfn_t table_gfn;
  79
  80         pgprintk("%s: addr %lx\n", __FUNCTION__, addr);
  81         walker->level = vcpu->mmu.root_level;
  82         walker->table = NULL;
  83         root = vcpu->cr3;
  84 #if PTTYPE == 64
  85         if (!is_long_mode(vcpu)) {
  86                 walker->ptep = &vcpu->pdptrs[(addr >> 30) & 3];
  87                 root = *walker->ptep;
  88                 if (!(root & PT_PRESENT_MASK))
  89                         return;
  90                 --walker->level;
  91         }
  92 #endif
  93         table_gfn = (root & PT64_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
  94         walker->table_gfn[walker->level - 1] = table_gfn;
  95         pgprintk("%s: table_gfn[%d] %lx\n", __FUNCTION__,
  96                  walker->level - 1, table_gfn);
  97         slot = gfn_to_memslot(vcpu->kvm, table_gfn);
  98         hpa = safe_gpa_to_hpa(vcpu, root & PT64_BASE_ADDR_MASK);
  99         walker->table = kmap_atomic(pfn_to_page(hpa >> PAGE_SHIFT), KM_USER0);
 100
 101         ASSERT((!is_long_mode(vcpu) && is_pae(vcpu)) ||
 102                (vcpu->cr3 & ~(PAGE_MASK | CR3_FLAGS_MASK)) == 0);
 103
 104         walker->inherited_ar = PT_USER_MASK | PT_WRITABLE_MASK;
 105
 106         for (;;) {
 107                 int index = PT_INDEX(addr, walker->level);
 108                 hpa_t paddr;
 109
 110                 ptep = &walker->table[index];
 111                 ASSERT(((unsigned long)walker->table & PAGE_MASK) ==
 112                        ((unsigned long)ptep & PAGE_MASK));
 113
 114                 if (is_present_pte(*ptep) && !(*ptep &  PT_ACCESSED_MASK))
 115                         *ptep |= PT_ACCESSED_MASK;
 116
 117                 if (!is_present_pte(*ptep))
 118                         break;
 119
 120                 if (walker->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL) {
 121                         walker->gfn = (*ptep & PT_BASE_ADDR_MASK)
 122                                 >> PAGE_SHIFT;
 123                         break;
 124                 }
 125
 126                 if (walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL
 127                     && (*ptep & PT_PAGE_SIZE_MASK)
 128                     && (PTTYPE == 64 || is_pse(vcpu))) {
 129                         walker->gfn = (*ptep & PT_DIR_BASE_ADDR_MASK)
 130                                 >> PAGE_SHIFT;
 131                         walker->gfn += PT_INDEX(addr, PT_PAGE_TABLE_LEVEL);
 132                         break;
 133                 }
 134
 135                 if (walker->level != 3 || is_long_mode(vcpu))
 136                         walker->inherited_ar &= walker->table[index];
 137                 table_gfn = (*ptep & PT_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
 138                 paddr = safe_gpa_to_hpa(vcpu, *ptep & PT_BASE_ADDR_MASK);
 139                 kunmap_atomic(walker->table, KM_USER0);
 140                 walker->table = kmap_atomic(pfn_to_page(paddr >> PAGE_SHIFT),
 141                                             KM_USER0);
 142                 --walker->level;
 143                 walker->table_gfn[walker->level - 1 ] = table_gfn;
 144                 pgprintk("%s: table_gfn[%d] %lx\n", __FUNCTION__,
 145                          walker->level - 1, table_gfn);
 146         }
 147         walker->ptep = ptep;
 148         pgprintk("%s: pte %llx\n", __FUNCTION__, (u64)*ptep);
 149 }
 150
 151 static void FNAME(release_walker)(struct guest_walker *walker)
 152 {
 153         if (walker->table)
 154                 kunmap_atomic(walker->table, KM_USER0);
 155 }
 156
 157 static void FNAME(set_pte)(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 guest_pte,
 158                            u64 *shadow_pte, u64 access_bits, gfn_t gfn)
 159 {
 160         ASSERT(*shadow_pte == 0);
 161         access_bits &= guest_pte;
 162         *shadow_pte = (guest_pte & PT_PTE_COPY_MASK);
 163         set_pte_common(vcpu, shadow_pte, guest_pte & PT_BASE_ADDR_MASK,
 164                        guest_pte & PT_DIRTY_MASK, access_bits, gfn);
 165 }
 166
 167 static void FNAME(set_pde)(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 guest_pde,
 168                            u64 *shadow_pte, u64 access_bits, gfn_t gfn)
 169 {
 170         gpa_t gaddr;
 171
 172         ASSERT(*shadow_pte == 0);
 173         access_bits &= guest_pde;
 174         gaddr = (gpa_t)gfn << PAGE_SHIFT;
 175         if (PTTYPE == 32 && is_cpuid_PSE36())
 176                 gaddr |= (guest_pde & PT32_DIR_PSE36_MASK) <<
 177                         (32 - PT32_DIR_PSE36_SHIFT);
 178         *shadow_pte = guest_pde & PT_PTE_COPY_MASK;
 179         set_pte_common(vcpu, shadow_pte, gaddr,
 180                        guest_pde & PT_DIRTY_MASK, access_bits, gfn);
 181 }
 182
 183 /*
 184  * Fetch a shadow pte for a specific level in the paging hierarchy.
 185  */
 186 static u64 *FNAME(fetch)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
 187                               struct guest_walker *walker)
 188 {
 189         hpa_t shadow_addr;
 190         int level;
 191         u64 *prev_shadow_ent = NULL;
 192         pt_element_t *guest_ent = walker->ptep;
 193
 194         if (!is_present_pte(*guest_ent))
 195                 return NULL;
 196
 197         shadow_addr = vcpu->mmu.root_hpa;
 198         level = vcpu->mmu.shadow_root_level;
 199         if (level == PT32E_ROOT_LEVEL) {
 200                 shadow_addr = vcpu->mmu.pae_root[(addr >> 30) & 3];
 201                 shadow_addr &= PT64_BASE_ADDR_MASK;
 202                 --level;
 203         }
 204
 205         for (; ; level--) {
 206                 u32 index = SHADOW_PT_INDEX(addr, level);
 207                 u64 *shadow_ent = ((u64 *)__va(shadow_addr)) + index;
 208                 struct kvm_mmu_page *shadow_page;
 209                 u64 shadow_pte;
 210                 int metaphysical;
 211                 gfn_t table_gfn;
 212
 213                 if (is_present_pte(*shadow_ent) || is_io_pte(*shadow_ent)) {
 214                         if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL)
 215                                 return shadow_ent;
 216                         shadow_addr = *shadow_ent & PT64_BASE_ADDR_MASK;
 217                         prev_shadow_ent = shadow_ent;
 218                         continue;
 219                 }
 220
 221                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL) {
 222
 223                         if (walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
 224                                 if (prev_shadow_ent)
 225                                         *prev_shadow_ent |= PT_SHADOW_PS_MARK;
 226                                 FNAME(set_pde)(vcpu, *guest_ent, shadow_ent,
 227                                                walker->inherited_ar,
 228                                                walker->gfn);
 229                         } else {
 230                                 ASSERT(walker->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL);
 231                                 FNAME(set_pte)(vcpu, *guest_ent, shadow_ent,
 232                                                walker->inherited_ar,
 233                                                walker->gfn);
 234                         }
 235                         return shadow_ent;
 236                 }
 237
 238                 if (level - 1 == PT_PAGE_TABLE_LEVEL
 239                     && walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
 240                         metaphysical = 1;
 241                         table_gfn = (*guest_ent & PT_BASE_ADDR_MASK)
 242                                 >> PAGE_SHIFT;
 243                 } else {
 244                         metaphysical = 0;
 245                         table_gfn = walker->table_gfn[level - 2];
 246                 }
 247                 shadow_page = kvm_mmu_get_page(vcpu, table_gfn, addr, level-1,
 248                                                metaphysical, shadow_ent);
 249                 if (!shadow_page)
 250                         return ERR_PTR(-ENOMEM);
 251                 shadow_addr = shadow_page->page_hpa;
 252                 shadow_pte = shadow_addr | PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK
 253                         | PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK;
 254                 *shadow_ent = shadow_pte;
 255                 prev_shadow_ent = shadow_ent;
 256         }
 257 }
 258
 259 /*
 260  * The guest faulted for write.  We need to
 261  *
 262  * - check write permissions
 263  * - update the guest pte dirty bit
 264  * - update our own dirty page tracking structures
 265  */
 266 static int FNAME(fix_write_pf)(struct kvm_vcpu *vcpu,
 267                                u64 *shadow_ent,
 268                                struct guest_walker *walker,
 269                                gva_t addr,
 270                                int user,
 271                                int *write_pt)
 272 {
 273         pt_element_t *guest_ent;
 274         int writable_shadow;
 275         gfn_t gfn;
 276
 277         if (is_writeble_pte(*shadow_ent))
 278                 return 0;
 279
 280         writable_shadow = *shadow_ent & PT_SHADOW_WRITABLE_MASK;
 281         if (user) {
 282                 /*
 283                  * User mode access.  Fail if it's a kernel page or a read-only
 284                  * page.
 285                  */
 286                 if (!(*shadow_ent & PT_SHADOW_USER_MASK) || !writable_shadow)
 287                         return 0;
 288                 ASSERT(*shadow_ent & PT_USER_MASK);
 289         } else
 290                 /*
 291                  * Kernel mode access.  Fail if it's a read-only page and
 292                  * supervisor write protection is enabled.
 293                  */
 294                 if (!writable_shadow) {
 295                         if (is_write_protection(vcpu))
 296                                 return 0;
 297                         *shadow_ent &= ~PT_USER_MASK;
 298                 }
 299
 300         guest_ent = walker->ptep;
 301
 302         if (!is_present_pte(*guest_ent)) {
 303                 *shadow_ent = 0;
 304                 return 0;
 305         }
 306
 307         gfn = walker->gfn;
 308         if (kvm_mmu_lookup_page(vcpu, gfn)) {
 309                 pgprintk("%s: found shadow page for %lx, marking ro\n",
 310                          __FUNCTION__, gfn);
 311                 *write_pt = 1;
 312                 return 0;
 313         }
 314         mark_page_dirty(vcpu->kvm, gfn);
 315         *shadow_ent |= PT_WRITABLE_MASK;
 316         *guest_ent |= PT_DIRTY_MASK;
 317         rmap_add(vcpu->kvm, shadow_ent);
 318
 319         return 1;
 320 }
 321
 322 /*
 323  * Page fault handler.  There are several causes for a page fault:
 324  *   - there is no shadow pte for the guest pte
 325  *   - write access through a shadow pte marked read only so that we can set
 326  *     the dirty bit
 327  *   - write access to a shadow pte marked read only so we can update the page
 328  *     dirty bitmap, when userspace requests it
 329  *   - mmio access; in this case we will never install a present shadow pte
 330  *   - normal guest page fault due to the guest pte marked not present, not
 331  *     writable, or not executable
 332  *
 333  *  Returns: 1 if we need to emulate the instruction, 0 otherwise
 334  */
 335 static int FNAME(page_fault)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
 336                                u32 error_code)
 337 {
 338         int write_fault = error_code & PFERR_WRITE_MASK;
 339         int pte_present = error_code & PFERR_PRESENT_MASK;
 340         int user_fault = error_code & PFERR_USER_MASK;
 341         struct guest_walker walker;
 342         u64 *shadow_pte;
 343         int fixed;
 344         int write_pt = 0;
 345
 346         pgprintk("%s: addr %lx err %x\n", __FUNCTION__, addr, error_code);
 347         /*
 348          * Look up the shadow pte for the faulting address.
 349          */
 350         for (;;) {
 351                 FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, addr);
 352                 shadow_pte = FNAME(fetch)(vcpu, addr, &walker);
 353                 if (IS_ERR(shadow_pte)) {  /* must be -ENOMEM */
 354                         printk("%s: oom\n", __FUNCTION__);
 355                         nonpaging_flush(vcpu);
 356                         FNAME(release_walker)(&walker);
 357                         continue;
 358                 }
 359                 break;
 360         }
 361
 362         /*
 363          * The page is not mapped by the guest.  Let the guest handle it.
 364          */
 365         if (!shadow_pte) {
 366                 pgprintk("%s: not mapped\n", __FUNCTION__);
 367                 inject_page_fault(vcpu, addr, error_code);
 368                 FNAME(release_walker)(&walker);
 369                 return 0;
 370         }
 371
 372         pgprintk("%s: shadow pte %p %llx\n", __FUNCTION__,
 373                  shadow_pte, *shadow_pte);
 374
 375         /*
 376          * Update the shadow pte.
 377          */
 378         if (write_fault)
 379                 fixed = FNAME(fix_write_pf)(vcpu, shadow_pte, &walker, addr,
 380                                             user_fault, &write_pt);
 381         else
 382                 fixed = fix_read_pf(shadow_pte);
 383
 384         pgprintk("%s: updated shadow pte %p %llx\n", __FUNCTION__,
 385                  shadow_pte, *shadow_pte);
 386
 387         FNAME(release_walker)(&walker);
 388
 389         /*
 390          * mmio: emulate if accessible, otherwise its a guest fault.
 391          */
 392         if (is_io_pte(*shadow_pte)) {
 393                 if (may_access(*shadow_pte, write_fault, user_fault))
 394                         return 1;
 395                 pgprintk("%s: io work, no access\n", __FUNCTION__);
 396                 inject_page_fault(vcpu, addr,
 397                                   error_code | PFERR_PRESENT_MASK);
 398                 return 0;
 399         }
 400
 401         /*
 402          * pte not present, guest page fault.
 403          */
 404         if (pte_present && !fixed && !write_pt) {
 405                 inject_page_fault(vcpu, addr, error_code);
 406                 return 0;
 407         }
 408
 409         ++kvm_stat.pf_fixed;
 410
 411         return write_pt;
 412 }
 413
 414 static gpa_t FNAME(gva_to_gpa)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t vaddr)
 415 {
 416         struct guest_walker walker;
 417         pt_element_t guest_pte;
 418         gpa_t gpa;
 419
 420         FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, vaddr);
 421         guest_pte = *walker.ptep;
 422         FNAME(release_walker)(&walker);
 423
 424         if (!is_present_pte(guest_pte))
 425                 return UNMAPPED_GVA;
 426
 427         if (walker.level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
 428                 ASSERT((guest_pte & PT_PAGE_SIZE_MASK));
 429                 ASSERT(PTTYPE == 64 || is_pse(vcpu));
 430
 431                 gpa = (guest_pte & PT_DIR_BASE_ADDR_MASK) | (vaddr &
 432                         (PT_LEVEL_MASK(PT_PAGE_TABLE_LEVEL) | ~PAGE_MASK));
 433
 434                 if (PTTYPE == 32 && is_cpuid_PSE36())
 435                         gpa |= (guest_pte & PT32_DIR_PSE36_MASK) <<
 436                                         (32 - PT32_DIR_PSE36_SHIFT);
 437         } else {
 438                 gpa = (guest_pte & PT_BASE_ADDR_MASK);
 439                 gpa |= (vaddr & ~PAGE_MASK);
 440         }
 441
 442         return gpa;
 443 }
 444
 445 #undef pt_element_t
 446 #undef guest_walker
 447 #undef FNAME
 448 #undef PT_BASE_ADDR_MASK
 449 #undef PT_INDEX
 450 #undef SHADOW_PT_INDEX
 451 #undef PT_LEVEL_MASK
 452 #undef PT_PTE_COPY_MASK
 453 #undef PT_NON_PTE_COPY_MASK
 454 #undef PT_DIR_BASE_ADDR_MASK
 455 #undef PT_MAX_FULL_LEVELS