Merge branch 'topic/azt3328' into for-linus
[pandora-kernel.git] / drivers / lguest / x86 / switcher_32.S
1 /*P:900
2  * This is the Switcher: code which sits at 0xFFC00000 (or 0xFFE00000) astride
3  * both the Host and Guest to do the low-level Guest<->Host switch.  It is as
4  * simple as it can be made, but it's naturally very specific to x86.
5  *
6  * You have now completed Preparation.  If this has whet your appetite; if you
7  * are feeling invigorated and refreshed then the next, more challenging stage
8  * can be found in "make Guest".
9  :*/
10
11 /*M:012
12  * Lguest is meant to be simple: my rule of thumb is that 1% more LOC must
13  * gain at least 1% more performance.  Since neither LOC nor performance can be
14  * measured beforehand, it generally means implementing a feature then deciding
15  * if it's worth it.  And once it's implemented, who can say no?
16  *
17  * This is why I haven't implemented this idea myself.  I want to, but I
18  * haven't.  You could, though.
19  *
20  * The main place where lguest performance sucks is Guest page faulting.  When
21  * a Guest userspace process hits an unmapped page we switch back to the Host,
22  * walk the page tables, find it's not mapped, switch back to the Guest page
23  * fault handler, which calls a hypercall to set the page table entry, then
24  * finally returns to userspace.  That's two round-trips.
25  *
26  * If we had a small walker in the Switcher, we could quickly check the Guest
27  * page table and if the page isn't mapped, immediately reflect the fault back
28  * into the Guest.  This means the Switcher would have to know the top of the
29  * Guest page table and the page fault handler address.
30  *
31  * For simplicity, the Guest should only handle the case where the privilege
32  * level of the fault is 3 and probably only not present or write faults.  It
33  * should also detect recursive faults, and hand the original fault to the
34  * Host (which is actually really easy).
35  *
36  * Two questions remain.  Would the performance gain outweigh the complexity?
37  * And who would write the verse documenting it?
38 :*/
39
40 /*M:011
41  * Lguest64 handles NMI.  This gave me NMI envy (until I looked at their
42  * code).  It's worth doing though, since it would let us use oprofile in the
43  * Host when a Guest is running.
44 :*/
45
46 /*S:100
47  * Welcome to the Switcher itself!
48  *
49  * This file contains the low-level code which changes the CPU to run the Guest
50  * code, and returns to the Host when something happens.  Understand this, and
51  * you understand the heart of our journey.
52  *
53  * Because this is in assembler rather than C, our tale switches from prose to
54  * verse.  First I tried limericks:
55  *
56  *      There once was an eax reg,
57  *      To which our pointer was fed,
58  *      It needed an add,
59  *      Which asm-offsets.h had
60  *      But this limerick is hurting my head.
61  *
62  * Next I tried haikus, but fitting the required reference to the seasons in
63  * every stanza was quickly becoming tiresome:
64  *
65  *      The %eax reg
66  *      Holds "struct lguest_pages" now:
67  *      Cherry blossoms fall.
68  *
69  * Then I started with Heroic Verse, but the rhyming requirement leeched away
70  * the content density and led to some uniquely awful oblique rhymes:
71  *
72  *      These constants are coming from struct offsets
73  *      For use within the asm switcher text.
74  *
75  * Finally, I settled for something between heroic hexameter, and normal prose
76  * with inappropriate linebreaks.  Anyway, it aint no Shakespeare.
77  */
78
79 // Not all kernel headers work from assembler
80 // But these ones are needed: the ENTRY() define
81 // And constants extracted from struct offsets
82 // To avoid magic numbers and breakage:
83 // Should they change the compiler can't save us
84 // Down here in the depths of assembler code.
85 #include <linux/linkage.h>
86 #include <asm/asm-offsets.h>
87 #include <asm/page.h>
88 #include <asm/segment.h>
89 #include <asm/lguest.h>
90
91 // We mark the start of the code to copy
92 // It's placed in .text tho it's never run here
93 // You'll see the trick macro at the end
94 // Which interleaves data and text to effect.
95 .text
96 ENTRY(start_switcher_text)
97
98 // When we reach switch_to_guest we have just left
99 // The safe and comforting shores of C code
100 // %eax has the "struct lguest_pages" to use
101 // Where we save state and still see it from the Guest
102 // And %ebx holds the Guest shadow pagetable:
103 // Once set we have truly left Host behind.
104 ENTRY(switch_to_guest)
105         // We told gcc all its regs could fade,
106         // Clobbered by our journey into the Guest
107         // We could have saved them, if we tried
108         // But time is our master and cycles count.
109
110         // Segment registers must be saved for the Host
111         // We push them on the Host stack for later
112         pushl   %es
113         pushl   %ds
114         pushl   %gs
115         pushl   %fs
116         // But the compiler is fickle, and heeds
117         // No warning of %ebp clobbers
118         // When frame pointers are used.  That register
119         // Must be saved and restored or chaos strikes.
120         pushl   %ebp
121         // The Host's stack is done, now save it away
122         // In our "struct lguest_pages" at offset
123         // Distilled into asm-offsets.h
124         movl    %esp, LGUEST_PAGES_host_sp(%eax)
125
126         // All saved and there's now five steps before us:
127         // Stack, GDT, IDT, TSS
128         // Then last of all the page tables are flipped.
129
130         // Yet beware that our stack pointer must be
131         // Always valid lest an NMI hits
132         // %edx does the duty here as we juggle
133         // %eax is lguest_pages: our stack lies within.
134         movl    %eax, %edx
135         addl    $LGUEST_PAGES_regs, %edx
136         movl    %edx, %esp
137
138         // The Guest's GDT we so carefully
139         // Placed in the "struct lguest_pages" before
140         lgdt    LGUEST_PAGES_guest_gdt_desc(%eax)
141
142         // The Guest's IDT we did partially
143         // Copy to "struct lguest_pages" as well.
144         lidt    LGUEST_PAGES_guest_idt_desc(%eax)
145
146         // The TSS entry which controls traps
147         // Must be loaded up with "ltr" now:
148         // The GDT entry that TSS uses 
149         // Changes type when we load it: damn Intel!
150         // For after we switch over our page tables
151         // That entry will be read-only: we'd crash.
152         movl    $(GDT_ENTRY_TSS*8), %edx
153         ltr     %dx
154
155         // Look back now, before we take this last step!
156         // The Host's TSS entry was also marked used;
157         // Let's clear it again for our return.
158         // The GDT descriptor of the Host
159         // Points to the table after two "size" bytes
160         movl    (LGUEST_PAGES_host_gdt_desc+2)(%eax), %edx
161         // Clear "used" from type field (byte 5, bit 2)
162         andb    $0xFD, (GDT_ENTRY_TSS*8 + 5)(%edx)
163
164         // Once our page table's switched, the Guest is live!
165         // The Host fades as we run this final step.
166         // Our "struct lguest_pages" is now read-only.
167         movl    %ebx, %cr3
168
169         // The page table change did one tricky thing:
170         // The Guest's register page has been mapped
171         // Writable under our %esp (stack) --
172         // We can simply pop off all Guest regs.
173         popl    %eax
174         popl    %ebx
175         popl    %ecx
176         popl    %edx
177         popl    %esi
178         popl    %edi
179         popl    %ebp
180         popl    %gs
181         popl    %fs
182         popl    %ds
183         popl    %es
184
185         // Near the base of the stack lurk two strange fields
186         // Which we fill as we exit the Guest
187         // These are the trap number and its error
188         // We can simply step past them on our way.
189         addl    $8, %esp
190
191         // The last five stack slots hold return address
192         // And everything needed to switch privilege
193         // From Switcher's level 0 to Guest's 1,
194         // And the stack where the Guest had last left it.
195         // Interrupts are turned back on: we are Guest.
196         iret
197
198 // We tread two paths to switch back to the Host
199 // Yet both must save Guest state and restore Host
200 // So we put the routine in a macro.
201 #define SWITCH_TO_HOST                                                  \
202         /* We save the Guest state: all registers first                 \
203          * Laid out just as "struct lguest_regs" defines */             \
204         pushl   %es;                                                    \
205         pushl   %ds;                                                    \
206         pushl   %fs;                                                    \
207         pushl   %gs;                                                    \
208         pushl   %ebp;                                                   \
209         pushl   %edi;                                                   \
210         pushl   %esi;                                                   \
211         pushl   %edx;                                                   \
212         pushl   %ecx;                                                   \
213         pushl   %ebx;                                                   \
214         pushl   %eax;                                                   \
215         /* Our stack and our code are using segments                    \
216          * Set in the TSS and IDT                                       \
217          * Yet if we were to touch data we'd use                        \
218          * Whatever data segment the Guest had.                         \
219          * Load the lguest ds segment for now. */                       \
220         movl    $(LGUEST_DS), %eax;                                     \
221         movl    %eax, %ds;                                              \
222         /* So where are we?  Which CPU, which struct?                   \
223          * The stack is our clue: our TSS starts                        \
224          * It at the end of "struct lguest_pages".                      \
225          * Or we may have stumbled while restoring                      \
226          * Our Guest segment regs while in switch_to_guest,             \
227          * The fault pushed atop that part-unwound stack.               \
228          * If we round the stack down to the page start                 \
229          * We're at the start of "struct lguest_pages". */              \
230         movl    %esp, %eax;                                             \
231         andl    $(~(1 << PAGE_SHIFT - 1)), %eax;                        \
232         /* Save our trap number: the switch will obscure it             \
233          * (In the Host the Guest regs are not mapped here)             \
234          * %ebx holds it safe for deliver_to_host */                    \
235         movl    LGUEST_PAGES_regs_trapnum(%eax), %ebx;                  \
236         /* The Host GDT, IDT and stack!                                 \
237          * All these lie safely hidden from the Guest:                  \
238          * We must return to the Host page tables                       \
239          * (Hence that was saved in struct lguest_pages) */             \
240         movl    LGUEST_PAGES_host_cr3(%eax), %edx;                      \
241         movl    %edx, %cr3;                                             \
242         /* As before, when we looked back at the Host                   \
243          * As we left and marked TSS unused                             \
244          * So must we now for the Guest left behind. */                 \
245         andb    $0xFD, (LGUEST_PAGES_guest_gdt+GDT_ENTRY_TSS*8+5)(%eax); \
246         /* Switch to Host's GDT, IDT. */                                \
247         lgdt    LGUEST_PAGES_host_gdt_desc(%eax);                       \
248         lidt    LGUEST_PAGES_host_idt_desc(%eax);                       \
249         /* Restore the Host's stack where its saved regs lie */         \
250         movl    LGUEST_PAGES_host_sp(%eax), %esp;                       \
251         /* Last the TSS: our Host is returned */                        \
252         movl    $(GDT_ENTRY_TSS*8), %edx;                               \
253         ltr     %dx;                                                    \
254         /* Restore now the regs saved right at the first. */            \
255         popl    %ebp;                                                   \
256         popl    %fs;                                                    \
257         popl    %gs;                                                    \
258         popl    %ds;                                                    \
259         popl    %es
260
261 // The first path is trod when the Guest has trapped:
262 // (Which trap it was has been pushed on the stack).
263 // We need only switch back, and the Host will decode
264 // Why we came home, and what needs to be done.
265 return_to_host:
266         SWITCH_TO_HOST
267         iret
268
269 // We are lead to the second path like so:
270 // An interrupt, with some cause external
271 // Has ajerked us rudely from the Guest's code
272 // Again we must return home to the Host
273 deliver_to_host:
274         SWITCH_TO_HOST
275         // But now we must go home via that place
276         // Where that interrupt was supposed to go
277         // Had we not been ensconced, running the Guest.
278         // Here we see the trickness of run_guest_once():
279         // The Host stack is formed like an interrupt
280         // With EIP, CS and EFLAGS layered.
281         // Interrupt handlers end with "iret"
282         // And that will take us home at long long last.
283
284         // But first we must find the handler to call!
285         // The IDT descriptor for the Host
286         // Has two bytes for size, and four for address:
287         // %edx will hold it for us for now.
288         movl    (LGUEST_PAGES_host_idt_desc+2)(%eax), %edx
289         // We now know the table address we need,
290         // And saved the trap's number inside %ebx.
291         // Yet the pointer to the handler is smeared
292         // Across the bits of the table entry.
293         // What oracle can tell us how to extract
294         // From such a convoluted encoding?
295         // I consulted gcc, and it gave
296         // These instructions, which I gladly credit:
297         leal    (%edx,%ebx,8), %eax
298         movzwl  (%eax),%edx
299         movl    4(%eax), %eax
300         xorw    %ax, %ax
301         orl     %eax, %edx
302         // Now the address of the handler's in %edx
303         // We call it now: its "iret" drops us home.
304         jmp     *%edx
305
306 // Every interrupt can come to us here
307 // But we must truly tell each apart.
308 // They number two hundred and fifty six
309 // And each must land in a different spot,
310 // Push its number on stack, and join the stream.
311
312 // And worse, a mere six of the traps stand apart
313 // And push on their stack an addition:
314 // An error number, thirty two bits long
315 // So we punish the other two fifty
316 // And make them push a zero so they match.
317
318 // Yet two fifty six entries is long
319 // And all will look most the same as the last
320 // So we create a macro which can make
321 // As many entries as we need to fill.
322
323 // Note the change to .data then .text:
324 // We plant the address of each entry
325 // Into a (data) table for the Host
326 // To know where each Guest interrupt should go.
327 .macro IRQ_STUB N TARGET
328         .data; .long 1f; .text; 1:
329  // Trap eight, ten through fourteen and seventeen
330  // Supply an error number.  Else zero.
331  .if (\N <> 8) && (\N < 10 || \N > 14) && (\N <> 17)
332         pushl   $0
333  .endif
334         pushl   $\N
335         jmp     \TARGET
336         ALIGN
337 .endm
338
339 // This macro creates numerous entries
340 // Using GAS macros which out-power C's.
341 .macro IRQ_STUBS FIRST LAST TARGET
342  irq=\FIRST
343  .rept \LAST-\FIRST+1
344         IRQ_STUB irq \TARGET
345   irq=irq+1
346  .endr
347 .endm
348
349 // Here's the marker for our pointer table
350 // Laid in the data section just before
351 // Each macro places the address of code
352 // Forming an array: each one points to text
353 // Which handles interrupt in its turn.
354 .data
355 .global default_idt_entries
356 default_idt_entries:
357 .text
358         // The first two traps go straight back to the Host
359         IRQ_STUBS 0 1 return_to_host
360         // We'll say nothing, yet, about NMI
361         IRQ_STUB 2 handle_nmi
362         // Other traps also return to the Host
363         IRQ_STUBS 3 31 return_to_host
364         // All interrupts go via their handlers
365         IRQ_STUBS 32 127 deliver_to_host
366         // 'Cept system calls coming from userspace
367         // Are to go to the Guest, never the Host.
368         IRQ_STUB 128 return_to_host
369         IRQ_STUBS 129 255 deliver_to_host
370
371 // The NMI, what a fabulous beast
372 // Which swoops in and stops us no matter that
373 // We're suspended between heaven and hell,
374 // (Or more likely between the Host and Guest)
375 // When in it comes!  We are dazed and confused
376 // So we do the simplest thing which one can.
377 // Though we've pushed the trap number and zero
378 // We discard them, return, and hope we live.
379 handle_nmi:
380         addl    $8, %esp
381         iret
382
383 // We are done; all that's left is Mastery
384 // And "make Mastery" is a journey long
385 // Designed to make your fingers itch to code.
386
387 // Here ends the text, the file and poem.
388 ENTRY(end_switcher_text)