09782a982785d332ab5f697c5bab923d203ffa08
[linux-2.6-block.git] / arch / x86 / kvm / paging_tmpl.h
1 /*
2  * Kernel-based Virtual Machine driver for Linux
3  *
4  * This module enables machines with Intel VT-x extensions to run virtual
5  * machines without emulation or binary translation.
6  *
7  * MMU support
8  *
9  * Copyright (C) 2006 Qumranet, Inc.
10  *
11  * Authors:
12  *   Yaniv Kamay  <yaniv@qumranet.com>
13  *   Avi Kivity   <avi@qumranet.com>
14  *
15  * This work is licensed under the terms of the GNU GPL, version 2.  See
16  * the COPYING file in the top-level directory.
17  *
18  */
19
20 /*
21  * We need the mmu code to access both 32-bit and 64-bit guest ptes,
22  * so the code in this file is compiled twice, once per pte size.
23  */
24
25 #if PTTYPE == 64
26         #define pt_element_t u64
27         #define guest_walker guest_walker64
28         #define FNAME(name) paging##64_##name
29         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT64_BASE_ADDR_MASK
30         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT64_DIR_BASE_ADDR_MASK
31         #define PT_INDEX(addr, level) PT64_INDEX(addr, level)
32         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT64_LEVEL_MASK(level)
33         #define PT_LEVEL_BITS PT64_LEVEL_BITS
34         #ifdef CONFIG_X86_64
35         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 4
36         #define CMPXCHG cmpxchg
37         #else
38         #define CMPXCHG cmpxchg64
39         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
40         #endif
41 #elif PTTYPE == 32
42         #define pt_element_t u32
43         #define guest_walker guest_walker32
44         #define FNAME(name) paging##32_##name
45         #define PT_BASE_ADDR_MASK PT32_BASE_ADDR_MASK
46         #define PT_DIR_BASE_ADDR_MASK PT32_DIR_BASE_ADDR_MASK
47         #define PT_INDEX(addr, level) PT32_INDEX(addr, level)
48         #define PT_LEVEL_MASK(level) PT32_LEVEL_MASK(level)
49         #define PT_LEVEL_BITS PT32_LEVEL_BITS
50         #define PT_MAX_FULL_LEVELS 2
51         #define CMPXCHG cmpxchg
52 #else
53         #error Invalid PTTYPE value
54 #endif
55
56 #define gpte_to_gfn FNAME(gpte_to_gfn)
57 #define gpte_to_gfn_pde FNAME(gpte_to_gfn_pde)
58
59 /*
60  * The guest_walker structure emulates the behavior of the hardware page
61  * table walker.
62  */
63 struct guest_walker {
64         int level;
65         gfn_t table_gfn[PT_MAX_FULL_LEVELS];
66         pt_element_t ptes[PT_MAX_FULL_LEVELS];
67         gpa_t pte_gpa[PT_MAX_FULL_LEVELS];
68         unsigned pt_access;
69         unsigned pte_access;
70         gfn_t gfn;
71         u32 error_code;
72 };
73
74 static gfn_t gpte_to_gfn(pt_element_t gpte)
75 {
76         return (gpte & PT_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
77 }
78
79 static gfn_t gpte_to_gfn_pde(pt_element_t gpte)
80 {
81         return (gpte & PT_DIR_BASE_ADDR_MASK) >> PAGE_SHIFT;
82 }
83
84 static bool FNAME(cmpxchg_gpte)(struct kvm *kvm,
85                          gfn_t table_gfn, unsigned index,
86                          pt_element_t orig_pte, pt_element_t new_pte)
87 {
88         pt_element_t ret;
89         pt_element_t *table;
90         struct page *page;
91
92         page = gfn_to_page(kvm, table_gfn);
93
94         table = kmap_atomic(page, KM_USER0);
95         ret = CMPXCHG(&table[index], orig_pte, new_pte);
96         kunmap_atomic(table, KM_USER0);
97
98         kvm_release_page_dirty(page);
99
100         return (ret != orig_pte);
101 }
102
103 static unsigned FNAME(gpte_access)(struct kvm_vcpu *vcpu, pt_element_t gpte)
104 {
105         unsigned access;
106
107         access = (gpte & (PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK)) | ACC_EXEC_MASK;
108 #if PTTYPE == 64
109         if (is_nx(vcpu))
110                 access &= ~(gpte >> PT64_NX_SHIFT);
111 #endif
112         return access;
113 }
114
115 /*
116  * Fetch a guest pte for a guest virtual address
117  */
118 static int FNAME(walk_addr)(struct guest_walker *walker,
119                             struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
120                             int write_fault, int user_fault, int fetch_fault)
121 {
122         pt_element_t pte;
123         gfn_t table_gfn;
124         unsigned index, pt_access, pte_access;
125         gpa_t pte_gpa;
126         int rsvd_fault = 0;
127
128         pgprintk("%s: addr %lx\n", __func__, addr);
129 walk:
130         walker->level = vcpu->arch.mmu.root_level;
131         pte = vcpu->arch.cr3;
132 #if PTTYPE == 64
133         if (!is_long_mode(vcpu)) {
134                 pte = vcpu->arch.pdptrs[(addr >> 30) & 3];
135                 if (!is_present_pte(pte))
136                         goto not_present;
137                 --walker->level;
138         }
139 #endif
140         ASSERT((!is_long_mode(vcpu) && is_pae(vcpu)) ||
141                (vcpu->arch.cr3 & CR3_NONPAE_RESERVED_BITS) == 0);
142
143         pt_access = ACC_ALL;
144
145         for (;;) {
146                 index = PT_INDEX(addr, walker->level);
147
148                 table_gfn = gpte_to_gfn(pte);
149                 pte_gpa = gfn_to_gpa(table_gfn);
150                 pte_gpa += index * sizeof(pt_element_t);
151                 walker->table_gfn[walker->level - 1] = table_gfn;
152                 walker->pte_gpa[walker->level - 1] = pte_gpa;
153                 pgprintk("%s: table_gfn[%d] %lx\n", __func__,
154                          walker->level - 1, table_gfn);
155
156                 kvm_read_guest(vcpu->kvm, pte_gpa, &pte, sizeof(pte));
157
158                 if (!is_present_pte(pte))
159                         goto not_present;
160
161                 rsvd_fault = is_rsvd_bits_set(vcpu, pte, walker->level);
162                 if (rsvd_fault)
163                         goto access_error;
164
165                 if (write_fault && !is_writeble_pte(pte))
166                         if (user_fault || is_write_protection(vcpu))
167                                 goto access_error;
168
169                 if (user_fault && !(pte & PT_USER_MASK))
170                         goto access_error;
171
172 #if PTTYPE == 64
173                 if (fetch_fault && is_nx(vcpu) && (pte & PT64_NX_MASK))
174                         goto access_error;
175 #endif
176
177                 if (!(pte & PT_ACCESSED_MASK)) {
178                         mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
179                         if (FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn,
180                             index, pte, pte|PT_ACCESSED_MASK))
181                                 goto walk;
182                         pte |= PT_ACCESSED_MASK;
183                 }
184
185                 pte_access = pt_access & FNAME(gpte_access)(vcpu, pte);
186
187                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
188
189                 if (walker->level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL) {
190                         walker->gfn = gpte_to_gfn(pte);
191                         break;
192                 }
193
194                 if (walker->level == PT_DIRECTORY_LEVEL
195                     && (pte & PT_PAGE_SIZE_MASK)
196                     && (PTTYPE == 64 || is_pse(vcpu))) {
197                         walker->gfn = gpte_to_gfn_pde(pte);
198                         walker->gfn += PT_INDEX(addr, PT_PAGE_TABLE_LEVEL);
199                         if (PTTYPE == 32 && is_cpuid_PSE36())
200                                 walker->gfn += pse36_gfn_delta(pte);
201                         break;
202                 }
203
204                 pt_access = pte_access;
205                 --walker->level;
206         }
207
208         if (write_fault && !is_dirty_pte(pte)) {
209                 bool ret;
210
211                 mark_page_dirty(vcpu->kvm, table_gfn);
212                 ret = FNAME(cmpxchg_gpte)(vcpu->kvm, table_gfn, index, pte,
213                             pte|PT_DIRTY_MASK);
214                 if (ret)
215                         goto walk;
216                 pte |= PT_DIRTY_MASK;
217                 walker->ptes[walker->level - 1] = pte;
218         }
219
220         walker->pt_access = pt_access;
221         walker->pte_access = pte_access;
222         pgprintk("%s: pte %llx pte_access %x pt_access %x\n",
223                  __func__, (u64)pte, pt_access, pte_access);
224         return 1;
225
226 not_present:
227         walker->error_code = 0;
228         goto err;
229
230 access_error:
231         walker->error_code = PFERR_PRESENT_MASK;
232
233 err:
234         if (write_fault)
235                 walker->error_code |= PFERR_WRITE_MASK;
236         if (user_fault)
237                 walker->error_code |= PFERR_USER_MASK;
238         if (fetch_fault)
239                 walker->error_code |= PFERR_FETCH_MASK;
240         if (rsvd_fault)
241                 walker->error_code |= PFERR_RSVD_MASK;
242         return 0;
243 }
244
245 static void FNAME(update_pte)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *page,
246                               u64 *spte, const void *pte)
247 {
248         pt_element_t gpte;
249         unsigned pte_access;
250         pfn_t pfn;
251         int largepage = vcpu->arch.update_pte.largepage;
252
253         gpte = *(const pt_element_t *)pte;
254         if (~gpte & (PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK)) {
255                 if (!is_present_pte(gpte))
256                         set_shadow_pte(spte, shadow_notrap_nonpresent_pte);
257                 return;
258         }
259         pgprintk("%s: gpte %llx spte %p\n", __func__, (u64)gpte, spte);
260         pte_access = page->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
261         if (gpte_to_gfn(gpte) != vcpu->arch.update_pte.gfn)
262                 return;
263         pfn = vcpu->arch.update_pte.pfn;
264         if (is_error_pfn(pfn))
265                 return;
266         if (mmu_notifier_retry(vcpu, vcpu->arch.update_pte.mmu_seq))
267                 return;
268         kvm_get_pfn(pfn);
269         mmu_set_spte(vcpu, spte, page->role.access, pte_access, 0, 0,
270                      gpte & PT_DIRTY_MASK, NULL, largepage,
271                      gpte & PT_GLOBAL_MASK, gpte_to_gfn(gpte),
272                      pfn, true);
273 }
274
275 /*
276  * Fetch a shadow pte for a specific level in the paging hierarchy.
277  */
278 static u64 *FNAME(fetch)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
279                          struct guest_walker *gw,
280                          int user_fault, int write_fault, int largepage,
281                          int *ptwrite, pfn_t pfn)
282 {
283         unsigned access = gw->pt_access;
284         struct kvm_mmu_page *shadow_page;
285         u64 spte, *sptep;
286         int direct;
287         gfn_t table_gfn;
288         int r;
289         int level;
290         pt_element_t curr_pte;
291         struct kvm_shadow_walk_iterator iterator;
292
293         if (!is_present_pte(gw->ptes[gw->level - 1]))
294                 return NULL;
295
296         for_each_shadow_entry(vcpu, addr, iterator) {
297                 level = iterator.level;
298                 sptep = iterator.sptep;
299                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL
300                     || (largepage && level == PT_DIRECTORY_LEVEL)) {
301                         mmu_set_spte(vcpu, sptep, access,
302                                      gw->pte_access & access,
303                                      user_fault, write_fault,
304                                      gw->ptes[gw->level-1] & PT_DIRTY_MASK,
305                                      ptwrite, largepage,
306                                      gw->ptes[gw->level-1] & PT_GLOBAL_MASK,
307                                      gw->gfn, pfn, false);
308                         break;
309                 }
310
311                 if (is_shadow_present_pte(*sptep) && !is_large_pte(*sptep))
312                         continue;
313
314                 if (is_large_pte(*sptep)) {
315                         rmap_remove(vcpu->kvm, sptep);
316                         set_shadow_pte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
317                         kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
318                 }
319
320                 if (level == PT_DIRECTORY_LEVEL
321                     && gw->level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
322                         direct = 1;
323                         if (!is_dirty_pte(gw->ptes[level - 1]))
324                                 access &= ~ACC_WRITE_MASK;
325                         table_gfn = gpte_to_gfn(gw->ptes[level - 1]);
326                 } else {
327                         direct = 0;
328                         table_gfn = gw->table_gfn[level - 2];
329                 }
330                 shadow_page = kvm_mmu_get_page(vcpu, table_gfn, addr, level-1,
331                                                direct, access, sptep);
332                 if (!direct) {
333                         r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm,
334                                                   gw->pte_gpa[level - 2],
335                                                   &curr_pte, sizeof(curr_pte));
336                         if (r || curr_pte != gw->ptes[level - 2]) {
337                                 kvm_mmu_put_page(shadow_page, sptep);
338                                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
339                                 sptep = NULL;
340                                 break;
341                         }
342                 }
343
344                 spte = __pa(shadow_page->spt)
345                         | PT_PRESENT_MASK | PT_ACCESSED_MASK
346                         | PT_WRITABLE_MASK | PT_USER_MASK;
347                 *sptep = spte;
348         }
349
350         return sptep;
351 }
352
353 /*
354  * Page fault handler.  There are several causes for a page fault:
355  *   - there is no shadow pte for the guest pte
356  *   - write access through a shadow pte marked read only so that we can set
357  *     the dirty bit
358  *   - write access to a shadow pte marked read only so we can update the page
359  *     dirty bitmap, when userspace requests it
360  *   - mmio access; in this case we will never install a present shadow pte
361  *   - normal guest page fault due to the guest pte marked not present, not
362  *     writable, or not executable
363  *
364  *  Returns: 1 if we need to emulate the instruction, 0 otherwise, or
365  *           a negative value on error.
366  */
367 static int FNAME(page_fault)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t addr,
368                                u32 error_code)
369 {
370         int write_fault = error_code & PFERR_WRITE_MASK;
371         int user_fault = error_code & PFERR_USER_MASK;
372         int fetch_fault = error_code & PFERR_FETCH_MASK;
373         struct guest_walker walker;
374         u64 *shadow_pte;
375         int write_pt = 0;
376         int r;
377         pfn_t pfn;
378         int largepage = 0;
379         unsigned long mmu_seq;
380
381         pgprintk("%s: addr %lx err %x\n", __func__, addr, error_code);
382         kvm_mmu_audit(vcpu, "pre page fault");
383
384         r = mmu_topup_memory_caches(vcpu);
385         if (r)
386                 return r;
387
388         /*
389          * Look up the guest pte for the faulting address.
390          */
391         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, addr, write_fault, user_fault,
392                              fetch_fault);
393
394         /*
395          * The page is not mapped by the guest.  Let the guest handle it.
396          */
397         if (!r) {
398                 pgprintk("%s: guest page fault\n", __func__);
399                 inject_page_fault(vcpu, addr, walker.error_code);
400                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
401                 return 0;
402         }
403
404         if (walker.level == PT_DIRECTORY_LEVEL) {
405                 gfn_t large_gfn;
406                 large_gfn = walker.gfn & ~(KVM_PAGES_PER_HPAGE-1);
407                 if (is_largepage_backed(vcpu, large_gfn)) {
408                         walker.gfn = large_gfn;
409                         largepage = 1;
410                 }
411         }
412         mmu_seq = vcpu->kvm->mmu_notifier_seq;
413         smp_rmb();
414         pfn = gfn_to_pfn(vcpu->kvm, walker.gfn);
415
416         /* mmio */
417         if (is_error_pfn(pfn)) {
418                 pgprintk("gfn %lx is mmio\n", walker.gfn);
419                 kvm_release_pfn_clean(pfn);
420                 return 1;
421         }
422
423         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
424         if (mmu_notifier_retry(vcpu, mmu_seq))
425                 goto out_unlock;
426         kvm_mmu_free_some_pages(vcpu);
427         shadow_pte = FNAME(fetch)(vcpu, addr, &walker, user_fault, write_fault,
428                                   largepage, &write_pt, pfn);
429
430         pgprintk("%s: shadow pte %p %llx ptwrite %d\n", __func__,
431                  shadow_pte, *shadow_pte, write_pt);
432
433         if (!write_pt)
434                 vcpu->arch.last_pt_write_count = 0; /* reset fork detector */
435
436         ++vcpu->stat.pf_fixed;
437         kvm_mmu_audit(vcpu, "post page fault (fixed)");
438         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
439
440         return write_pt;
441
442 out_unlock:
443         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
444         kvm_release_pfn_clean(pfn);
445         return 0;
446 }
447
448 static void FNAME(invlpg)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t gva)
449 {
450         struct kvm_shadow_walk_iterator iterator;
451         pt_element_t gpte;
452         gpa_t pte_gpa = -1;
453         int level;
454         u64 *sptep;
455         int need_flush = 0;
456
457         spin_lock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
458
459         for_each_shadow_entry(vcpu, gva, iterator) {
460                 level = iterator.level;
461                 sptep = iterator.sptep;
462
463                 /* FIXME: properly handle invlpg on large guest pages */
464                 if (level == PT_PAGE_TABLE_LEVEL ||
465                     ((level == PT_DIRECTORY_LEVEL) && is_large_pte(*sptep))) {
466                         struct kvm_mmu_page *sp = page_header(__pa(sptep));
467
468                         pte_gpa = (sp->gfn << PAGE_SHIFT);
469                         pte_gpa += (sptep - sp->spt) * sizeof(pt_element_t);
470
471                         if (is_shadow_present_pte(*sptep)) {
472                                 rmap_remove(vcpu->kvm, sptep);
473                                 if (is_large_pte(*sptep))
474                                         --vcpu->kvm->stat.lpages;
475                                 need_flush = 1;
476                         }
477                         set_shadow_pte(sptep, shadow_trap_nonpresent_pte);
478                         break;
479                 }
480
481                 if (!is_shadow_present_pte(*sptep))
482                         break;
483         }
484
485         if (need_flush)
486                 kvm_flush_remote_tlbs(vcpu->kvm);
487         spin_unlock(&vcpu->kvm->mmu_lock);
488
489         if (pte_gpa == -1)
490                 return;
491         if (kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, &gpte,
492                                   sizeof(pt_element_t)))
493                 return;
494         if (is_present_pte(gpte) && (gpte & PT_ACCESSED_MASK)) {
495                 if (mmu_topup_memory_caches(vcpu))
496                         return;
497                 kvm_mmu_pte_write(vcpu, pte_gpa, (const u8 *)&gpte,
498                                   sizeof(pt_element_t), 0);
499         }
500 }
501
502 static gpa_t FNAME(gva_to_gpa)(struct kvm_vcpu *vcpu, gva_t vaddr)
503 {
504         struct guest_walker walker;
505         gpa_t gpa = UNMAPPED_GVA;
506         int r;
507
508         r = FNAME(walk_addr)(&walker, vcpu, vaddr, 0, 0, 0);
509
510         if (r) {
511                 gpa = gfn_to_gpa(walker.gfn);
512                 gpa |= vaddr & ~PAGE_MASK;
513         }
514
515         return gpa;
516 }
517
518 static void FNAME(prefetch_page)(struct kvm_vcpu *vcpu,
519                                  struct kvm_mmu_page *sp)
520 {
521         int i, j, offset, r;
522         pt_element_t pt[256 / sizeof(pt_element_t)];
523         gpa_t pte_gpa;
524
525         if (sp->role.direct
526             || (PTTYPE == 32 && sp->role.level > PT_PAGE_TABLE_LEVEL)) {
527                 nonpaging_prefetch_page(vcpu, sp);
528                 return;
529         }
530
531         pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
532         if (PTTYPE == 32) {
533                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
534                 pte_gpa += offset * sizeof(pt_element_t);
535         }
536
537         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i += ARRAY_SIZE(pt)) {
538                 r = kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, pt, sizeof pt);
539                 pte_gpa += ARRAY_SIZE(pt) * sizeof(pt_element_t);
540                 for (j = 0; j < ARRAY_SIZE(pt); ++j)
541                         if (r || is_present_pte(pt[j]))
542                                 sp->spt[i+j] = shadow_trap_nonpresent_pte;
543                         else
544                                 sp->spt[i+j] = shadow_notrap_nonpresent_pte;
545         }
546 }
547
548 /*
549  * Using the cached information from sp->gfns is safe because:
550  * - The spte has a reference to the struct page, so the pfn for a given gfn
551  *   can't change unless all sptes pointing to it are nuked first.
552  * - Alias changes zap the entire shadow cache.
553  */
554 static int FNAME(sync_page)(struct kvm_vcpu *vcpu, struct kvm_mmu_page *sp)
555 {
556         int i, offset, nr_present;
557
558         offset = nr_present = 0;
559
560         if (PTTYPE == 32)
561                 offset = sp->role.quadrant << PT64_LEVEL_BITS;
562
563         for (i = 0; i < PT64_ENT_PER_PAGE; i++) {
564                 unsigned pte_access;
565                 pt_element_t gpte;
566                 gpa_t pte_gpa;
567                 gfn_t gfn = sp->gfns[i];
568
569                 if (!is_shadow_present_pte(sp->spt[i]))
570                         continue;
571
572                 pte_gpa = gfn_to_gpa(sp->gfn);
573                 pte_gpa += (i+offset) * sizeof(pt_element_t);
574
575                 if (kvm_read_guest_atomic(vcpu->kvm, pte_gpa, &gpte,
576                                           sizeof(pt_element_t)))
577                         return -EINVAL;
578
579                 if (gpte_to_gfn(gpte) != gfn || !is_present_pte(gpte) ||
580                     !(gpte & PT_ACCESSED_MASK)) {
581                         u64 nonpresent;
582
583                         rmap_remove(vcpu->kvm, &sp->spt[i]);
584                         if (is_present_pte(gpte))
585                                 nonpresent = shadow_trap_nonpresent_pte;
586                         else
587                                 nonpresent = shadow_notrap_nonpresent_pte;
588                         set_shadow_pte(&sp->spt[i], nonpresent);
589                         continue;
590                 }
591
592                 nr_present++;
593                 pte_access = sp->role.access & FNAME(gpte_access)(vcpu, gpte);
594                 set_spte(vcpu, &sp->spt[i], pte_access, 0, 0,
595                          is_dirty_pte(gpte), 0, gpte & PT_GLOBAL_MASK, gfn,
596                          spte_to_pfn(sp->spt[i]), true, false);
597         }
598
599         return !nr_present;
600 }
601
602 #undef pt_element_t
603 #undef guest_walker
604 #undef FNAME
605 #undef PT_BASE_ADDR_MASK
606 #undef PT_INDEX
607 #undef PT_LEVEL_MASK
608 #undef PT_DIR_BASE_ADDR_MASK
609 #undef PT_LEVEL_BITS
610 #undef PT_MAX_FULL_LEVELS
611 #undef gpte_to_gfn
612 #undef gpte_to_gfn_pde
613 #undef CMPXCHG