]> www.pilppa.org Git - linux-2.6-omap-h63xx.git/blob - arch/x86/lguest/boot.c
Boot with virtual == physical to get closer to native Linux.
[linux-2.6-omap-h63xx.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/lguest/lguest.c) is called the
11  * Launcher.
12  *
13  * Secondly, we only run specially modified Guests, not normal kernels.  When
14  * you set CONFIG_LGUEST to 'y' or 'm', this automatically sets
15  * CONFIG_LGUEST_GUEST=y, which compiles this file into the kernel so it knows
16  * how to be a Guest.  This means that you can use the same kernel you boot
17  * normally (ie. as a Host) as a Guest.
18  *
19  * These Guests know that they cannot do privileged operations, such as disable
20  * interrupts, and that they have to ask the Host to do such things explicitly.
21  * This file consists of all the replacements for such low-level native
22  * hardware operations: these special Guest versions call the Host.
23  *
24  * So how does the kernel know it's a Guest?  The Guest starts at a special
25  * entry point marked with a magic string, which sets up a few things then
26  * calls here.  We replace the native functions various "paravirt" structures
27  * with our Guest versions, then boot like normal. :*/
28
29 /*
30  * Copyright (C) 2006, Rusty Russell <rusty@rustcorp.com.au> IBM Corporation.
31  *
32  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
33  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
34  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
35  * (at your option) any later version.
36  *
37  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
38  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
39  * MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, GOOD TITLE or
40  * NON INFRINGEMENT.  See the GNU General Public License for more
41  * details.
42  *
43  * You should have received a copy of the GNU General Public License
44  * along with this program; if not, write to the Free Software
45  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
46  */
47 #include <linux/kernel.h>
48 #include <linux/start_kernel.h>
49 #include <linux/string.h>
50 #include <linux/console.h>
51 #include <linux/screen_info.h>
52 #include <linux/irq.h>
53 #include <linux/interrupt.h>
54 #include <linux/clocksource.h>
55 #include <linux/clockchips.h>
56 #include <linux/lguest.h>
57 #include <linux/lguest_launcher.h>
58 #include <linux/lguest_bus.h>
59 #include <asm/paravirt.h>
60 #include <asm/param.h>
61 #include <asm/page.h>
62 #include <asm/pgtable.h>
63 #include <asm/desc.h>
64 #include <asm/setup.h>
65 #include <asm/e820.h>
66 #include <asm/mce.h>
67 #include <asm/io.h>
68 #include <asm/i387.h>
69
70 /*G:010 Welcome to the Guest!
71  *
72  * The Guest in our tale is a simple creature: identical to the Host but
73  * behaving in simplified but equivalent ways.  In particular, the Guest is the
74  * same kernel as the Host (or at least, built from the same source code). :*/
75
76 /* Declarations for definitions in lguest_guest.S */
77 extern char lguest_noirq_start[], lguest_noirq_end[];
78 extern const char lgstart_cli[], lgend_cli[];
79 extern const char lgstart_sti[], lgend_sti[];
80 extern const char lgstart_popf[], lgend_popf[];
81 extern const char lgstart_pushf[], lgend_pushf[];
82 extern const char lgstart_iret[], lgend_iret[];
83 extern void lguest_iret(void);
84
85 struct lguest_data lguest_data = {
86         .hcall_status = { [0 ... LHCALL_RING_SIZE-1] = 0xFF },
87         .noirq_start = (u32)lguest_noirq_start,
88         .noirq_end = (u32)lguest_noirq_end,
89         .kernel_address = PAGE_OFFSET,
90         .blocked_interrupts = { 1 }, /* Block timer interrupts */
91         .syscall_vec = SYSCALL_VECTOR,
92 };
93 static cycle_t clock_base;
94
95 /*G:035 Notice the lazy_hcall() above, rather than hcall().  This is our first
96  * real optimization trick!
97  *
98  * When lazy_mode is set, it means we're allowed to defer all hypercalls and do
99  * them as a batch when lazy_mode is eventually turned off.  Because hypercalls
100  * are reasonably expensive, batching them up makes sense.  For example, a
101  * large mmap might update dozens of page table entries: that code calls
102  * paravirt_enter_lazy_mmu(), does the dozen updates, then calls
103  * lguest_leave_lazy_mode().
104  *
105  * So, when we're in lazy mode, we call async_hypercall() to store the call for
106  * future processing.  When lazy mode is turned off we issue a hypercall to
107  * flush the stored calls.
108  */
109 static void lguest_leave_lazy_mode(void)
110 {
111         paravirt_leave_lazy(paravirt_get_lazy_mode());
112         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0);
113 }
114
115 static void lazy_hcall(unsigned long call,
116                        unsigned long arg1,
117                        unsigned long arg2,
118                        unsigned long arg3)
119 {
120         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
121                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
122         else
123                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3);
124 }
125
126 /* async_hcall() is pretty simple: I'm quite proud of it really.  We have a
127  * ring buffer of stored hypercalls which the Host will run though next time we
128  * do a normal hypercall.  Each entry in the ring has 4 slots for the hypercall
129  * arguments, and a "hcall_status" word which is 0 if the call is ready to go,
130  * and 255 once the Host has finished with it.
131  *
132  * If we come around to a slot which hasn't been finished, then the table is
133  * full and we just make the hypercall directly.  This has the nice side
134  * effect of causing the Host to run all the stored calls in the ring buffer
135  * which empties it for next time! */
136 void async_hcall(unsigned long call,
137                  unsigned long arg1, unsigned long arg2, unsigned long arg3)
138 {
139         /* Note: This code assumes we're uniprocessor. */
140         static unsigned int next_call;
141         unsigned long flags;
142
143         /* Disable interrupts if not already disabled: we don't want an
144          * interrupt handler making a hypercall while we're already doing
145          * one! */
146         local_irq_save(flags);
147         if (lguest_data.hcall_status[next_call] != 0xFF) {
148                 /* Table full, so do normal hcall which will flush table. */
149                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
150         } else {
151                 lguest_data.hcalls[next_call].arg0 = call;
152                 lguest_data.hcalls[next_call].arg1 = arg1;
153                 lguest_data.hcalls[next_call].arg2 = arg2;
154                 lguest_data.hcalls[next_call].arg3 = arg3;
155                 /* Arguments must all be written before we mark it to go */
156                 wmb();
157                 lguest_data.hcall_status[next_call] = 0;
158                 if (++next_call == LHCALL_RING_SIZE)
159                         next_call = 0;
160         }
161         local_irq_restore(flags);
162 }
163 /*:*/
164
165 /* Wrappers for the SEND_DMA and BIND_DMA hypercalls.  This is mainly because
166  * Jeff Garzik complained that __pa() should never appear in drivers, and this
167  * helps remove most of them.   But also, it wraps some ugliness. */
168 void lguest_send_dma(unsigned long key, struct lguest_dma *dma)
169 {
170         /* The hcall might not write this if something goes wrong */
171         dma->used_len = 0;
172         hcall(LHCALL_SEND_DMA, key, __pa(dma), 0);
173 }
174
175 int lguest_bind_dma(unsigned long key, struct lguest_dma *dmas,
176                     unsigned int num, u8 irq)
177 {
178         /* This is the only hypercall which actually wants 5 arguments, and we
179          * only support 4.  Fortunately the interrupt number is always less
180          * than 256, so we can pack it with the number of dmas in the final
181          * argument.  */
182         if (!hcall(LHCALL_BIND_DMA, key, __pa(dmas), (num << 8) | irq))
183                 return -ENOMEM;
184         return 0;
185 }
186
187 /* Unbinding is the same hypercall as binding, but with 0 num & irq. */
188 void lguest_unbind_dma(unsigned long key, struct lguest_dma *dmas)
189 {
190         hcall(LHCALL_BIND_DMA, key, __pa(dmas), 0);
191 }
192
193 /* For guests, device memory can be used as normal memory, so we cast away the
194  * __iomem to quieten sparse. */
195 void *lguest_map(unsigned long phys_addr, unsigned long pages)
196 {
197         return (__force void *)ioremap(phys_addr, PAGE_SIZE*pages);
198 }
199
200 void lguest_unmap(void *addr)
201 {
202         iounmap((__force void __iomem *)addr);
203 }
204
205 /*G:033
206  * Here are our first native-instruction replacements: four functions for
207  * interrupt control.
208  *
209  * The simplest way of implementing these would be to have "turn interrupts
210  * off" and "turn interrupts on" hypercalls.  Unfortunately, this is too slow:
211  * these are by far the most commonly called functions of those we override.
212  *
213  * So instead we keep an "irq_enabled" field inside our "struct lguest_data",
214  * which the Guest can update with a single instruction.  The Host knows to
215  * check there when it wants to deliver an interrupt.
216  */
217
218 /* save_flags() is expected to return the processor state (ie. "eflags").  The
219  * eflags word contains all kind of stuff, but in practice Linux only cares
220  * about the interrupt flag.  Our "save_flags()" just returns that. */
221 static unsigned long save_fl(void)
222 {
223         return lguest_data.irq_enabled;
224 }
225
226 /* "restore_flags" just sets the flags back to the value given. */
227 static void restore_fl(unsigned long flags)
228 {
229         lguest_data.irq_enabled = flags;
230 }
231
232 /* Interrupts go off... */
233 static void irq_disable(void)
234 {
235         lguest_data.irq_enabled = 0;
236 }
237
238 /* Interrupts go on... */
239 static void irq_enable(void)
240 {
241         lguest_data.irq_enabled = X86_EFLAGS_IF;
242 }
243 /*:*/
244 /*M:003 Note that we don't check for outstanding interrupts when we re-enable
245  * them (or when we unmask an interrupt).  This seems to work for the moment,
246  * since interrupts are rare and we'll just get the interrupt on the next timer
247  * tick, but when we turn on CONFIG_NO_HZ, we should revisit this.  One way
248  * would be to put the "irq_enabled" field in a page by itself, and have the
249  * Host write-protect it when an interrupt comes in when irqs are disabled.
250  * There will then be a page fault as soon as interrupts are re-enabled. :*/
251
252 /*G:034
253  * The Interrupt Descriptor Table (IDT).
254  *
255  * The IDT tells the processor what to do when an interrupt comes in.  Each
256  * entry in the table is a 64-bit descriptor: this holds the privilege level,
257  * address of the handler, and... well, who cares?  The Guest just asks the
258  * Host to make the change anyway, because the Host controls the real IDT.
259  */
260 static void lguest_write_idt_entry(struct desc_struct *dt,
261                                    int entrynum, u32 low, u32 high)
262 {
263         /* Keep the local copy up to date. */
264         write_dt_entry(dt, entrynum, low, high);
265         /* Tell Host about this new entry. */
266         hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, entrynum, low, high);
267 }
268
269 /* Changing to a different IDT is very rare: we keep the IDT up-to-date every
270  * time it is written, so we can simply loop through all entries and tell the
271  * Host about them. */
272 static void lguest_load_idt(const struct Xgt_desc_struct *desc)
273 {
274         unsigned int i;
275         struct desc_struct *idt = (void *)desc->address;
276
277         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
278                 hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, i, idt[i].a, idt[i].b);
279 }
280
281 /*
282  * The Global Descriptor Table.
283  *
284  * The Intel architecture defines another table, called the Global Descriptor
285  * Table (GDT).  You tell the CPU where it is (and its size) using the "lgdt"
286  * instruction, and then several other instructions refer to entries in the
287  * table.  There are three entries which the Switcher needs, so the Host simply
288  * controls the entire thing and the Guest asks it to make changes using the
289  * LOAD_GDT hypercall.
290  *
291  * This is the opposite of the IDT code where we have a LOAD_IDT_ENTRY
292  * hypercall and use that repeatedly to load a new IDT.  I don't think it
293  * really matters, but wouldn't it be nice if they were the same?
294  */
295 static void lguest_load_gdt(const struct Xgt_desc_struct *desc)
296 {
297         BUG_ON((desc->size+1)/8 != GDT_ENTRIES);
298         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(desc->address), GDT_ENTRIES, 0);
299 }
300
301 /* For a single GDT entry which changes, we do the lazy thing: alter our GDT,
302  * then tell the Host to reload the entire thing.  This operation is so rare
303  * that this naive implementation is reasonable. */
304 static void lguest_write_gdt_entry(struct desc_struct *dt,
305                                    int entrynum, u32 low, u32 high)
306 {
307         write_dt_entry(dt, entrynum, low, high);
308         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(dt), GDT_ENTRIES, 0);
309 }
310
311 /* OK, I lied.  There are three "thread local storage" GDT entries which change
312  * on every context switch (these three entries are how glibc implements
313  * __thread variables).  So we have a hypercall specifically for this case. */
314 static void lguest_load_tls(struct thread_struct *t, unsigned int cpu)
315 {
316         /* There's one problem which normal hardware doesn't have: the Host
317          * can't handle us removing entries we're currently using.  So we clear
318          * the GS register here: if it's needed it'll be reloaded anyway. */
319         loadsegment(gs, 0);
320         lazy_hcall(LHCALL_LOAD_TLS, __pa(&t->tls_array), cpu, 0);
321 }
322
323 /*G:038 That's enough excitement for now, back to ploughing through each of
324  * the different pv_ops structures (we're about 1/3 of the way through).
325  *
326  * This is the Local Descriptor Table, another weird Intel thingy.  Linux only
327  * uses this for some strange applications like Wine.  We don't do anything
328  * here, so they'll get an informative and friendly Segmentation Fault. */
329 static void lguest_set_ldt(const void *addr, unsigned entries)
330 {
331 }
332
333 /* This loads a GDT entry into the "Task Register": that entry points to a
334  * structure called the Task State Segment.  Some comments scattered though the
335  * kernel code indicate that this used for task switching in ages past, along
336  * with blood sacrifice and astrology.
337  *
338  * Now there's nothing interesting in here that we don't get told elsewhere.
339  * But the native version uses the "ltr" instruction, which makes the Host
340  * complain to the Guest about a Segmentation Fault and it'll oops.  So we
341  * override the native version with a do-nothing version. */
342 static void lguest_load_tr_desc(void)
343 {
344 }
345
346 /* The "cpuid" instruction is a way of querying both the CPU identity
347  * (manufacturer, model, etc) and its features.  It was introduced before the
348  * Pentium in 1993 and keeps getting extended by both Intel and AMD.  As you
349  * might imagine, after a decade and a half this treatment, it is now a giant
350  * ball of hair.  Its entry in the current Intel manual runs to 28 pages.
351  *
352  * This instruction even it has its own Wikipedia entry.  The Wikipedia entry
353  * has been translated into 4 languages.  I am not making this up!
354  *
355  * We could get funky here and identify ourselves as "GenuineLguest", but
356  * instead we just use the real "cpuid" instruction.  Then I pretty much turned
357  * off feature bits until the Guest booted.  (Don't say that: you'll damage
358  * lguest sales!)  Shut up, inner voice!  (Hey, just pointing out that this is
359  * hardly future proof.)  Noone's listening!  They don't like you anyway,
360  * parenthetic weirdo!
361  *
362  * Replacing the cpuid so we can turn features off is great for the kernel, but
363  * anyone (including userspace) can just use the raw "cpuid" instruction and
364  * the Host won't even notice since it isn't privileged.  So we try not to get
365  * too worked up about it. */
366 static void lguest_cpuid(unsigned int *eax, unsigned int *ebx,
367                          unsigned int *ecx, unsigned int *edx)
368 {
369         int function = *eax;
370
371         native_cpuid(eax, ebx, ecx, edx);
372         switch (function) {
373         case 1: /* Basic feature request. */
374                 /* We only allow kernel to see SSE3, CMPXCHG16B and SSSE3 */
375                 *ecx &= 0x00002201;
376                 /* SSE, SSE2, FXSR, MMX, CMOV, CMPXCHG8B, FPU. */
377                 *edx &= 0x07808101;
378                 /* The Host can do a nice optimization if it knows that the
379                  * kernel mappings (addresses above 0xC0000000 or whatever
380                  * PAGE_OFFSET is set to) haven't changed.  But Linux calls
381                  * flush_tlb_user() for both user and kernel mappings unless
382                  * the Page Global Enable (PGE) feature bit is set. */
383                 *edx |= 0x00002000;
384                 break;
385         case 0x80000000:
386                 /* Futureproof this a little: if they ask how much extended
387                  * processor information there is, limit it to known fields. */
388                 if (*eax > 0x80000008)
389                         *eax = 0x80000008;
390                 break;
391         }
392 }
393
394 /* Intel has four control registers, imaginatively named cr0, cr2, cr3 and cr4.
395  * I assume there's a cr1, but it hasn't bothered us yet, so we'll not bother
396  * it.  The Host needs to know when the Guest wants to change them, so we have
397  * a whole series of functions like read_cr0() and write_cr0().
398  *
399  * We start with CR0.  CR0 allows you to turn on and off all kinds of basic
400  * features, but Linux only really cares about one: the horrifically-named Task
401  * Switched (TS) bit at bit 3 (ie. 8)
402  *
403  * What does the TS bit do?  Well, it causes the CPU to trap (interrupt 7) if
404  * the floating point unit is used.  Which allows us to restore FPU state
405  * lazily after a task switch, and Linux uses that gratefully, but wouldn't a
406  * name like "FPUTRAP bit" be a little less cryptic?
407  *
408  * We store cr0 (and cr3) locally, because the Host never changes it.  The
409  * Guest sometimes wants to read it and we'd prefer not to bother the Host
410  * unnecessarily. */
411 static unsigned long current_cr0, current_cr3;
412 static void lguest_write_cr0(unsigned long val)
413 {
414         /* 8 == TS bit. */
415         lazy_hcall(LHCALL_TS, val & 8, 0, 0);
416         current_cr0 = val;
417 }
418
419 static unsigned long lguest_read_cr0(void)
420 {
421         return current_cr0;
422 }
423
424 /* Intel provided a special instruction to clear the TS bit for people too cool
425  * to use write_cr0() to do it.  This "clts" instruction is faster, because all
426  * the vowels have been optimized out. */
427 static void lguest_clts(void)
428 {
429         lazy_hcall(LHCALL_TS, 0, 0, 0);
430         current_cr0 &= ~8U;
431 }
432
433 /* CR2 is the virtual address of the last page fault, which the Guest only ever
434  * reads.  The Host kindly writes this into our "struct lguest_data", so we
435  * just read it out of there. */
436 static unsigned long lguest_read_cr2(void)
437 {
438         return lguest_data.cr2;
439 }
440
441 /* CR3 is the current toplevel pagetable page: the principle is the same as
442  * cr0.  Keep a local copy, and tell the Host when it changes. */
443 static void lguest_write_cr3(unsigned long cr3)
444 {
445         lazy_hcall(LHCALL_NEW_PGTABLE, cr3, 0, 0);
446         current_cr3 = cr3;
447 }
448
449 static unsigned long lguest_read_cr3(void)
450 {
451         return current_cr3;
452 }
453
454 /* CR4 is used to enable and disable PGE, but we don't care. */
455 static unsigned long lguest_read_cr4(void)
456 {
457         return 0;
458 }
459
460 static void lguest_write_cr4(unsigned long val)
461 {
462 }
463
464 /*
465  * Page Table Handling.
466  *
467  * Now would be a good time to take a rest and grab a coffee or similarly
468  * relaxing stimulant.  The easy parts are behind us, and the trek gradually
469  * winds uphill from here.
470  *
471  * Quick refresher: memory is divided into "pages" of 4096 bytes each.  The CPU
472  * maps virtual addresses to physical addresses using "page tables".  We could
473  * use one huge index of 1 million entries: each address is 4 bytes, so that's
474  * 1024 pages just to hold the page tables.   But since most virtual addresses
475  * are unused, we use a two level index which saves space.  The CR3 register
476  * contains the physical address of the top level "page directory" page, which
477  * contains physical addresses of up to 1024 second-level pages.  Each of these
478  * second level pages contains up to 1024 physical addresses of actual pages,
479  * or Page Table Entries (PTEs).
480  *
481  * Here's a diagram, where arrows indicate physical addresses:
482  *
483  * CR3 ---> +---------+
484  *          |      --------->+---------+
485  *          |         |      | PADDR1  |
486  *        Top-level   |      | PADDR2  |
487  *        (PMD) page  |      |         |
488  *          |         |    Lower-level |
489  *          |         |    (PTE) page  |
490  *          |         |      |         |
491  *            ....               ....
492  *
493  * So to convert a virtual address to a physical address, we look up the top
494  * level, which points us to the second level, which gives us the physical
495  * address of that page.  If the top level entry was not present, or the second
496  * level entry was not present, then the virtual address is invalid (we
497  * say "the page was not mapped").
498  *
499  * Put another way, a 32-bit virtual address is divided up like so:
500  *
501  *  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
502  * |<---- 10 bits ---->|<---- 10 bits ---->|<------ 12 bits ------>|
503  *    Index into top     Index into second      Offset within page
504  *  page directory page    pagetable page
505  *
506  * The kernel spends a lot of time changing both the top-level page directory
507  * and lower-level pagetable pages.  The Guest doesn't know physical addresses,
508  * so while it maintains these page tables exactly like normal, it also needs
509  * to keep the Host informed whenever it makes a change: the Host will create
510  * the real page tables based on the Guests'.
511  */
512
513 /* The Guest calls this to set a second-level entry (pte), ie. to map a page
514  * into a process' address space.  We set the entry then tell the Host the
515  * toplevel and address this corresponds to.  The Guest uses one pagetable per
516  * process, so we need to tell the Host which one we're changing (mm->pgd). */
517 static void lguest_set_pte_at(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
518                               pte_t *ptep, pte_t pteval)
519 {
520         *ptep = pteval;
521         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr, pteval.pte_low);
522 }
523
524 /* The Guest calls this to set a top-level entry.  Again, we set the entry then
525  * tell the Host which top-level page we changed, and the index of the entry we
526  * changed. */
527 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
528 {
529         *pmdp = pmdval;
530         lazy_hcall(LHCALL_SET_PMD, __pa(pmdp)&PAGE_MASK,
531                    (__pa(pmdp)&(PAGE_SIZE-1))/4, 0);
532 }
533
534 /* There are a couple of legacy places where the kernel sets a PTE, but we
535  * don't know the top level any more.  This is useless for us, since we don't
536  * know which pagetable is changing or what address, so we just tell the Host
537  * to forget all of them.  Fortunately, this is very rare.
538  *
539  * ... except in early boot when the kernel sets up the initial pagetables,
540  * which makes booting astonishingly slow.  So we don't even tell the Host
541  * anything changed until we've done the first page table switch.
542  */
543 static void lguest_set_pte(pte_t *ptep, pte_t pteval)
544 {
545         *ptep = pteval;
546         /* Don't bother with hypercall before initial setup. */
547         if (current_cr3)
548                 lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
549 }
550
551 /* Unfortunately for Lguest, the pv_mmu_ops for page tables were based on
552  * native page table operations.  On native hardware you can set a new page
553  * table entry whenever you want, but if you want to remove one you have to do
554  * a TLB flush (a TLB is a little cache of page table entries kept by the CPU).
555  *
556  * So the lguest_set_pte_at() and lguest_set_pmd() functions above are only
557  * called when a valid entry is written, not when it's removed (ie. marked not
558  * present).  Instead, this is where we come when the Guest wants to remove a
559  * page table entry: we tell the Host to set that entry to 0 (ie. the present
560  * bit is zero). */
561 static void lguest_flush_tlb_single(unsigned long addr)
562 {
563         /* Simply set it to zero: if it was not, it will fault back in. */
564         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, current_cr3, addr, 0);
565 }
566
567 /* This is what happens after the Guest has removed a large number of entries.
568  * This tells the Host that any of the page table entries for userspace might
569  * have changed, ie. virtual addresses below PAGE_OFFSET. */
570 static void lguest_flush_tlb_user(void)
571 {
572         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 0, 0, 0);
573 }
574
575 /* This is called when the kernel page tables have changed.  That's not very
576  * common (unless the Guest is using highmem, which makes the Guest extremely
577  * slow), so it's worth separating this from the user flushing above. */
578 static void lguest_flush_tlb_kernel(void)
579 {
580         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
581 }
582
583 /*
584  * The Unadvanced Programmable Interrupt Controller.
585  *
586  * This is an attempt to implement the simplest possible interrupt controller.
587  * I spent some time looking though routines like set_irq_chip_and_handler,
588  * set_irq_chip_and_handler_name, set_irq_chip_data and set_phasers_to_stun and
589  * I *think* this is as simple as it gets.
590  *
591  * We can tell the Host what interrupts we want blocked ready for using the
592  * lguest_data.interrupts bitmap, so disabling (aka "masking") them is as
593  * simple as setting a bit.  We don't actually "ack" interrupts as such, we
594  * just mask and unmask them.  I wonder if we should be cleverer?
595  */
596 static void disable_lguest_irq(unsigned int irq)
597 {
598         set_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
599 }
600
601 static void enable_lguest_irq(unsigned int irq)
602 {
603         clear_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
604 }
605
606 /* This structure describes the lguest IRQ controller. */
607 static struct irq_chip lguest_irq_controller = {
608         .name           = "lguest",
609         .mask           = disable_lguest_irq,
610         .mask_ack       = disable_lguest_irq,
611         .unmask         = enable_lguest_irq,
612 };
613
614 /* This sets up the Interrupt Descriptor Table (IDT) entry for each hardware
615  * interrupt (except 128, which is used for system calls), and then tells the
616  * Linux infrastructure that each interrupt is controlled by our level-based
617  * lguest interrupt controller. */
618 static void __init lguest_init_IRQ(void)
619 {
620         unsigned int i;
621
622         for (i = 0; i < LGUEST_IRQS; i++) {
623                 int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
624                 if (vector != SYSCALL_VECTOR) {
625                         set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
626                         set_irq_chip_and_handler(i, &lguest_irq_controller,
627                                                  handle_level_irq);
628                 }
629         }
630         /* This call is required to set up for 4k stacks, where we have
631          * separate stacks for hard and soft interrupts. */
632         irq_ctx_init(smp_processor_id());
633 }
634
635 /*
636  * Time.
637  *
638  * It would be far better for everyone if the Guest had its own clock, but
639  * until then the Host gives us the time on every interrupt.
640  */
641 static unsigned long lguest_get_wallclock(void)
642 {
643         return lguest_data.time.tv_sec;
644 }
645
646 static cycle_t lguest_clock_read(void)
647 {
648         unsigned long sec, nsec;
649
650         /* If the Host tells the TSC speed, we can trust that. */
651         if (lguest_data.tsc_khz)
652                 return native_read_tsc();
653
654         /* If we can't use the TSC, we read the time value written by the Host.
655          * Since it's in two parts (seconds and nanoseconds), we risk reading
656          * it just as it's changing from 99 & 0.999999999 to 100 and 0, and
657          * getting 99 and 0.  As Linux tends to come apart under the stress of
658          * time travel, we must be careful: */
659         do {
660                 /* First we read the seconds part. */
661                 sec = lguest_data.time.tv_sec;
662                 /* This read memory barrier tells the compiler and the CPU that
663                  * this can't be reordered: we have to complete the above
664                  * before going on. */
665                 rmb();
666                 /* Now we read the nanoseconds part. */
667                 nsec = lguest_data.time.tv_nsec;
668                 /* Make sure we've done that. */
669                 rmb();
670                 /* Now if the seconds part has changed, try again. */
671         } while (unlikely(lguest_data.time.tv_sec != sec));
672
673         /* Our non-TSC clock is in real nanoseconds. */
674         return sec*1000000000ULL + nsec;
675 }
676
677 /* This is what we tell the kernel is our clocksource.  */
678 static struct clocksource lguest_clock = {
679         .name           = "lguest",
680         .rating         = 400,
681         .read           = lguest_clock_read,
682         .mask           = CLOCKSOURCE_MASK(64),
683         .mult           = 1 << 22,
684         .shift          = 22,
685         .flags          = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
686 };
687
688 /* The "scheduler clock" is just our real clock, adjusted to start at zero */
689 static unsigned long long lguest_sched_clock(void)
690 {
691         return cyc2ns(&lguest_clock, lguest_clock_read() - clock_base);
692 }
693
694 /* We also need a "struct clock_event_device": Linux asks us to set it to go
695  * off some time in the future.  Actually, James Morris figured all this out, I
696  * just applied the patch. */
697 static int lguest_clockevent_set_next_event(unsigned long delta,
698                                            struct clock_event_device *evt)
699 {
700         if (delta < LG_CLOCK_MIN_DELTA) {
701                 if (printk_ratelimit())
702                         printk(KERN_DEBUG "%s: small delta %lu ns\n",
703                                __FUNCTION__, delta);
704                 return -ETIME;
705         }
706         hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, delta, 0, 0);
707         return 0;
708 }
709
710 static void lguest_clockevent_set_mode(enum clock_event_mode mode,
711                                       struct clock_event_device *evt)
712 {
713         switch (mode) {
714         case CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
715         case CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
716                 /* A 0 argument shuts the clock down. */
717                 hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, 0, 0, 0);
718                 break;
719         case CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
720                 /* This is what we expect. */
721                 break;
722         case CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
723                 BUG();
724         case CLOCK_EVT_MODE_RESUME:
725                 break;
726         }
727 }
728
729 /* This describes our primitive timer chip. */
730 static struct clock_event_device lguest_clockevent = {
731         .name                   = "lguest",
732         .features               = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
733         .set_next_event         = lguest_clockevent_set_next_event,
734         .set_mode               = lguest_clockevent_set_mode,
735         .rating                 = INT_MAX,
736         .mult                   = 1,
737         .shift                  = 0,
738         .min_delta_ns           = LG_CLOCK_MIN_DELTA,
739         .max_delta_ns           = LG_CLOCK_MAX_DELTA,
740 };
741
742 /* This is the Guest timer interrupt handler (hardware interrupt 0).  We just
743  * call the clockevent infrastructure and it does whatever needs doing. */
744 static void lguest_time_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
745 {
746         unsigned long flags;
747
748         /* Don't interrupt us while this is running. */
749         local_irq_save(flags);
750         lguest_clockevent.event_handler(&lguest_clockevent);
751         local_irq_restore(flags);
752 }
753
754 /* At some point in the boot process, we get asked to set up our timing
755  * infrastructure.  The kernel doesn't expect timer interrupts before this, but
756  * we cleverly initialized the "blocked_interrupts" field of "struct
757  * lguest_data" so that timer interrupts were blocked until now. */
758 static void lguest_time_init(void)
759 {
760         /* Set up the timer interrupt (0) to go to our simple timer routine */
761         set_irq_handler(0, lguest_time_irq);
762
763         /* Our clock structure look like arch/i386/kernel/tsc.c if we can use
764          * the TSC, otherwise it's a dumb nanosecond-resolution clock.  Either
765          * way, the "rating" is initialized so high that it's always chosen
766          * over any other clocksource. */
767         if (lguest_data.tsc_khz)
768                 lguest_clock.mult = clocksource_khz2mult(lguest_data.tsc_khz,
769                                                          lguest_clock.shift);
770         clock_base = lguest_clock_read();
771         clocksource_register(&lguest_clock);
772
773         /* Now we've set up our clock, we can use it as the scheduler clock */
774         pv_time_ops.sched_clock = lguest_sched_clock;
775
776         /* We can't set cpumask in the initializer: damn C limitations!  Set it
777          * here and register our timer device. */
778         lguest_clockevent.cpumask = cpumask_of_cpu(0);
779         clockevents_register_device(&lguest_clockevent);
780
781         /* Finally, we unblock the timer interrupt. */
782         enable_lguest_irq(0);
783 }
784
785 /*
786  * Miscellaneous bits and pieces.
787  *
788  * Here is an oddball collection of functions which the Guest needs for things
789  * to work.  They're pretty simple.
790  */
791
792 /* The Guest needs to tell the host what stack it expects traps to use.  For
793  * native hardware, this is part of the Task State Segment mentioned above in
794  * lguest_load_tr_desc(), but to help hypervisors there's this special call.
795  *
796  * We tell the Host the segment we want to use (__KERNEL_DS is the kernel data
797  * segment), the privilege level (we're privilege level 1, the Host is 0 and
798  * will not tolerate us trying to use that), the stack pointer, and the number
799  * of pages in the stack. */
800 static void lguest_load_esp0(struct tss_struct *tss,
801                                      struct thread_struct *thread)
802 {
803         lazy_hcall(LHCALL_SET_STACK, __KERNEL_DS|0x1, thread->esp0,
804                    THREAD_SIZE/PAGE_SIZE);
805 }
806
807 /* Let's just say, I wouldn't do debugging under a Guest. */
808 static void lguest_set_debugreg(int regno, unsigned long value)
809 {
810         /* FIXME: Implement */
811 }
812
813 /* There are times when the kernel wants to make sure that no memory writes are
814  * caught in the cache (that they've all reached real hardware devices).  This
815  * doesn't matter for the Guest which has virtual hardware.
816  *
817  * On the Pentium 4 and above, cpuid() indicates that the Cache Line Flush
818  * (clflush) instruction is available and the kernel uses that.  Otherwise, it
819  * uses the older "Write Back and Invalidate Cache" (wbinvd) instruction.
820  * Unlike clflush, wbinvd can only be run at privilege level 0.  So we can
821  * ignore clflush, but replace wbinvd.
822  */
823 static void lguest_wbinvd(void)
824 {
825 }
826
827 /* If the Guest expects to have an Advanced Programmable Interrupt Controller,
828  * we play dumb by ignoring writes and returning 0 for reads.  So it's no
829  * longer Programmable nor Controlling anything, and I don't think 8 lines of
830  * code qualifies for Advanced.  It will also never interrupt anything.  It
831  * does, however, allow us to get through the Linux boot code. */
832 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
833 static void lguest_apic_write(unsigned long reg, unsigned long v)
834 {
835 }
836
837 static unsigned long lguest_apic_read(unsigned long reg)
838 {
839         return 0;
840 }
841 #endif
842
843 /* STOP!  Until an interrupt comes in. */
844 static void lguest_safe_halt(void)
845 {
846         hcall(LHCALL_HALT, 0, 0, 0);
847 }
848
849 /* Perhaps CRASH isn't the best name for this hypercall, but we use it to get a
850  * message out when we're crashing as well as elegant termination like powering
851  * off.
852  *
853  * Note that the Host always prefers that the Guest speak in physical addresses
854  * rather than virtual addresses, so we use __pa() here. */
855 static void lguest_power_off(void)
856 {
857         hcall(LHCALL_CRASH, __pa("Power down"), 0, 0);
858 }
859
860 /*
861  * Panicing.
862  *
863  * Don't.  But if you did, this is what happens.
864  */
865 static int lguest_panic(struct notifier_block *nb, unsigned long l, void *p)
866 {
867         hcall(LHCALL_CRASH, __pa(p), 0, 0);
868         /* The hcall won't return, but to keep gcc happy, we're "done". */
869         return NOTIFY_DONE;
870 }
871
872 static struct notifier_block paniced = {
873         .notifier_call = lguest_panic
874 };
875
876 /* Setting up memory is fairly easy. */
877 static __init char *lguest_memory_setup(void)
878 {
879         /* We do this here and not earlier because lockcheck barfs if we do it
880          * before start_kernel() */
881         atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &paniced);
882
883         /* The Linux bootloader header contains an "e820" memory map: the
884          * Launcher populated the first entry with our memory limit. */
885         add_memory_region(boot_params.e820_map[0].addr,
886                           boot_params.e820_map[0].size,
887                           boot_params.e820_map[0].type);
888
889         /* This string is for the boot messages. */
890         return "LGUEST";
891 }
892
893 /*G:050
894  * Patching (Powerfully Placating Performance Pedants)
895  *
896  * We have already seen that pv_ops structures let us replace simple
897  * native instructions with calls to the appropriate back end all throughout
898  * the kernel.  This allows the same kernel to run as a Guest and as a native
899  * kernel, but it's slow because of all the indirect branches.
900  *
901  * Remember that David Wheeler quote about "Any problem in computer science can
902  * be solved with another layer of indirection"?  The rest of that quote is
903  * "... But that usually will create another problem."  This is the first of
904  * those problems.
905  *
906  * Our current solution is to allow the paravirt back end to optionally patch
907  * over the indirect calls to replace them with something more efficient.  We
908  * patch the four most commonly called functions: disable interrupts, enable
909  * interrupts, restore interrupts and save interrupts.  We usually have 10
910  * bytes to patch into: the Guest versions of these operations are small enough
911  * that we can fit comfortably.
912  *
913  * First we need assembly templates of each of the patchable Guest operations,
914  * and these are in lguest_asm.S. */
915
916 /*G:060 We construct a table from the assembler templates: */
917 static const struct lguest_insns
918 {
919         const char *start, *end;
920 } lguest_insns[] = {
921         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_disable)] = { lgstart_cli, lgend_cli },
922         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_enable)] = { lgstart_sti, lgend_sti },
923         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.restore_fl)] = { lgstart_popf, lgend_popf },
924         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.save_fl)] = { lgstart_pushf, lgend_pushf },
925 };
926
927 /* Now our patch routine is fairly simple (based on the native one in
928  * paravirt.c).  If we have a replacement, we copy it in and return how much of
929  * the available space we used. */
930 static unsigned lguest_patch(u8 type, u16 clobber, void *ibuf,
931                              unsigned long addr, unsigned len)
932 {
933         unsigned int insn_len;
934
935         /* Don't do anything special if we don't have a replacement */
936         if (type >= ARRAY_SIZE(lguest_insns) || !lguest_insns[type].start)
937                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
938
939         insn_len = lguest_insns[type].end - lguest_insns[type].start;
940
941         /* Similarly if we can't fit replacement (shouldn't happen, but let's
942          * be thorough). */
943         if (len < insn_len)
944                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
945
946         /* Copy in our instructions. */
947         memcpy(ibuf, lguest_insns[type].start, insn_len);
948         return insn_len;
949 }
950
951 /*G:030 Once we get to lguest_init(), we know we're a Guest.  The pv_ops
952  * structures in the kernel provide points for (almost) every routine we have
953  * to override to avoid privileged instructions. */
954 __init void lguest_init(void *boot)
955 {
956         /* Copy boot parameters first: the Launcher put the physical location
957          * in %esi, and head.S converted that to a virtual address and handed
958          * it to us.  We use "__memcpy" because "memcpy" sometimes tries to do
959          * tricky things to go faster, and we're not ready for that. */
960         __memcpy(&boot_params, boot, PARAM_SIZE);
961         /* The boot parameters also tell us where the command-line is: save
962          * that, too. */
963         __memcpy(boot_command_line, __va(boot_params.hdr.cmd_line_ptr),
964                COMMAND_LINE_SIZE);
965
966         /* We're under lguest, paravirt is enabled, and we're running at
967          * privilege level 1, not 0 as normal. */
968         pv_info.name = "lguest";
969         pv_info.paravirt_enabled = 1;
970         pv_info.kernel_rpl = 1;
971
972         /* We set up all the lguest overrides for sensitive operations.  These
973          * are detailed with the operations themselves. */
974
975         /* interrupt-related operations */
976         pv_irq_ops.init_IRQ = lguest_init_IRQ;
977         pv_irq_ops.save_fl = save_fl;
978         pv_irq_ops.restore_fl = restore_fl;
979         pv_irq_ops.irq_disable = irq_disable;
980         pv_irq_ops.irq_enable = irq_enable;
981         pv_irq_ops.safe_halt = lguest_safe_halt;
982
983         /* init-time operations */
984         pv_init_ops.memory_setup = lguest_memory_setup;
985         pv_init_ops.patch = lguest_patch;
986
987         /* Intercepts of various cpu instructions */
988         pv_cpu_ops.load_gdt = lguest_load_gdt;
989         pv_cpu_ops.cpuid = lguest_cpuid;
990         pv_cpu_ops.load_idt = lguest_load_idt;
991         pv_cpu_ops.iret = lguest_iret;
992         pv_cpu_ops.load_esp0 = lguest_load_esp0;
993         pv_cpu_ops.load_tr_desc = lguest_load_tr_desc;
994         pv_cpu_ops.set_ldt = lguest_set_ldt;
995         pv_cpu_ops.load_tls = lguest_load_tls;
996         pv_cpu_ops.set_debugreg = lguest_set_debugreg;
997         pv_cpu_ops.clts = lguest_clts;
998         pv_cpu_ops.read_cr0 = lguest_read_cr0;
999         pv_cpu_ops.write_cr0 = lguest_write_cr0;
1000         pv_cpu_ops.read_cr4 = lguest_read_cr4;
1001         pv_cpu_ops.write_cr4 = lguest_write_cr4;
1002         pv_cpu_ops.write_gdt_entry = lguest_write_gdt_entry;
1003         pv_cpu_ops.write_idt_entry = lguest_write_idt_entry;
1004         pv_cpu_ops.wbinvd = lguest_wbinvd;
1005         pv_cpu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_cpu;
1006         pv_cpu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
1007
1008         /* pagetable management */
1009         pv_mmu_ops.write_cr3 = lguest_write_cr3;
1010         pv_mmu_ops.flush_tlb_user = lguest_flush_tlb_user;
1011         pv_mmu_ops.flush_tlb_single = lguest_flush_tlb_single;
1012         pv_mmu_ops.flush_tlb_kernel = lguest_flush_tlb_kernel;
1013         pv_mmu_ops.set_pte = lguest_set_pte;
1014         pv_mmu_ops.set_pte_at = lguest_set_pte_at;
1015         pv_mmu_ops.set_pmd = lguest_set_pmd;
1016         pv_mmu_ops.read_cr2 = lguest_read_cr2;
1017         pv_mmu_ops.read_cr3 = lguest_read_cr3;
1018         pv_mmu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_mmu;
1019         pv_mmu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
1020
1021 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
1022         /* apic read/write intercepts */
1023         pv_apic_ops.apic_write = lguest_apic_write;
1024         pv_apic_ops.apic_write_atomic = lguest_apic_write;
1025         pv_apic_ops.apic_read = lguest_apic_read;
1026 #endif
1027
1028         /* time operations */
1029         pv_time_ops.get_wallclock = lguest_get_wallclock;
1030         pv_time_ops.time_init = lguest_time_init;
1031
1032         /* Now is a good time to look at the implementations of these functions
1033          * before returning to the rest of lguest_init(). */
1034
1035         /*G:070 Now we've seen all the paravirt_ops, we return to
1036          * lguest_init() where the rest of the fairly chaotic boot setup
1037          * occurs. */
1038
1039         /* The native boot code sets up initial page tables immediately after
1040          * the kernel itself, and sets init_pg_tables_end so they're not
1041          * clobbered.  The Launcher places our initial pagetables somewhere at
1042          * the top of our physical memory, so we don't need extra space: set
1043          * init_pg_tables_end to the end of the kernel. */
1044         init_pg_tables_end = __pa(pg0);
1045
1046         /* Load the %fs segment register (the per-cpu segment register) with
1047          * the normal data segment to get through booting. */
1048         asm volatile ("mov %0, %%fs" : : "r" (__KERNEL_DS) : "memory");
1049
1050         /* Clear the part of the kernel data which is expected to be zero.
1051          * Normally it will be anyway, but if we're loading from a bzImage with
1052          * CONFIG_RELOCATALE=y, the relocations will be sitting here. */
1053         memset(__bss_start, 0, __bss_stop - __bss_start);
1054
1055         /* The Host uses the top of the Guest's virtual address space for the
1056          * Host<->Guest Switcher, and it tells us how much it needs in
1057          * lguest_data.reserve_mem, set up on the LGUEST_INIT hypercall. */
1058         reserve_top_address(lguest_data.reserve_mem);
1059
1060         /* If we don't initialize the lock dependency checker now, it crashes
1061          * paravirt_disable_iospace. */
1062         lockdep_init();
1063
1064         /* The IDE code spends about 3 seconds probing for disks: if we reserve
1065          * all the I/O ports up front it can't get them and so doesn't probe.
1066          * Other device drivers are similar (but less severe).  This cuts the
1067          * kernel boot time on my machine from 4.1 seconds to 0.45 seconds. */
1068         paravirt_disable_iospace();
1069
1070         /* This is messy CPU setup stuff which the native boot code does before
1071          * start_kernel, so we have to do, too: */
1072         cpu_detect(&new_cpu_data);
1073         /* head.S usually sets up the first capability word, so do it here. */
1074         new_cpu_data.x86_capability[0] = cpuid_edx(1);
1075
1076         /* Math is always hard! */
1077         new_cpu_data.hard_math = 1;
1078
1079 #ifdef CONFIG_X86_MCE
1080         mce_disabled = 1;
1081 #endif
1082 #ifdef CONFIG_ACPI
1083         acpi_disabled = 1;
1084         acpi_ht = 0;
1085 #endif
1086
1087         /* We set the perferred console to "hvc".  This is the "hypervisor
1088          * virtual console" driver written by the PowerPC people, which we also
1089          * adapted for lguest's use. */
1090         add_preferred_console("hvc", 0, NULL);
1091
1092         /* Last of all, we set the power management poweroff hook to point to
1093          * the Guest routine to power off. */
1094         pm_power_off = lguest_power_off;
1095
1096         /* Now we're set up, call start_kernel() in init/main.c and we proceed
1097          * to boot as normal.  It never returns. */
1098         start_kernel();
1099 }
1100 /*
1101  * This marks the end of stage II of our journey, The Guest.
1102  *
1103  * It is now time for us to explore the nooks and crannies of the three Guest
1104  * devices and complete our understanding of the Guest in "make Drivers".
1105  */