]> www.pilppa.org Git - linux-2.6-omap-h63xx.git/blob - arch/x86/lguest/boot.c
3a06b51c98ad7aac428aba56b2b933aaf1a8ee86
[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         .blocked_interrupts = { 1 }, /* Block timer interrupts */
90         .syscall_vec = SYSCALL_VECTOR,
91 };
92 static cycle_t clock_base;
93
94 /*G:035 Notice the lazy_hcall() above, rather than hcall().  This is our first
95  * real optimization trick!
96  *
97  * When lazy_mode is set, it means we're allowed to defer all hypercalls and do
98  * them as a batch when lazy_mode is eventually turned off.  Because hypercalls
99  * are reasonably expensive, batching them up makes sense.  For example, a
100  * large mmap might update dozens of page table entries: that code calls
101  * paravirt_enter_lazy_mmu(), does the dozen updates, then calls
102  * lguest_leave_lazy_mode().
103  *
104  * So, when we're in lazy mode, we call async_hypercall() to store the call for
105  * future processing.  When lazy mode is turned off we issue a hypercall to
106  * flush the stored calls.
107  */
108 static void lguest_leave_lazy_mode(void)
109 {
110         paravirt_leave_lazy(paravirt_get_lazy_mode());
111         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0);
112 }
113
114 static void lazy_hcall(unsigned long call,
115                        unsigned long arg1,
116                        unsigned long arg2,
117                        unsigned long arg3)
118 {
119         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
120                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
121         else
122                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3);
123 }
124
125 /* async_hcall() is pretty simple: I'm quite proud of it really.  We have a
126  * ring buffer of stored hypercalls which the Host will run though next time we
127  * do a normal hypercall.  Each entry in the ring has 4 slots for the hypercall
128  * arguments, and a "hcall_status" word which is 0 if the call is ready to go,
129  * and 255 once the Host has finished with it.
130  *
131  * If we come around to a slot which hasn't been finished, then the table is
132  * full and we just make the hypercall directly.  This has the nice side
133  * effect of causing the Host to run all the stored calls in the ring buffer
134  * which empties it for next time! */
135 void async_hcall(unsigned long call,
136                  unsigned long arg1, unsigned long arg2, unsigned long arg3)
137 {
138         /* Note: This code assumes we're uniprocessor. */
139         static unsigned int next_call;
140         unsigned long flags;
141
142         /* Disable interrupts if not already disabled: we don't want an
143          * interrupt handler making a hypercall while we're already doing
144          * one! */
145         local_irq_save(flags);
146         if (lguest_data.hcall_status[next_call] != 0xFF) {
147                 /* Table full, so do normal hcall which will flush table. */
148                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
149         } else {
150                 lguest_data.hcalls[next_call].arg0 = call;
151                 lguest_data.hcalls[next_call].arg1 = arg1;
152                 lguest_data.hcalls[next_call].arg2 = arg2;
153                 lguest_data.hcalls[next_call].arg3 = arg3;
154                 /* Arguments must all be written before we mark it to go */
155                 wmb();
156                 lguest_data.hcall_status[next_call] = 0;
157                 if (++next_call == LHCALL_RING_SIZE)
158                         next_call = 0;
159         }
160         local_irq_restore(flags);
161 }
162 /*:*/
163
164 /* Wrappers for the SEND_DMA and BIND_DMA hypercalls.  This is mainly because
165  * Jeff Garzik complained that __pa() should never appear in drivers, and this
166  * helps remove most of them.   But also, it wraps some ugliness. */
167 void lguest_send_dma(unsigned long key, struct lguest_dma *dma)
168 {
169         /* The hcall might not write this if something goes wrong */
170         dma->used_len = 0;
171         hcall(LHCALL_SEND_DMA, key, __pa(dma), 0);
172 }
173
174 int lguest_bind_dma(unsigned long key, struct lguest_dma *dmas,
175                     unsigned int num, u8 irq)
176 {
177         /* This is the only hypercall which actually wants 5 arguments, and we
178          * only support 4.  Fortunately the interrupt number is always less
179          * than 256, so we can pack it with the number of dmas in the final
180          * argument.  */
181         if (!hcall(LHCALL_BIND_DMA, key, __pa(dmas), (num << 8) | irq))
182                 return -ENOMEM;
183         return 0;
184 }
185
186 /* Unbinding is the same hypercall as binding, but with 0 num & irq. */
187 void lguest_unbind_dma(unsigned long key, struct lguest_dma *dmas)
188 {
189         hcall(LHCALL_BIND_DMA, key, __pa(dmas), 0);
190 }
191
192 /* For guests, device memory can be used as normal memory, so we cast away the
193  * __iomem to quieten sparse. */
194 void *lguest_map(unsigned long phys_addr, unsigned long pages)
195 {
196         return (__force void *)ioremap(phys_addr, PAGE_SIZE*pages);
197 }
198
199 void lguest_unmap(void *addr)
200 {
201         iounmap((__force void __iomem *)addr);
202 }
203
204 /*G:033
205  * Here are our first native-instruction replacements: four functions for
206  * interrupt control.
207  *
208  * The simplest way of implementing these would be to have "turn interrupts
209  * off" and "turn interrupts on" hypercalls.  Unfortunately, this is too slow:
210  * these are by far the most commonly called functions of those we override.
211  *
212  * So instead we keep an "irq_enabled" field inside our "struct lguest_data",
213  * which the Guest can update with a single instruction.  The Host knows to
214  * check there when it wants to deliver an interrupt.
215  */
216
217 /* save_flags() is expected to return the processor state (ie. "eflags").  The
218  * eflags word contains all kind of stuff, but in practice Linux only cares
219  * about the interrupt flag.  Our "save_flags()" just returns that. */
220 static unsigned long save_fl(void)
221 {
222         return lguest_data.irq_enabled;
223 }
224
225 /* "restore_flags" just sets the flags back to the value given. */
226 static void restore_fl(unsigned long flags)
227 {
228         lguest_data.irq_enabled = flags;
229 }
230
231 /* Interrupts go off... */
232 static void irq_disable(void)
233 {
234         lguest_data.irq_enabled = 0;
235 }
236
237 /* Interrupts go on... */
238 static void irq_enable(void)
239 {
240         lguest_data.irq_enabled = X86_EFLAGS_IF;
241 }
242 /*:*/
243 /*M:003 Note that we don't check for outstanding interrupts when we re-enable
244  * them (or when we unmask an interrupt).  This seems to work for the moment,
245  * since interrupts are rare and we'll just get the interrupt on the next timer
246  * tick, but when we turn on CONFIG_NO_HZ, we should revisit this.  One way
247  * would be to put the "irq_enabled" field in a page by itself, and have the
248  * Host write-protect it when an interrupt comes in when irqs are disabled.
249  * There will then be a page fault as soon as interrupts are re-enabled. :*/
250
251 /*G:034
252  * The Interrupt Descriptor Table (IDT).
253  *
254  * The IDT tells the processor what to do when an interrupt comes in.  Each
255  * entry in the table is a 64-bit descriptor: this holds the privilege level,
256  * address of the handler, and... well, who cares?  The Guest just asks the
257  * Host to make the change anyway, because the Host controls the real IDT.
258  */
259 static void lguest_write_idt_entry(struct desc_struct *dt,
260                                    int entrynum, u32 low, u32 high)
261 {
262         /* Keep the local copy up to date. */
263         write_dt_entry(dt, entrynum, low, high);
264         /* Tell Host about this new entry. */
265         hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, entrynum, low, high);
266 }
267
268 /* Changing to a different IDT is very rare: we keep the IDT up-to-date every
269  * time it is written, so we can simply loop through all entries and tell the
270  * Host about them. */
271 static void lguest_load_idt(const struct Xgt_desc_struct *desc)
272 {
273         unsigned int i;
274         struct desc_struct *idt = (void *)desc->address;
275
276         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
277                 hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, i, idt[i].a, idt[i].b);
278 }
279
280 /*
281  * The Global Descriptor Table.
282  *
283  * The Intel architecture defines another table, called the Global Descriptor
284  * Table (GDT).  You tell the CPU where it is (and its size) using the "lgdt"
285  * instruction, and then several other instructions refer to entries in the
286  * table.  There are three entries which the Switcher needs, so the Host simply
287  * controls the entire thing and the Guest asks it to make changes using the
288  * LOAD_GDT hypercall.
289  *
290  * This is the opposite of the IDT code where we have a LOAD_IDT_ENTRY
291  * hypercall and use that repeatedly to load a new IDT.  I don't think it
292  * really matters, but wouldn't it be nice if they were the same?
293  */
294 static void lguest_load_gdt(const struct Xgt_desc_struct *desc)
295 {
296         BUG_ON((desc->size+1)/8 != GDT_ENTRIES);
297         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(desc->address), GDT_ENTRIES, 0);
298 }
299
300 /* For a single GDT entry which changes, we do the lazy thing: alter our GDT,
301  * then tell the Host to reload the entire thing.  This operation is so rare
302  * that this naive implementation is reasonable. */
303 static void lguest_write_gdt_entry(struct desc_struct *dt,
304                                    int entrynum, u32 low, u32 high)
305 {
306         write_dt_entry(dt, entrynum, low, high);
307         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(dt), GDT_ENTRIES, 0);
308 }
309
310 /* OK, I lied.  There are three "thread local storage" GDT entries which change
311  * on every context switch (these three entries are how glibc implements
312  * __thread variables).  So we have a hypercall specifically for this case. */
313 static void lguest_load_tls(struct thread_struct *t, unsigned int cpu)
314 {
315         /* There's one problem which normal hardware doesn't have: the Host
316          * can't handle us removing entries we're currently using.  So we clear
317          * the GS register here: if it's needed it'll be reloaded anyway. */
318         loadsegment(gs, 0);
319         lazy_hcall(LHCALL_LOAD_TLS, __pa(&t->tls_array), cpu, 0);
320 }
321
322 /*G:038 That's enough excitement for now, back to ploughing through each of
323  * the different pv_ops structures (we're about 1/3 of the way through).
324  *
325  * This is the Local Descriptor Table, another weird Intel thingy.  Linux only
326  * uses this for some strange applications like Wine.  We don't do anything
327  * here, so they'll get an informative and friendly Segmentation Fault. */
328 static void lguest_set_ldt(const void *addr, unsigned entries)
329 {
330 }
331
332 /* This loads a GDT entry into the "Task Register": that entry points to a
333  * structure called the Task State Segment.  Some comments scattered though the
334  * kernel code indicate that this used for task switching in ages past, along
335  * with blood sacrifice and astrology.
336  *
337  * Now there's nothing interesting in here that we don't get told elsewhere.
338  * But the native version uses the "ltr" instruction, which makes the Host
339  * complain to the Guest about a Segmentation Fault and it'll oops.  So we
340  * override the native version with a do-nothing version. */
341 static void lguest_load_tr_desc(void)
342 {
343 }
344
345 /* The "cpuid" instruction is a way of querying both the CPU identity
346  * (manufacturer, model, etc) and its features.  It was introduced before the
347  * Pentium in 1993 and keeps getting extended by both Intel and AMD.  As you
348  * might imagine, after a decade and a half this treatment, it is now a giant
349  * ball of hair.  Its entry in the current Intel manual runs to 28 pages.
350  *
351  * This instruction even it has its own Wikipedia entry.  The Wikipedia entry
352  * has been translated into 4 languages.  I am not making this up!
353  *
354  * We could get funky here and identify ourselves as "GenuineLguest", but
355  * instead we just use the real "cpuid" instruction.  Then I pretty much turned
356  * off feature bits until the Guest booted.  (Don't say that: you'll damage
357  * lguest sales!)  Shut up, inner voice!  (Hey, just pointing out that this is
358  * hardly future proof.)  Noone's listening!  They don't like you anyway,
359  * parenthetic weirdo!
360  *
361  * Replacing the cpuid so we can turn features off is great for the kernel, but
362  * anyone (including userspace) can just use the raw "cpuid" instruction and
363  * the Host won't even notice since it isn't privileged.  So we try not to get
364  * too worked up about it. */
365 static void lguest_cpuid(unsigned int *eax, unsigned int *ebx,
366                          unsigned int *ecx, unsigned int *edx)
367 {
368         int function = *eax;
369
370         native_cpuid(eax, ebx, ecx, edx);
371         switch (function) {
372         case 1: /* Basic feature request. */
373                 /* We only allow kernel to see SSE3, CMPXCHG16B and SSSE3 */
374                 *ecx &= 0x00002201;
375                 /* SSE, SSE2, FXSR, MMX, CMOV, CMPXCHG8B, FPU. */
376                 *edx &= 0x07808101;
377                 /* The Host can do a nice optimization if it knows that the
378                  * kernel mappings (addresses above 0xC0000000 or whatever
379                  * PAGE_OFFSET is set to) haven't changed.  But Linux calls
380                  * flush_tlb_user() for both user and kernel mappings unless
381                  * the Page Global Enable (PGE) feature bit is set. */
382                 *edx |= 0x00002000;
383                 break;
384         case 0x80000000:
385                 /* Futureproof this a little: if they ask how much extended
386                  * processor information there is, limit it to known fields. */
387                 if (*eax > 0x80000008)
388                         *eax = 0x80000008;
389                 break;
390         }
391 }
392
393 /* Intel has four control registers, imaginatively named cr0, cr2, cr3 and cr4.
394  * I assume there's a cr1, but it hasn't bothered us yet, so we'll not bother
395  * it.  The Host needs to know when the Guest wants to change them, so we have
396  * a whole series of functions like read_cr0() and write_cr0().
397  *
398  * We start with CR0.  CR0 allows you to turn on and off all kinds of basic
399  * features, but Linux only really cares about one: the horrifically-named Task
400  * Switched (TS) bit at bit 3 (ie. 8)
401  *
402  * What does the TS bit do?  Well, it causes the CPU to trap (interrupt 7) if
403  * the floating point unit is used.  Which allows us to restore FPU state
404  * lazily after a task switch, and Linux uses that gratefully, but wouldn't a
405  * name like "FPUTRAP bit" be a little less cryptic?
406  *
407  * We store cr0 (and cr3) locally, because the Host never changes it.  The
408  * Guest sometimes wants to read it and we'd prefer not to bother the Host
409  * unnecessarily. */
410 static unsigned long current_cr0, current_cr3;
411 static void lguest_write_cr0(unsigned long val)
412 {
413         /* 8 == TS bit. */
414         lazy_hcall(LHCALL_TS, val & 8, 0, 0);
415         current_cr0 = val;
416 }
417
418 static unsigned long lguest_read_cr0(void)
419 {
420         return current_cr0;
421 }
422
423 /* Intel provided a special instruction to clear the TS bit for people too cool
424  * to use write_cr0() to do it.  This "clts" instruction is faster, because all
425  * the vowels have been optimized out. */
426 static void lguest_clts(void)
427 {
428         lazy_hcall(LHCALL_TS, 0, 0, 0);
429         current_cr0 &= ~8U;
430 }
431
432 /* CR2 is the virtual address of the last page fault, which the Guest only ever
433  * reads.  The Host kindly writes this into our "struct lguest_data", so we
434  * just read it out of there. */
435 static unsigned long lguest_read_cr2(void)
436 {
437         return lguest_data.cr2;
438 }
439
440 /* CR3 is the current toplevel pagetable page: the principle is the same as
441  * cr0.  Keep a local copy, and tell the Host when it changes. */
442 static void lguest_write_cr3(unsigned long cr3)
443 {
444         lazy_hcall(LHCALL_NEW_PGTABLE, cr3, 0, 0);
445         current_cr3 = cr3;
446 }
447
448 static unsigned long lguest_read_cr3(void)
449 {
450         return current_cr3;
451 }
452
453 /* CR4 is used to enable and disable PGE, but we don't care. */
454 static unsigned long lguest_read_cr4(void)
455 {
456         return 0;
457 }
458
459 static void lguest_write_cr4(unsigned long val)
460 {
461 }
462
463 /*
464  * Page Table Handling.
465  *
466  * Now would be a good time to take a rest and grab a coffee or similarly
467  * relaxing stimulant.  The easy parts are behind us, and the trek gradually
468  * winds uphill from here.
469  *
470  * Quick refresher: memory is divided into "pages" of 4096 bytes each.  The CPU
471  * maps virtual addresses to physical addresses using "page tables".  We could
472  * use one huge index of 1 million entries: each address is 4 bytes, so that's
473  * 1024 pages just to hold the page tables.   But since most virtual addresses
474  * are unused, we use a two level index which saves space.  The CR3 register
475  * contains the physical address of the top level "page directory" page, which
476  * contains physical addresses of up to 1024 second-level pages.  Each of these
477  * second level pages contains up to 1024 physical addresses of actual pages,
478  * or Page Table Entries (PTEs).
479  *
480  * Here's a diagram, where arrows indicate physical addresses:
481  *
482  * CR3 ---> +---------+
483  *          |      --------->+---------+
484  *          |         |      | PADDR1  |
485  *        Top-level   |      | PADDR2  |
486  *        (PMD) page  |      |         |
487  *          |         |    Lower-level |
488  *          |         |    (PTE) page  |
489  *          |         |      |         |
490  *            ....               ....
491  *
492  * So to convert a virtual address to a physical address, we look up the top
493  * level, which points us to the second level, which gives us the physical
494  * address of that page.  If the top level entry was not present, or the second
495  * level entry was not present, then the virtual address is invalid (we
496  * say "the page was not mapped").
497  *
498  * Put another way, a 32-bit virtual address is divided up like so:
499  *
500  *  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
501  * |<---- 10 bits ---->|<---- 10 bits ---->|<------ 12 bits ------>|
502  *    Index into top     Index into second      Offset within page
503  *  page directory page    pagetable page
504  *
505  * The kernel spends a lot of time changing both the top-level page directory
506  * and lower-level pagetable pages.  The Guest doesn't know physical addresses,
507  * so while it maintains these page tables exactly like normal, it also needs
508  * to keep the Host informed whenever it makes a change: the Host will create
509  * the real page tables based on the Guests'.
510  */
511
512 /* The Guest calls this to set a second-level entry (pte), ie. to map a page
513  * into a process' address space.  We set the entry then tell the Host the
514  * toplevel and address this corresponds to.  The Guest uses one pagetable per
515  * process, so we need to tell the Host which one we're changing (mm->pgd). */
516 static void lguest_set_pte_at(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
517                               pte_t *ptep, pte_t pteval)
518 {
519         *ptep = pteval;
520         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr, pteval.pte_low);
521 }
522
523 /* The Guest calls this to set a top-level entry.  Again, we set the entry then
524  * tell the Host which top-level page we changed, and the index of the entry we
525  * changed. */
526 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
527 {
528         *pmdp = pmdval;
529         lazy_hcall(LHCALL_SET_PMD, __pa(pmdp)&PAGE_MASK,
530                    (__pa(pmdp)&(PAGE_SIZE-1))/4, 0);
531 }
532
533 /* There are a couple of legacy places where the kernel sets a PTE, but we
534  * don't know the top level any more.  This is useless for us, since we don't
535  * know which pagetable is changing or what address, so we just tell the Host
536  * to forget all of them.  Fortunately, this is very rare.
537  *
538  * ... except in early boot when the kernel sets up the initial pagetables,
539  * which makes booting astonishingly slow.  So we don't even tell the Host
540  * anything changed until we've done the first page table switch.
541  */
542 static void lguest_set_pte(pte_t *ptep, pte_t pteval)
543 {
544         *ptep = pteval;
545         /* Don't bother with hypercall before initial setup. */
546         if (current_cr3)
547                 lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
548 }
549
550 /* Unfortunately for Lguest, the pv_mmu_ops for page tables were based on
551  * native page table operations.  On native hardware you can set a new page
552  * table entry whenever you want, but if you want to remove one you have to do
553  * a TLB flush (a TLB is a little cache of page table entries kept by the CPU).
554  *
555  * So the lguest_set_pte_at() and lguest_set_pmd() functions above are only
556  * called when a valid entry is written, not when it's removed (ie. marked not
557  * present).  Instead, this is where we come when the Guest wants to remove a
558  * page table entry: we tell the Host to set that entry to 0 (ie. the present
559  * bit is zero). */
560 static void lguest_flush_tlb_single(unsigned long addr)
561 {
562         /* Simply set it to zero: if it was not, it will fault back in. */
563         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, current_cr3, addr, 0);
564 }
565
566 /* This is what happens after the Guest has removed a large number of entries.
567  * This tells the Host that any of the page table entries for userspace might
568  * have changed, ie. virtual addresses below PAGE_OFFSET. */
569 static void lguest_flush_tlb_user(void)
570 {
571         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 0, 0, 0);
572 }
573
574 /* This is called when the kernel page tables have changed.  That's not very
575  * common (unless the Guest is using highmem, which makes the Guest extremely
576  * slow), so it's worth separating this from the user flushing above. */
577 static void lguest_flush_tlb_kernel(void)
578 {
579         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
580 }
581
582 /*
583  * The Unadvanced Programmable Interrupt Controller.
584  *
585  * This is an attempt to implement the simplest possible interrupt controller.
586  * I spent some time looking though routines like set_irq_chip_and_handler,
587  * set_irq_chip_and_handler_name, set_irq_chip_data and set_phasers_to_stun and
588  * I *think* this is as simple as it gets.
589  *
590  * We can tell the Host what interrupts we want blocked ready for using the
591  * lguest_data.interrupts bitmap, so disabling (aka "masking") them is as
592  * simple as setting a bit.  We don't actually "ack" interrupts as such, we
593  * just mask and unmask them.  I wonder if we should be cleverer?
594  */
595 static void disable_lguest_irq(unsigned int irq)
596 {
597         set_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
598 }
599
600 static void enable_lguest_irq(unsigned int irq)
601 {
602         clear_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
603 }
604
605 /* This structure describes the lguest IRQ controller. */
606 static struct irq_chip lguest_irq_controller = {
607         .name           = "lguest",
608         .mask           = disable_lguest_irq,
609         .mask_ack       = disable_lguest_irq,
610         .unmask         = enable_lguest_irq,
611 };
612
613 /* This sets up the Interrupt Descriptor Table (IDT) entry for each hardware
614  * interrupt (except 128, which is used for system calls), and then tells the
615  * Linux infrastructure that each interrupt is controlled by our level-based
616  * lguest interrupt controller. */
617 static void __init lguest_init_IRQ(void)
618 {
619         unsigned int i;
620
621         for (i = 0; i < LGUEST_IRQS; i++) {
622                 int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
623                 if (vector != SYSCALL_VECTOR) {
624                         set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
625                         set_irq_chip_and_handler(i, &lguest_irq_controller,
626                                                  handle_level_irq);
627                 }
628         }
629         /* This call is required to set up for 4k stacks, where we have
630          * separate stacks for hard and soft interrupts. */
631         irq_ctx_init(smp_processor_id());
632 }
633
634 /*
635  * Time.
636  *
637  * It would be far better for everyone if the Guest had its own clock, but
638  * until then the Host gives us the time on every interrupt.
639  */
640 static unsigned long lguest_get_wallclock(void)
641 {
642         return lguest_data.time.tv_sec;
643 }
644
645 static cycle_t lguest_clock_read(void)
646 {
647         unsigned long sec, nsec;
648
649         /* If the Host tells the TSC speed, we can trust that. */
650         if (lguest_data.tsc_khz)
651                 return native_read_tsc();
652
653         /* If we can't use the TSC, we read the time value written by the Host.
654          * Since it's in two parts (seconds and nanoseconds), we risk reading
655          * it just as it's changing from 99 & 0.999999999 to 100 and 0, and
656          * getting 99 and 0.  As Linux tends to come apart under the stress of
657          * time travel, we must be careful: */
658         do {
659                 /* First we read the seconds part. */
660                 sec = lguest_data.time.tv_sec;
661                 /* This read memory barrier tells the compiler and the CPU that
662                  * this can't be reordered: we have to complete the above
663                  * before going on. */
664                 rmb();
665                 /* Now we read the nanoseconds part. */
666                 nsec = lguest_data.time.tv_nsec;
667                 /* Make sure we've done that. */
668                 rmb();
669                 /* Now if the seconds part has changed, try again. */
670         } while (unlikely(lguest_data.time.tv_sec != sec));
671
672         /* Our non-TSC clock is in real nanoseconds. */
673         return sec*1000000000ULL + nsec;
674 }
675
676 /* This is what we tell the kernel is our clocksource.  */
677 static struct clocksource lguest_clock = {
678         .name           = "lguest",
679         .rating         = 400,
680         .read           = lguest_clock_read,
681         .mask           = CLOCKSOURCE_MASK(64),
682         .mult           = 1 << 22,
683         .shift          = 22,
684         .flags          = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
685 };
686
687 /* The "scheduler clock" is just our real clock, adjusted to start at zero */
688 static unsigned long long lguest_sched_clock(void)
689 {
690         return cyc2ns(&lguest_clock, lguest_clock_read() - clock_base);
691 }
692
693 /* We also need a "struct clock_event_device": Linux asks us to set it to go
694  * off some time in the future.  Actually, James Morris figured all this out, I
695  * just applied the patch. */
696 static int lguest_clockevent_set_next_event(unsigned long delta,
697                                            struct clock_event_device *evt)
698 {
699         if (delta < LG_CLOCK_MIN_DELTA) {
700                 if (printk_ratelimit())
701                         printk(KERN_DEBUG "%s: small delta %lu ns\n",
702                                __FUNCTION__, delta);
703                 return -ETIME;
704         }
705         hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, delta, 0, 0);
706         return 0;
707 }
708
709 static void lguest_clockevent_set_mode(enum clock_event_mode mode,
710                                       struct clock_event_device *evt)
711 {
712         switch (mode) {
713         case CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
714         case CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
715                 /* A 0 argument shuts the clock down. */
716                 hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, 0, 0, 0);
717                 break;
718         case CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
719                 /* This is what we expect. */
720                 break;
721         case CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
722                 BUG();
723         case CLOCK_EVT_MODE_RESUME:
724                 break;
725         }
726 }
727
728 /* This describes our primitive timer chip. */
729 static struct clock_event_device lguest_clockevent = {
730         .name                   = "lguest",
731         .features               = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
732         .set_next_event         = lguest_clockevent_set_next_event,
733         .set_mode               = lguest_clockevent_set_mode,
734         .rating                 = INT_MAX,
735         .mult                   = 1,
736         .shift                  = 0,
737         .min_delta_ns           = LG_CLOCK_MIN_DELTA,
738         .max_delta_ns           = LG_CLOCK_MAX_DELTA,
739 };
740
741 /* This is the Guest timer interrupt handler (hardware interrupt 0).  We just
742  * call the clockevent infrastructure and it does whatever needs doing. */
743 static void lguest_time_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
744 {
745         unsigned long flags;
746
747         /* Don't interrupt us while this is running. */
748         local_irq_save(flags);
749         lguest_clockevent.event_handler(&lguest_clockevent);
750         local_irq_restore(flags);
751 }
752
753 /* At some point in the boot process, we get asked to set up our timing
754  * infrastructure.  The kernel doesn't expect timer interrupts before this, but
755  * we cleverly initialized the "blocked_interrupts" field of "struct
756  * lguest_data" so that timer interrupts were blocked until now. */
757 static void lguest_time_init(void)
758 {
759         /* Set up the timer interrupt (0) to go to our simple timer routine */
760         set_irq_handler(0, lguest_time_irq);
761
762         /* Our clock structure look like arch/i386/kernel/tsc.c if we can use
763          * the TSC, otherwise it's a dumb nanosecond-resolution clock.  Either
764          * way, the "rating" is initialized so high that it's always chosen
765          * over any other clocksource. */
766         if (lguest_data.tsc_khz)
767                 lguest_clock.mult = clocksource_khz2mult(lguest_data.tsc_khz,
768                                                          lguest_clock.shift);
769         clock_base = lguest_clock_read();
770         clocksource_register(&lguest_clock);
771
772         /* Now we've set up our clock, we can use it as the scheduler clock */
773         pv_time_ops.sched_clock = lguest_sched_clock;
774
775         /* We can't set cpumask in the initializer: damn C limitations!  Set it
776          * here and register our timer device. */
777         lguest_clockevent.cpumask = cpumask_of_cpu(0);
778         clockevents_register_device(&lguest_clockevent);
779
780         /* Finally, we unblock the timer interrupt. */
781         enable_lguest_irq(0);
782 }
783
784 /*
785  * Miscellaneous bits and pieces.
786  *
787  * Here is an oddball collection of functions which the Guest needs for things
788  * to work.  They're pretty simple.
789  */
790
791 /* The Guest needs to tell the host what stack it expects traps to use.  For
792  * native hardware, this is part of the Task State Segment mentioned above in
793  * lguest_load_tr_desc(), but to help hypervisors there's this special call.
794  *
795  * We tell the Host the segment we want to use (__KERNEL_DS is the kernel data
796  * segment), the privilege level (we're privilege level 1, the Host is 0 and
797  * will not tolerate us trying to use that), the stack pointer, and the number
798  * of pages in the stack. */
799 static void lguest_load_esp0(struct tss_struct *tss,
800                                      struct thread_struct *thread)
801 {
802         lazy_hcall(LHCALL_SET_STACK, __KERNEL_DS|0x1, thread->esp0,
803                    THREAD_SIZE/PAGE_SIZE);
804 }
805
806 /* Let's just say, I wouldn't do debugging under a Guest. */
807 static void lguest_set_debugreg(int regno, unsigned long value)
808 {
809         /* FIXME: Implement */
810 }
811
812 /* There are times when the kernel wants to make sure that no memory writes are
813  * caught in the cache (that they've all reached real hardware devices).  This
814  * doesn't matter for the Guest which has virtual hardware.
815  *
816  * On the Pentium 4 and above, cpuid() indicates that the Cache Line Flush
817  * (clflush) instruction is available and the kernel uses that.  Otherwise, it
818  * uses the older "Write Back and Invalidate Cache" (wbinvd) instruction.
819  * Unlike clflush, wbinvd can only be run at privilege level 0.  So we can
820  * ignore clflush, but replace wbinvd.
821  */
822 static void lguest_wbinvd(void)
823 {
824 }
825
826 /* If the Guest expects to have an Advanced Programmable Interrupt Controller,
827  * we play dumb by ignoring writes and returning 0 for reads.  So it's no
828  * longer Programmable nor Controlling anything, and I don't think 8 lines of
829  * code qualifies for Advanced.  It will also never interrupt anything.  It
830  * does, however, allow us to get through the Linux boot code. */
831 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
832 static void lguest_apic_write(unsigned long reg, unsigned long v)
833 {
834 }
835
836 static unsigned long lguest_apic_read(unsigned long reg)
837 {
838         return 0;
839 }
840 #endif
841
842 /* STOP!  Until an interrupt comes in. */
843 static void lguest_safe_halt(void)
844 {
845         hcall(LHCALL_HALT, 0, 0, 0);
846 }
847
848 /* Perhaps CRASH isn't the best name for this hypercall, but we use it to get a
849  * message out when we're crashing as well as elegant termination like powering
850  * off.
851  *
852  * Note that the Host always prefers that the Guest speak in physical addresses
853  * rather than virtual addresses, so we use __pa() here. */
854 static void lguest_power_off(void)
855 {
856         hcall(LHCALL_CRASH, __pa("Power down"), 0, 0);
857 }
858
859 /*
860  * Panicing.
861  *
862  * Don't.  But if you did, this is what happens.
863  */
864 static int lguest_panic(struct notifier_block *nb, unsigned long l, void *p)
865 {
866         hcall(LHCALL_CRASH, __pa(p), 0, 0);
867         /* The hcall won't return, but to keep gcc happy, we're "done". */
868         return NOTIFY_DONE;
869 }
870
871 static struct notifier_block paniced = {
872         .notifier_call = lguest_panic
873 };
874
875 /* Setting up memory is fairly easy. */
876 static __init char *lguest_memory_setup(void)
877 {
878         /* We do this here and not earlier because lockcheck barfs if we do it
879          * before start_kernel() */
880         atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &paniced);
881
882         /* The Linux bootloader header contains an "e820" memory map: the
883          * Launcher populated the first entry with our memory limit. */
884         add_memory_region(boot_params.e820_map[0].addr,
885                           boot_params.e820_map[0].size,
886                           boot_params.e820_map[0].type);
887
888         /* This string is for the boot messages. */
889         return "LGUEST";
890 }
891
892 /*G:050
893  * Patching (Powerfully Placating Performance Pedants)
894  *
895  * We have already seen that pv_ops structures let us replace simple
896  * native instructions with calls to the appropriate back end all throughout
897  * the kernel.  This allows the same kernel to run as a Guest and as a native
898  * kernel, but it's slow because of all the indirect branches.
899  *
900  * Remember that David Wheeler quote about "Any problem in computer science can
901  * be solved with another layer of indirection"?  The rest of that quote is
902  * "... But that usually will create another problem."  This is the first of
903  * those problems.
904  *
905  * Our current solution is to allow the paravirt back end to optionally patch
906  * over the indirect calls to replace them with something more efficient.  We
907  * patch the four most commonly called functions: disable interrupts, enable
908  * interrupts, restore interrupts and save interrupts.  We usually have 10
909  * bytes to patch into: the Guest versions of these operations are small enough
910  * that we can fit comfortably.
911  *
912  * First we need assembly templates of each of the patchable Guest operations,
913  * and these are in lguest_asm.S. */
914
915 /*G:060 We construct a table from the assembler templates: */
916 static const struct lguest_insns
917 {
918         const char *start, *end;
919 } lguest_insns[] = {
920         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_disable)] = { lgstart_cli, lgend_cli },
921         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_enable)] = { lgstart_sti, lgend_sti },
922         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.restore_fl)] = { lgstart_popf, lgend_popf },
923         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.save_fl)] = { lgstart_pushf, lgend_pushf },
924 };
925
926 /* Now our patch routine is fairly simple (based on the native one in
927  * paravirt.c).  If we have a replacement, we copy it in and return how much of
928  * the available space we used. */
929 static unsigned lguest_patch(u8 type, u16 clobber, void *ibuf,
930                              unsigned long addr, unsigned len)
931 {
932         unsigned int insn_len;
933
934         /* Don't do anything special if we don't have a replacement */
935         if (type >= ARRAY_SIZE(lguest_insns) || !lguest_insns[type].start)
936                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
937
938         insn_len = lguest_insns[type].end - lguest_insns[type].start;
939
940         /* Similarly if we can't fit replacement (shouldn't happen, but let's
941          * be thorough). */
942         if (len < insn_len)
943                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
944
945         /* Copy in our instructions. */
946         memcpy(ibuf, lguest_insns[type].start, insn_len);
947         return insn_len;
948 }
949
950 /*G:030 Once we get to lguest_init(), we know we're a Guest.  The pv_ops
951  * structures in the kernel provide points for (almost) every routine we have
952  * to override to avoid privileged instructions. */
953 __init void lguest_init(void *boot)
954 {
955         /* Copy boot parameters first: the Launcher put the physical location
956          * in %esi, and head.S converted that to a virtual address and handed
957          * it to us.  We use "__memcpy" because "memcpy" sometimes tries to do
958          * tricky things to go faster, and we're not ready for that. */
959         __memcpy(&boot_params, boot, PARAM_SIZE);
960         /* The boot parameters also tell us where the command-line is: save
961          * that, too. */
962         __memcpy(boot_command_line, __va(boot_params.hdr.cmd_line_ptr),
963                COMMAND_LINE_SIZE);
964
965         /* We're under lguest, paravirt is enabled, and we're running at
966          * privilege level 1, not 0 as normal. */
967         pv_info.name = "lguest";
968         pv_info.paravirt_enabled = 1;
969         pv_info.kernel_rpl = 1;
970
971         /* We set up all the lguest overrides for sensitive operations.  These
972          * are detailed with the operations themselves. */
973
974         /* interrupt-related operations */
975         pv_irq_ops.init_IRQ = lguest_init_IRQ;
976         pv_irq_ops.save_fl = save_fl;
977         pv_irq_ops.restore_fl = restore_fl;
978         pv_irq_ops.irq_disable = irq_disable;
979         pv_irq_ops.irq_enable = irq_enable;
980         pv_irq_ops.safe_halt = lguest_safe_halt;
981
982         /* init-time operations */
983         pv_init_ops.memory_setup = lguest_memory_setup;
984         pv_init_ops.patch = lguest_patch;
985
986         /* Intercepts of various cpu instructions */
987         pv_cpu_ops.load_gdt = lguest_load_gdt;
988         pv_cpu_ops.cpuid = lguest_cpuid;
989         pv_cpu_ops.load_idt = lguest_load_idt;
990         pv_cpu_ops.iret = lguest_iret;
991         pv_cpu_ops.load_esp0 = lguest_load_esp0;
992         pv_cpu_ops.load_tr_desc = lguest_load_tr_desc;
993         pv_cpu_ops.set_ldt = lguest_set_ldt;
994         pv_cpu_ops.load_tls = lguest_load_tls;
995         pv_cpu_ops.set_debugreg = lguest_set_debugreg;
996         pv_cpu_ops.clts = lguest_clts;
997         pv_cpu_ops.read_cr0 = lguest_read_cr0;
998         pv_cpu_ops.write_cr0 = lguest_write_cr0;
999         pv_cpu_ops.read_cr4 = lguest_read_cr4;
1000         pv_cpu_ops.write_cr4 = lguest_write_cr4;
1001         pv_cpu_ops.write_gdt_entry = lguest_write_gdt_entry;
1002         pv_cpu_ops.write_idt_entry = lguest_write_idt_entry;
1003         pv_cpu_ops.wbinvd = lguest_wbinvd;
1004         pv_cpu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_cpu;
1005         pv_cpu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
1006
1007         /* pagetable management */
1008         pv_mmu_ops.write_cr3 = lguest_write_cr3;
1009         pv_mmu_ops.flush_tlb_user = lguest_flush_tlb_user;
1010         pv_mmu_ops.flush_tlb_single = lguest_flush_tlb_single;
1011         pv_mmu_ops.flush_tlb_kernel = lguest_flush_tlb_kernel;
1012         pv_mmu_ops.set_pte = lguest_set_pte;
1013         pv_mmu_ops.set_pte_at = lguest_set_pte_at;
1014         pv_mmu_ops.set_pmd = lguest_set_pmd;
1015         pv_mmu_ops.read_cr2 = lguest_read_cr2;
1016         pv_mmu_ops.read_cr3 = lguest_read_cr3;
1017         pv_mmu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_mmu;
1018         pv_mmu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
1019
1020 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
1021         /* apic read/write intercepts */
1022         pv_apic_ops.apic_write = lguest_apic_write;
1023         pv_apic_ops.apic_write_atomic = lguest_apic_write;
1024         pv_apic_ops.apic_read = lguest_apic_read;
1025 #endif
1026
1027         /* time operations */
1028         pv_time_ops.get_wallclock = lguest_get_wallclock;
1029         pv_time_ops.time_init = lguest_time_init;
1030
1031         /* Now is a good time to look at the implementations of these functions
1032          * before returning to the rest of lguest_init(). */
1033
1034         /*G:070 Now we've seen all the paravirt_ops, we return to
1035          * lguest_init() where the rest of the fairly chaotic boot setup
1036          * occurs.
1037          *
1038          * The Host expects our first hypercall to tell it where our "struct
1039          * lguest_data" is, so we do that first. */
1040         hcall(LHCALL_LGUEST_INIT, __pa(&lguest_data), 0, 0);
1041
1042         /* The native boot code sets up initial page tables immediately after
1043          * the kernel itself, and sets init_pg_tables_end so they're not
1044          * clobbered.  The Launcher places our initial pagetables somewhere at
1045          * the top of our physical memory, so we don't need extra space: set
1046          * init_pg_tables_end to the end of the kernel. */
1047         init_pg_tables_end = __pa(pg0);
1048
1049         /* Load the %fs segment register (the per-cpu segment register) with
1050          * the normal data segment to get through booting. */
1051         asm volatile ("mov %0, %%fs" : : "r" (__KERNEL_DS) : "memory");
1052
1053         /* Clear the part of the kernel data which is expected to be zero.
1054          * Normally it will be anyway, but if we're loading from a bzImage with
1055          * CONFIG_RELOCATALE=y, the relocations will be sitting here. */
1056         memset(__bss_start, 0, __bss_stop - __bss_start);
1057
1058         /* The Host uses the top of the Guest's virtual address space for the
1059          * Host<->Guest Switcher, and it tells us how much it needs in
1060          * lguest_data.reserve_mem, set up on the LGUEST_INIT hypercall. */
1061         reserve_top_address(lguest_data.reserve_mem);
1062
1063         /* If we don't initialize the lock dependency checker now, it crashes
1064          * paravirt_disable_iospace. */
1065         lockdep_init();
1066
1067         /* The IDE code spends about 3 seconds probing for disks: if we reserve
1068          * all the I/O ports up front it can't get them and so doesn't probe.
1069          * Other device drivers are similar (but less severe).  This cuts the
1070          * kernel boot time on my machine from 4.1 seconds to 0.45 seconds. */
1071         paravirt_disable_iospace();
1072
1073         /* This is messy CPU setup stuff which the native boot code does before
1074          * start_kernel, so we have to do, too: */
1075         cpu_detect(&new_cpu_data);
1076         /* head.S usually sets up the first capability word, so do it here. */
1077         new_cpu_data.x86_capability[0] = cpuid_edx(1);
1078
1079         /* Math is always hard! */
1080         new_cpu_data.hard_math = 1;
1081
1082 #ifdef CONFIG_X86_MCE
1083         mce_disabled = 1;
1084 #endif
1085 #ifdef CONFIG_ACPI
1086         acpi_disabled = 1;
1087         acpi_ht = 0;
1088 #endif
1089
1090         /* We set the perferred console to "hvc".  This is the "hypervisor
1091          * virtual console" driver written by the PowerPC people, which we also
1092          * adapted for lguest's use. */
1093         add_preferred_console("hvc", 0, NULL);
1094
1095         /* Last of all, we set the power management poweroff hook to point to
1096          * the Guest routine to power off. */
1097         pm_power_off = lguest_power_off;
1098
1099         /* Now we're set up, call start_kernel() in init/main.c and we proceed
1100          * to boot as normal.  It never returns. */
1101         start_kernel();
1102 }
1103 /*
1104  * This marks the end of stage II of our journey, The Guest.
1105  *
1106  * It is now time for us to explore the nooks and crannies of the three Guest
1107  * devices and complete our understanding of the Guest in "make Drivers".
1108  */