x86/lguest: fix pgdir pmd index calculation
[sfrench/cifs-2.6.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/virtio_console.h>
59 #include <linux/pm.h>
60 #include <asm/lguest.h>
61 #include <asm/paravirt.h>
62 #include <asm/param.h>
63 #include <asm/page.h>
64 #include <asm/pgtable.h>
65 #include <asm/desc.h>
66 #include <asm/setup.h>
67 #include <asm/e820.h>
68 #include <asm/mce.h>
69 #include <asm/io.h>
70 #include <asm/i387.h>
71 #include <asm/reboot.h>         /* for struct machine_ops */
72
73 /*G:010 Welcome to the Guest!
74  *
75  * The Guest in our tale is a simple creature: identical to the Host but
76  * behaving in simplified but equivalent ways.  In particular, the Guest is the
77  * same kernel as the Host (or at least, built from the same source code). :*/
78
79 struct lguest_data lguest_data = {
80         .hcall_status = { [0 ... LHCALL_RING_SIZE-1] = 0xFF },
81         .noirq_start = (u32)lguest_noirq_start,
82         .noirq_end = (u32)lguest_noirq_end,
83         .kernel_address = PAGE_OFFSET,
84         .blocked_interrupts = { 1 }, /* Block timer interrupts */
85         .syscall_vec = SYSCALL_VECTOR,
86 };
87 static cycle_t clock_base;
88
89 /*G:037 async_hcall() is pretty simple: I'm quite proud of it really.  We have a
90  * ring buffer of stored hypercalls which the Host will run though next time we
91  * do a normal hypercall.  Each entry in the ring has 4 slots for the hypercall
92  * arguments, and a "hcall_status" word which is 0 if the call is ready to go,
93  * and 255 once the Host has finished with it.
94  *
95  * If we come around to a slot which hasn't been finished, then the table is
96  * full and we just make the hypercall directly.  This has the nice side
97  * effect of causing the Host to run all the stored calls in the ring buffer
98  * which empties it for next time! */
99 static void async_hcall(unsigned long call, unsigned long arg1,
100                         unsigned long arg2, unsigned long arg3)
101 {
102         /* Note: This code assumes we're uniprocessor. */
103         static unsigned int next_call;
104         unsigned long flags;
105
106         /* Disable interrupts if not already disabled: we don't want an
107          * interrupt handler making a hypercall while we're already doing
108          * one! */
109         local_irq_save(flags);
110         if (lguest_data.hcall_status[next_call] != 0xFF) {
111                 /* Table full, so do normal hcall which will flush table. */
112                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
113         } else {
114                 lguest_data.hcalls[next_call].arg0 = call;
115                 lguest_data.hcalls[next_call].arg1 = arg1;
116                 lguest_data.hcalls[next_call].arg2 = arg2;
117                 lguest_data.hcalls[next_call].arg3 = arg3;
118                 /* Arguments must all be written before we mark it to go */
119                 wmb();
120                 lguest_data.hcall_status[next_call] = 0;
121                 if (++next_call == LHCALL_RING_SIZE)
122                         next_call = 0;
123         }
124         local_irq_restore(flags);
125 }
126
127 /*G:035 Notice the lazy_hcall() above, rather than hcall().  This is our first
128  * real optimization trick!
129  *
130  * When lazy_mode is set, it means we're allowed to defer all hypercalls and do
131  * them as a batch when lazy_mode is eventually turned off.  Because hypercalls
132  * are reasonably expensive, batching them up makes sense.  For example, a
133  * large munmap might update dozens of page table entries: that code calls
134  * paravirt_enter_lazy_mmu(), does the dozen updates, then calls
135  * lguest_leave_lazy_mode().
136  *
137  * So, when we're in lazy mode, we call async_hcall() to store the call for
138  * future processing. */
139 static void lazy_hcall(unsigned long call,
140                        unsigned long arg1,
141                        unsigned long arg2,
142                        unsigned long arg3)
143 {
144         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
145                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
146         else
147                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3);
148 }
149
150 /* When lazy mode is turned off reset the per-cpu lazy mode variable and then
151  * issue a hypercall to flush any stored calls. */
152 static void lguest_leave_lazy_mode(void)
153 {
154         paravirt_leave_lazy(paravirt_get_lazy_mode());
155         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0);
156 }
157
158 /*G:033
159  * After that diversion we return to our first native-instruction
160  * replacements: four functions for interrupt control.
161  *
162  * The simplest way of implementing these would be to have "turn interrupts
163  * off" and "turn interrupts on" hypercalls.  Unfortunately, this is too slow:
164  * these are by far the most commonly called functions of those we override.
165  *
166  * So instead we keep an "irq_enabled" field inside our "struct lguest_data",
167  * which the Guest can update with a single instruction.  The Host knows to
168  * check there when it wants to deliver an interrupt.
169  */
170
171 /* save_flags() is expected to return the processor state (ie. "flags").  The
172  * flags word contains all kind of stuff, but in practice Linux only cares
173  * about the interrupt flag.  Our "save_flags()" just returns that. */
174 static unsigned long save_fl(void)
175 {
176         return lguest_data.irq_enabled;
177 }
178
179 /* restore_flags() just sets the flags back to the value given. */
180 static void restore_fl(unsigned long flags)
181 {
182         lguest_data.irq_enabled = flags;
183 }
184
185 /* Interrupts go off... */
186 static void irq_disable(void)
187 {
188         lguest_data.irq_enabled = 0;
189 }
190
191 /* Interrupts go on... */
192 static void irq_enable(void)
193 {
194         lguest_data.irq_enabled = X86_EFLAGS_IF;
195 }
196 /*:*/
197 /*M:003 Note that we don't check for outstanding interrupts when we re-enable
198  * them (or when we unmask an interrupt).  This seems to work for the moment,
199  * since interrupts are rare and we'll just get the interrupt on the next timer
200  * tick, but when we turn on CONFIG_NO_HZ, we should revisit this.  One way
201  * would be to put the "irq_enabled" field in a page by itself, and have the
202  * Host write-protect it when an interrupt comes in when irqs are disabled.
203  * There will then be a page fault as soon as interrupts are re-enabled. :*/
204
205 /*G:034
206  * The Interrupt Descriptor Table (IDT).
207  *
208  * The IDT tells the processor what to do when an interrupt comes in.  Each
209  * entry in the table is a 64-bit descriptor: this holds the privilege level,
210  * address of the handler, and... well, who cares?  The Guest just asks the
211  * Host to make the change anyway, because the Host controls the real IDT.
212  */
213 static void lguest_write_idt_entry(gate_desc *dt,
214                                    int entrynum, const gate_desc *g)
215 {
216         u32 *desc = (u32 *)g;
217         /* Keep the local copy up to date. */
218         native_write_idt_entry(dt, entrynum, g);
219         /* Tell Host about this new entry. */
220         hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, entrynum, desc[0], desc[1]);
221 }
222
223 /* Changing to a different IDT is very rare: we keep the IDT up-to-date every
224  * time it is written, so we can simply loop through all entries and tell the
225  * Host about them. */
226 static void lguest_load_idt(const struct desc_ptr *desc)
227 {
228         unsigned int i;
229         struct desc_struct *idt = (void *)desc->address;
230
231         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
232                 hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, i, idt[i].a, idt[i].b);
233 }
234
235 /*
236  * The Global Descriptor Table.
237  *
238  * The Intel architecture defines another table, called the Global Descriptor
239  * Table (GDT).  You tell the CPU where it is (and its size) using the "lgdt"
240  * instruction, and then several other instructions refer to entries in the
241  * table.  There are three entries which the Switcher needs, so the Host simply
242  * controls the entire thing and the Guest asks it to make changes using the
243  * LOAD_GDT hypercall.
244  *
245  * This is the opposite of the IDT code where we have a LOAD_IDT_ENTRY
246  * hypercall and use that repeatedly to load a new IDT.  I don't think it
247  * really matters, but wouldn't it be nice if they were the same?
248  */
249 static void lguest_load_gdt(const struct desc_ptr *desc)
250 {
251         BUG_ON((desc->size+1)/8 != GDT_ENTRIES);
252         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(desc->address), GDT_ENTRIES, 0);
253 }
254
255 /* For a single GDT entry which changes, we do the lazy thing: alter our GDT,
256  * then tell the Host to reload the entire thing.  This operation is so rare
257  * that this naive implementation is reasonable. */
258 static void lguest_write_gdt_entry(struct desc_struct *dt, int entrynum,
259                                    const void *desc, int type)
260 {
261         native_write_gdt_entry(dt, entrynum, desc, type);
262         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(dt), GDT_ENTRIES, 0);
263 }
264
265 /* OK, I lied.  There are three "thread local storage" GDT entries which change
266  * on every context switch (these three entries are how glibc implements
267  * __thread variables).  So we have a hypercall specifically for this case. */
268 static void lguest_load_tls(struct thread_struct *t, unsigned int cpu)
269 {
270         /* There's one problem which normal hardware doesn't have: the Host
271          * can't handle us removing entries we're currently using.  So we clear
272          * the GS register here: if it's needed it'll be reloaded anyway. */
273         loadsegment(gs, 0);
274         lazy_hcall(LHCALL_LOAD_TLS, __pa(&t->tls_array), cpu, 0);
275 }
276
277 /*G:038 That's enough excitement for now, back to ploughing through each of
278  * the different pv_ops structures (we're about 1/3 of the way through).
279  *
280  * This is the Local Descriptor Table, another weird Intel thingy.  Linux only
281  * uses this for some strange applications like Wine.  We don't do anything
282  * here, so they'll get an informative and friendly Segmentation Fault. */
283 static void lguest_set_ldt(const void *addr, unsigned entries)
284 {
285 }
286
287 /* This loads a GDT entry into the "Task Register": that entry points to a
288  * structure called the Task State Segment.  Some comments scattered though the
289  * kernel code indicate that this used for task switching in ages past, along
290  * with blood sacrifice and astrology.
291  *
292  * Now there's nothing interesting in here that we don't get told elsewhere.
293  * But the native version uses the "ltr" instruction, which makes the Host
294  * complain to the Guest about a Segmentation Fault and it'll oops.  So we
295  * override the native version with a do-nothing version. */
296 static void lguest_load_tr_desc(void)
297 {
298 }
299
300 /* The "cpuid" instruction is a way of querying both the CPU identity
301  * (manufacturer, model, etc) and its features.  It was introduced before the
302  * Pentium in 1993 and keeps getting extended by both Intel and AMD.  As you
303  * might imagine, after a decade and a half this treatment, it is now a giant
304  * ball of hair.  Its entry in the current Intel manual runs to 28 pages.
305  *
306  * This instruction even it has its own Wikipedia entry.  The Wikipedia entry
307  * has been translated into 4 languages.  I am not making this up!
308  *
309  * We could get funky here and identify ourselves as "GenuineLguest", but
310  * instead we just use the real "cpuid" instruction.  Then I pretty much turned
311  * off feature bits until the Guest booted.  (Don't say that: you'll damage
312  * lguest sales!)  Shut up, inner voice!  (Hey, just pointing out that this is
313  * hardly future proof.)  Noone's listening!  They don't like you anyway,
314  * parenthetic weirdo!
315  *
316  * Replacing the cpuid so we can turn features off is great for the kernel, but
317  * anyone (including userspace) can just use the raw "cpuid" instruction and
318  * the Host won't even notice since it isn't privileged.  So we try not to get
319  * too worked up about it. */
320 static void lguest_cpuid(unsigned int *ax, unsigned int *bx,
321                          unsigned int *cx, unsigned int *dx)
322 {
323         int function = *ax;
324
325         native_cpuid(ax, bx, cx, dx);
326         switch (function) {
327         case 1: /* Basic feature request. */
328                 /* We only allow kernel to see SSE3, CMPXCHG16B and SSSE3 */
329                 *cx &= 0x00002201;
330                 /* SSE, SSE2, FXSR, MMX, CMOV, CMPXCHG8B, FPU. */
331                 *dx &= 0x07808101;
332                 /* The Host can do a nice optimization if it knows that the
333                  * kernel mappings (addresses above 0xC0000000 or whatever
334                  * PAGE_OFFSET is set to) haven't changed.  But Linux calls
335                  * flush_tlb_user() for both user and kernel mappings unless
336                  * the Page Global Enable (PGE) feature bit is set. */
337                 *dx |= 0x00002000;
338                 break;
339         case 0x80000000:
340                 /* Futureproof this a little: if they ask how much extended
341                  * processor information there is, limit it to known fields. */
342                 if (*ax > 0x80000008)
343                         *ax = 0x80000008;
344                 break;
345         }
346 }
347
348 /* Intel has four control registers, imaginatively named cr0, cr2, cr3 and cr4.
349  * I assume there's a cr1, but it hasn't bothered us yet, so we'll not bother
350  * it.  The Host needs to know when the Guest wants to change them, so we have
351  * a whole series of functions like read_cr0() and write_cr0().
352  *
353  * We start with cr0.  cr0 allows you to turn on and off all kinds of basic
354  * features, but Linux only really cares about one: the horrifically-named Task
355  * Switched (TS) bit at bit 3 (ie. 8)
356  *
357  * What does the TS bit do?  Well, it causes the CPU to trap (interrupt 7) if
358  * the floating point unit is used.  Which allows us to restore FPU state
359  * lazily after a task switch, and Linux uses that gratefully, but wouldn't a
360  * name like "FPUTRAP bit" be a little less cryptic?
361  *
362  * We store cr0 (and cr3) locally, because the Host never changes it.  The
363  * Guest sometimes wants to read it and we'd prefer not to bother the Host
364  * unnecessarily. */
365 static unsigned long current_cr0, current_cr3;
366 static void lguest_write_cr0(unsigned long val)
367 {
368         lazy_hcall(LHCALL_TS, val & X86_CR0_TS, 0, 0);
369         current_cr0 = val;
370 }
371
372 static unsigned long lguest_read_cr0(void)
373 {
374         return current_cr0;
375 }
376
377 /* Intel provided a special instruction to clear the TS bit for people too cool
378  * to use write_cr0() to do it.  This "clts" instruction is faster, because all
379  * the vowels have been optimized out. */
380 static void lguest_clts(void)
381 {
382         lazy_hcall(LHCALL_TS, 0, 0, 0);
383         current_cr0 &= ~X86_CR0_TS;
384 }
385
386 /* cr2 is the virtual address of the last page fault, which the Guest only ever
387  * reads.  The Host kindly writes this into our "struct lguest_data", so we
388  * just read it out of there. */
389 static unsigned long lguest_read_cr2(void)
390 {
391         return lguest_data.cr2;
392 }
393
394 /* cr3 is the current toplevel pagetable page: the principle is the same as
395  * cr0.  Keep a local copy, and tell the Host when it changes. */
396 static void lguest_write_cr3(unsigned long cr3)
397 {
398         lazy_hcall(LHCALL_NEW_PGTABLE, cr3, 0, 0);
399         current_cr3 = cr3;
400 }
401
402 static unsigned long lguest_read_cr3(void)
403 {
404         return current_cr3;
405 }
406
407 /* cr4 is used to enable and disable PGE, but we don't care. */
408 static unsigned long lguest_read_cr4(void)
409 {
410         return 0;
411 }
412
413 static void lguest_write_cr4(unsigned long val)
414 {
415 }
416
417 /*
418  * Page Table Handling.
419  *
420  * Now would be a good time to take a rest and grab a coffee or similarly
421  * relaxing stimulant.  The easy parts are behind us, and the trek gradually
422  * winds uphill from here.
423  *
424  * Quick refresher: memory is divided into "pages" of 4096 bytes each.  The CPU
425  * maps virtual addresses to physical addresses using "page tables".  We could
426  * use one huge index of 1 million entries: each address is 4 bytes, so that's
427  * 1024 pages just to hold the page tables.   But since most virtual addresses
428  * are unused, we use a two level index which saves space.  The cr3 register
429  * contains the physical address of the top level "page directory" page, which
430  * contains physical addresses of up to 1024 second-level pages.  Each of these
431  * second level pages contains up to 1024 physical addresses of actual pages,
432  * or Page Table Entries (PTEs).
433  *
434  * Here's a diagram, where arrows indicate physical addresses:
435  *
436  * cr3 ---> +---------+
437  *          |      --------->+---------+
438  *          |         |      | PADDR1  |
439  *        Top-level   |      | PADDR2  |
440  *        (PMD) page  |      |         |
441  *          |         |    Lower-level |
442  *          |         |    (PTE) page  |
443  *          |         |      |         |
444  *            ....               ....
445  *
446  * So to convert a virtual address to a physical address, we look up the top
447  * level, which points us to the second level, which gives us the physical
448  * address of that page.  If the top level entry was not present, or the second
449  * level entry was not present, then the virtual address is invalid (we
450  * say "the page was not mapped").
451  *
452  * Put another way, a 32-bit virtual address is divided up like so:
453  *
454  *  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
455  * |<---- 10 bits ---->|<---- 10 bits ---->|<------ 12 bits ------>|
456  *    Index into top     Index into second      Offset within page
457  *  page directory page    pagetable page
458  *
459  * The kernel spends a lot of time changing both the top-level page directory
460  * and lower-level pagetable pages.  The Guest doesn't know physical addresses,
461  * so while it maintains these page tables exactly like normal, it also needs
462  * to keep the Host informed whenever it makes a change: the Host will create
463  * the real page tables based on the Guests'.
464  */
465
466 /* The Guest calls this to set a second-level entry (pte), ie. to map a page
467  * into a process' address space.  We set the entry then tell the Host the
468  * toplevel and address this corresponds to.  The Guest uses one pagetable per
469  * process, so we need to tell the Host which one we're changing (mm->pgd). */
470 static void lguest_set_pte_at(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
471                               pte_t *ptep, pte_t pteval)
472 {
473         *ptep = pteval;
474         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr, pteval.pte_low);
475 }
476
477 /* The Guest calls this to set a top-level entry.  Again, we set the entry then
478  * tell the Host which top-level page we changed, and the index of the entry we
479  * changed. */
480 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
481 {
482         *pmdp = pmdval;
483         lazy_hcall(LHCALL_SET_PMD, __pa(pmdp)&PAGE_MASK,
484                    (__pa(pmdp)&(PAGE_SIZE-1)), 0);
485 }
486
487 /* There are a couple of legacy places where the kernel sets a PTE, but we
488  * don't know the top level any more.  This is useless for us, since we don't
489  * know which pagetable is changing or what address, so we just tell the Host
490  * to forget all of them.  Fortunately, this is very rare.
491  *
492  * ... except in early boot when the kernel sets up the initial pagetables,
493  * which makes booting astonishingly slow.  So we don't even tell the Host
494  * anything changed until we've done the first page table switch. */
495 static void lguest_set_pte(pte_t *ptep, pte_t pteval)
496 {
497         *ptep = pteval;
498         /* Don't bother with hypercall before initial setup. */
499         if (current_cr3)
500                 lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
501 }
502
503 /* Unfortunately for Lguest, the pv_mmu_ops for page tables were based on
504  * native page table operations.  On native hardware you can set a new page
505  * table entry whenever you want, but if you want to remove one you have to do
506  * a TLB flush (a TLB is a little cache of page table entries kept by the CPU).
507  *
508  * So the lguest_set_pte_at() and lguest_set_pmd() functions above are only
509  * called when a valid entry is written, not when it's removed (ie. marked not
510  * present).  Instead, this is where we come when the Guest wants to remove a
511  * page table entry: we tell the Host to set that entry to 0 (ie. the present
512  * bit is zero). */
513 static void lguest_flush_tlb_single(unsigned long addr)
514 {
515         /* Simply set it to zero: if it was not, it will fault back in. */
516         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, current_cr3, addr, 0);
517 }
518
519 /* This is what happens after the Guest has removed a large number of entries.
520  * This tells the Host that any of the page table entries for userspace might
521  * have changed, ie. virtual addresses below PAGE_OFFSET. */
522 static void lguest_flush_tlb_user(void)
523 {
524         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 0, 0, 0);
525 }
526
527 /* This is called when the kernel page tables have changed.  That's not very
528  * common (unless the Guest is using highmem, which makes the Guest extremely
529  * slow), so it's worth separating this from the user flushing above. */
530 static void lguest_flush_tlb_kernel(void)
531 {
532         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
533 }
534
535 /*
536  * The Unadvanced Programmable Interrupt Controller.
537  *
538  * This is an attempt to implement the simplest possible interrupt controller.
539  * I spent some time looking though routines like set_irq_chip_and_handler,
540  * set_irq_chip_and_handler_name, set_irq_chip_data and set_phasers_to_stun and
541  * I *think* this is as simple as it gets.
542  *
543  * We can tell the Host what interrupts we want blocked ready for using the
544  * lguest_data.interrupts bitmap, so disabling (aka "masking") them is as
545  * simple as setting a bit.  We don't actually "ack" interrupts as such, we
546  * just mask and unmask them.  I wonder if we should be cleverer?
547  */
548 static void disable_lguest_irq(unsigned int irq)
549 {
550         set_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
551 }
552
553 static void enable_lguest_irq(unsigned int irq)
554 {
555         clear_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
556 }
557
558 /* This structure describes the lguest IRQ controller. */
559 static struct irq_chip lguest_irq_controller = {
560         .name           = "lguest",
561         .mask           = disable_lguest_irq,
562         .mask_ack       = disable_lguest_irq,
563         .unmask         = enable_lguest_irq,
564 };
565
566 /* This sets up the Interrupt Descriptor Table (IDT) entry for each hardware
567  * interrupt (except 128, which is used for system calls), and then tells the
568  * Linux infrastructure that each interrupt is controlled by our level-based
569  * lguest interrupt controller. */
570 static void __init lguest_init_IRQ(void)
571 {
572         unsigned int i;
573
574         for (i = 0; i < LGUEST_IRQS; i++) {
575                 int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
576                 if (vector != SYSCALL_VECTOR) {
577                         set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
578                         set_irq_chip_and_handler(i, &lguest_irq_controller,
579                                                  handle_level_irq);
580                 }
581         }
582         /* This call is required to set up for 4k stacks, where we have
583          * separate stacks for hard and soft interrupts. */
584         irq_ctx_init(smp_processor_id());
585 }
586
587 /*
588  * Time.
589  *
590  * It would be far better for everyone if the Guest had its own clock, but
591  * until then the Host gives us the time on every interrupt.
592  */
593 static unsigned long lguest_get_wallclock(void)
594 {
595         return lguest_data.time.tv_sec;
596 }
597
598 static cycle_t lguest_clock_read(void)
599 {
600         unsigned long sec, nsec;
601
602         /* If the Host tells the TSC speed, we can trust that. */
603         if (lguest_data.tsc_khz)
604                 return native_read_tsc();
605
606         /* If we can't use the TSC, we read the time value written by the Host.
607          * Since it's in two parts (seconds and nanoseconds), we risk reading
608          * it just as it's changing from 99 & 0.999999999 to 100 and 0, and
609          * getting 99 and 0.  As Linux tends to come apart under the stress of
610          * time travel, we must be careful: */
611         do {
612                 /* First we read the seconds part. */
613                 sec = lguest_data.time.tv_sec;
614                 /* This read memory barrier tells the compiler and the CPU that
615                  * this can't be reordered: we have to complete the above
616                  * before going on. */
617                 rmb();
618                 /* Now we read the nanoseconds part. */
619                 nsec = lguest_data.time.tv_nsec;
620                 /* Make sure we've done that. */
621                 rmb();
622                 /* Now if the seconds part has changed, try again. */
623         } while (unlikely(lguest_data.time.tv_sec != sec));
624
625         /* Our non-TSC clock is in real nanoseconds. */
626         return sec*1000000000ULL + nsec;
627 }
628
629 /* This is what we tell the kernel is our clocksource.  */
630 static struct clocksource lguest_clock = {
631         .name           = "lguest",
632         .rating         = 400,
633         .read           = lguest_clock_read,
634         .mask           = CLOCKSOURCE_MASK(64),
635         .mult           = 1 << 22,
636         .shift          = 22,
637         .flags          = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
638 };
639
640 /* The "scheduler clock" is just our real clock, adjusted to start at zero */
641 static unsigned long long lguest_sched_clock(void)
642 {
643         return cyc2ns(&lguest_clock, lguest_clock_read() - clock_base);
644 }
645
646 /* We also need a "struct clock_event_device": Linux asks us to set it to go
647  * off some time in the future.  Actually, James Morris figured all this out, I
648  * just applied the patch. */
649 static int lguest_clockevent_set_next_event(unsigned long delta,
650                                            struct clock_event_device *evt)
651 {
652         if (delta < LG_CLOCK_MIN_DELTA) {
653                 if (printk_ratelimit())
654                         printk(KERN_DEBUG "%s: small delta %lu ns\n",
655                                __FUNCTION__, delta);
656                 return -ETIME;
657         }
658         hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, delta, 0, 0);
659         return 0;
660 }
661
662 static void lguest_clockevent_set_mode(enum clock_event_mode mode,
663                                       struct clock_event_device *evt)
664 {
665         switch (mode) {
666         case CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
667         case CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
668                 /* A 0 argument shuts the clock down. */
669                 hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, 0, 0, 0);
670                 break;
671         case CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
672                 /* This is what we expect. */
673                 break;
674         case CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
675                 BUG();
676         case CLOCK_EVT_MODE_RESUME:
677                 break;
678         }
679 }
680
681 /* This describes our primitive timer chip. */
682 static struct clock_event_device lguest_clockevent = {
683         .name                   = "lguest",
684         .features               = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
685         .set_next_event         = lguest_clockevent_set_next_event,
686         .set_mode               = lguest_clockevent_set_mode,
687         .rating                 = INT_MAX,
688         .mult                   = 1,
689         .shift                  = 0,
690         .min_delta_ns           = LG_CLOCK_MIN_DELTA,
691         .max_delta_ns           = LG_CLOCK_MAX_DELTA,
692 };
693
694 /* This is the Guest timer interrupt handler (hardware interrupt 0).  We just
695  * call the clockevent infrastructure and it does whatever needs doing. */
696 static void lguest_time_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
697 {
698         unsigned long flags;
699
700         /* Don't interrupt us while this is running. */
701         local_irq_save(flags);
702         lguest_clockevent.event_handler(&lguest_clockevent);
703         local_irq_restore(flags);
704 }
705
706 /* At some point in the boot process, we get asked to set up our timing
707  * infrastructure.  The kernel doesn't expect timer interrupts before this, but
708  * we cleverly initialized the "blocked_interrupts" field of "struct
709  * lguest_data" so that timer interrupts were blocked until now. */
710 static void lguest_time_init(void)
711 {
712         /* Set up the timer interrupt (0) to go to our simple timer routine */
713         set_irq_handler(0, lguest_time_irq);
714
715         /* Our clock structure looks like arch/x86/kernel/tsc_32.c if we can
716          * use the TSC, otherwise it's a dumb nanosecond-resolution clock.
717          * Either way, the "rating" is set so high that it's always chosen over
718          * any other clocksource. */
719         if (lguest_data.tsc_khz)
720                 lguest_clock.mult = clocksource_khz2mult(lguest_data.tsc_khz,
721                                                          lguest_clock.shift);
722         clock_base = lguest_clock_read();
723         clocksource_register(&lguest_clock);
724
725         /* Now we've set up our clock, we can use it as the scheduler clock */
726         pv_time_ops.sched_clock = lguest_sched_clock;
727
728         /* We can't set cpumask in the initializer: damn C limitations!  Set it
729          * here and register our timer device. */
730         lguest_clockevent.cpumask = cpumask_of_cpu(0);
731         clockevents_register_device(&lguest_clockevent);
732
733         /* Finally, we unblock the timer interrupt. */
734         enable_lguest_irq(0);
735 }
736
737 /*
738  * Miscellaneous bits and pieces.
739  *
740  * Here is an oddball collection of functions which the Guest needs for things
741  * to work.  They're pretty simple.
742  */
743
744 /* The Guest needs to tell the Host what stack it expects traps to use.  For
745  * native hardware, this is part of the Task State Segment mentioned above in
746  * lguest_load_tr_desc(), but to help hypervisors there's this special call.
747  *
748  * We tell the Host the segment we want to use (__KERNEL_DS is the kernel data
749  * segment), the privilege level (we're privilege level 1, the Host is 0 and
750  * will not tolerate us trying to use that), the stack pointer, and the number
751  * of pages in the stack. */
752 static void lguest_load_sp0(struct tss_struct *tss,
753                                      struct thread_struct *thread)
754 {
755         lazy_hcall(LHCALL_SET_STACK, __KERNEL_DS|0x1, thread->sp0,
756                    THREAD_SIZE/PAGE_SIZE);
757 }
758
759 /* Let's just say, I wouldn't do debugging under a Guest. */
760 static void lguest_set_debugreg(int regno, unsigned long value)
761 {
762         /* FIXME: Implement */
763 }
764
765 /* There are times when the kernel wants to make sure that no memory writes are
766  * caught in the cache (that they've all reached real hardware devices).  This
767  * doesn't matter for the Guest which has virtual hardware.
768  *
769  * On the Pentium 4 and above, cpuid() indicates that the Cache Line Flush
770  * (clflush) instruction is available and the kernel uses that.  Otherwise, it
771  * uses the older "Write Back and Invalidate Cache" (wbinvd) instruction.
772  * Unlike clflush, wbinvd can only be run at privilege level 0.  So we can
773  * ignore clflush, but replace wbinvd.
774  */
775 static void lguest_wbinvd(void)
776 {
777 }
778
779 /* If the Guest expects to have an Advanced Programmable Interrupt Controller,
780  * we play dumb by ignoring writes and returning 0 for reads.  So it's no
781  * longer Programmable nor Controlling anything, and I don't think 8 lines of
782  * code qualifies for Advanced.  It will also never interrupt anything.  It
783  * does, however, allow us to get through the Linux boot code. */
784 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
785 static void lguest_apic_write(unsigned long reg, u32 v)
786 {
787 }
788
789 static u32 lguest_apic_read(unsigned long reg)
790 {
791         return 0;
792 }
793 #endif
794
795 /* STOP!  Until an interrupt comes in. */
796 static void lguest_safe_halt(void)
797 {
798         hcall(LHCALL_HALT, 0, 0, 0);
799 }
800
801 /* Perhaps CRASH isn't the best name for this hypercall, but we use it to get a
802  * message out when we're crashing as well as elegant termination like powering
803  * off.
804  *
805  * Note that the Host always prefers that the Guest speak in physical addresses
806  * rather than virtual addresses, so we use __pa() here. */
807 static void lguest_power_off(void)
808 {
809         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa("Power down"), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0);
810 }
811
812 /*
813  * Panicing.
814  *
815  * Don't.  But if you did, this is what happens.
816  */
817 static int lguest_panic(struct notifier_block *nb, unsigned long l, void *p)
818 {
819         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(p), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0);
820         /* The hcall won't return, but to keep gcc happy, we're "done". */
821         return NOTIFY_DONE;
822 }
823
824 static struct notifier_block paniced = {
825         .notifier_call = lguest_panic
826 };
827
828 /* Setting up memory is fairly easy. */
829 static __init char *lguest_memory_setup(void)
830 {
831         /* We do this here and not earlier because lockcheck barfs if we do it
832          * before start_kernel() */
833         atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &paniced);
834
835         /* The Linux bootloader header contains an "e820" memory map: the
836          * Launcher populated the first entry with our memory limit. */
837         add_memory_region(boot_params.e820_map[0].addr,
838                           boot_params.e820_map[0].size,
839                           boot_params.e820_map[0].type);
840
841         /* This string is for the boot messages. */
842         return "LGUEST";
843 }
844
845 /* We will eventually use the virtio console device to produce console output,
846  * but before that is set up we use LHCALL_NOTIFY on normal memory to produce
847  * console output. */
848 static __init int early_put_chars(u32 vtermno, const char *buf, int count)
849 {
850         char scratch[17];
851         unsigned int len = count;
852
853         /* We use a nul-terminated string, so we have to make a copy.  Icky,
854          * huh? */
855         if (len > sizeof(scratch) - 1)
856                 len = sizeof(scratch) - 1;
857         scratch[len] = '\0';
858         memcpy(scratch, buf, len);
859         hcall(LHCALL_NOTIFY, __pa(scratch), 0, 0);
860
861         /* This routine returns the number of bytes actually written. */
862         return len;
863 }
864
865 /*G:050
866  * Patching (Powerfully Placating Performance Pedants)
867  *
868  * We have already seen that pv_ops structures let us replace simple
869  * native instructions with calls to the appropriate back end all throughout
870  * the kernel.  This allows the same kernel to run as a Guest and as a native
871  * kernel, but it's slow because of all the indirect branches.
872  *
873  * Remember that David Wheeler quote about "Any problem in computer science can
874  * be solved with another layer of indirection"?  The rest of that quote is
875  * "... But that usually will create another problem."  This is the first of
876  * those problems.
877  *
878  * Our current solution is to allow the paravirt back end to optionally patch
879  * over the indirect calls to replace them with something more efficient.  We
880  * patch the four most commonly called functions: disable interrupts, enable
881  * interrupts, restore interrupts and save interrupts.  We usually have 6 or 10
882  * bytes to patch into: the Guest versions of these operations are small enough
883  * that we can fit comfortably.
884  *
885  * First we need assembly templates of each of the patchable Guest operations,
886  * and these are in lguest_asm.S. */
887
888 /*G:060 We construct a table from the assembler templates: */
889 static const struct lguest_insns
890 {
891         const char *start, *end;
892 } lguest_insns[] = {
893         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_disable)] = { lgstart_cli, lgend_cli },
894         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_enable)] = { lgstart_sti, lgend_sti },
895         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.restore_fl)] = { lgstart_popf, lgend_popf },
896         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.save_fl)] = { lgstart_pushf, lgend_pushf },
897 };
898
899 /* Now our patch routine is fairly simple (based on the native one in
900  * paravirt.c).  If we have a replacement, we copy it in and return how much of
901  * the available space we used. */
902 static unsigned lguest_patch(u8 type, u16 clobber, void *ibuf,
903                              unsigned long addr, unsigned len)
904 {
905         unsigned int insn_len;
906
907         /* Don't do anything special if we don't have a replacement */
908         if (type >= ARRAY_SIZE(lguest_insns) || !lguest_insns[type].start)
909                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
910
911         insn_len = lguest_insns[type].end - lguest_insns[type].start;
912
913         /* Similarly if we can't fit replacement (shouldn't happen, but let's
914          * be thorough). */
915         if (len < insn_len)
916                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
917
918         /* Copy in our instructions. */
919         memcpy(ibuf, lguest_insns[type].start, insn_len);
920         return insn_len;
921 }
922
923 static void lguest_restart(char *reason)
924 {
925         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(reason), LGUEST_SHUTDOWN_RESTART, 0);
926 }
927
928 /*G:030 Once we get to lguest_init(), we know we're a Guest.  The pv_ops
929  * structures in the kernel provide points for (almost) every routine we have
930  * to override to avoid privileged instructions. */
931 __init void lguest_init(void)
932 {
933         /* We're under lguest, paravirt is enabled, and we're running at
934          * privilege level 1, not 0 as normal. */
935         pv_info.name = "lguest";
936         pv_info.paravirt_enabled = 1;
937         pv_info.kernel_rpl = 1;
938
939         /* We set up all the lguest overrides for sensitive operations.  These
940          * are detailed with the operations themselves. */
941
942         /* interrupt-related operations */
943         pv_irq_ops.init_IRQ = lguest_init_IRQ;
944         pv_irq_ops.save_fl = save_fl;
945         pv_irq_ops.restore_fl = restore_fl;
946         pv_irq_ops.irq_disable = irq_disable;
947         pv_irq_ops.irq_enable = irq_enable;
948         pv_irq_ops.safe_halt = lguest_safe_halt;
949
950         /* init-time operations */
951         pv_init_ops.memory_setup = lguest_memory_setup;
952         pv_init_ops.patch = lguest_patch;
953
954         /* Intercepts of various cpu instructions */
955         pv_cpu_ops.load_gdt = lguest_load_gdt;
956         pv_cpu_ops.cpuid = lguest_cpuid;
957         pv_cpu_ops.load_idt = lguest_load_idt;
958         pv_cpu_ops.iret = lguest_iret;
959         pv_cpu_ops.load_sp0 = lguest_load_sp0;
960         pv_cpu_ops.load_tr_desc = lguest_load_tr_desc;
961         pv_cpu_ops.set_ldt = lguest_set_ldt;
962         pv_cpu_ops.load_tls = lguest_load_tls;
963         pv_cpu_ops.set_debugreg = lguest_set_debugreg;
964         pv_cpu_ops.clts = lguest_clts;
965         pv_cpu_ops.read_cr0 = lguest_read_cr0;
966         pv_cpu_ops.write_cr0 = lguest_write_cr0;
967         pv_cpu_ops.read_cr4 = lguest_read_cr4;
968         pv_cpu_ops.write_cr4 = lguest_write_cr4;
969         pv_cpu_ops.write_gdt_entry = lguest_write_gdt_entry;
970         pv_cpu_ops.write_idt_entry = lguest_write_idt_entry;
971         pv_cpu_ops.wbinvd = lguest_wbinvd;
972         pv_cpu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_cpu;
973         pv_cpu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
974
975         /* pagetable management */
976         pv_mmu_ops.write_cr3 = lguest_write_cr3;
977         pv_mmu_ops.flush_tlb_user = lguest_flush_tlb_user;
978         pv_mmu_ops.flush_tlb_single = lguest_flush_tlb_single;
979         pv_mmu_ops.flush_tlb_kernel = lguest_flush_tlb_kernel;
980         pv_mmu_ops.set_pte = lguest_set_pte;
981         pv_mmu_ops.set_pte_at = lguest_set_pte_at;
982         pv_mmu_ops.set_pmd = lguest_set_pmd;
983         pv_mmu_ops.read_cr2 = lguest_read_cr2;
984         pv_mmu_ops.read_cr3 = lguest_read_cr3;
985         pv_mmu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_mmu;
986         pv_mmu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
987
988 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
989         /* apic read/write intercepts */
990         pv_apic_ops.apic_write = lguest_apic_write;
991         pv_apic_ops.apic_write_atomic = lguest_apic_write;
992         pv_apic_ops.apic_read = lguest_apic_read;
993 #endif
994
995         /* time operations */
996         pv_time_ops.get_wallclock = lguest_get_wallclock;
997         pv_time_ops.time_init = lguest_time_init;
998
999         /* Now is a good time to look at the implementations of these functions
1000          * before returning to the rest of lguest_init(). */
1001
1002         /*G:070 Now we've seen all the paravirt_ops, we return to
1003          * lguest_init() where the rest of the fairly chaotic boot setup
1004          * occurs. */
1005
1006         /* The native boot code sets up initial page tables immediately after
1007          * the kernel itself, and sets init_pg_tables_end so they're not
1008          * clobbered.  The Launcher places our initial pagetables somewhere at
1009          * the top of our physical memory, so we don't need extra space: set
1010          * init_pg_tables_end to the end of the kernel. */
1011         init_pg_tables_end = __pa(pg0);
1012
1013         /* Load the %fs segment register (the per-cpu segment register) with
1014          * the normal data segment to get through booting. */
1015         asm volatile ("mov %0, %%fs" : : "r" (__KERNEL_DS) : "memory");
1016
1017         /* The Host uses the top of the Guest's virtual address space for the
1018          * Host<->Guest Switcher, and it tells us how big that is in
1019          * lguest_data.reserve_mem, set up on the LGUEST_INIT hypercall. */
1020         reserve_top_address(lguest_data.reserve_mem);
1021
1022         /* If we don't initialize the lock dependency checker now, it crashes
1023          * paravirt_disable_iospace. */
1024         lockdep_init();
1025
1026         /* The IDE code spends about 3 seconds probing for disks: if we reserve
1027          * all the I/O ports up front it can't get them and so doesn't probe.
1028          * Other device drivers are similar (but less severe).  This cuts the
1029          * kernel boot time on my machine from 4.1 seconds to 0.45 seconds. */
1030         paravirt_disable_iospace();
1031
1032         /* This is messy CPU setup stuff which the native boot code does before
1033          * start_kernel, so we have to do, too: */
1034         cpu_detect(&new_cpu_data);
1035         /* head.S usually sets up the first capability word, so do it here. */
1036         new_cpu_data.x86_capability[0] = cpuid_edx(1);
1037
1038         /* Math is always hard! */
1039         new_cpu_data.hard_math = 1;
1040
1041 #ifdef CONFIG_X86_MCE
1042         mce_disabled = 1;
1043 #endif
1044 #ifdef CONFIG_ACPI
1045         acpi_disabled = 1;
1046         acpi_ht = 0;
1047 #endif
1048
1049         /* We set the perferred console to "hvc".  This is the "hypervisor
1050          * virtual console" driver written by the PowerPC people, which we also
1051          * adapted for lguest's use. */
1052         add_preferred_console("hvc", 0, NULL);
1053
1054         /* Register our very early console. */
1055         virtio_cons_early_init(early_put_chars);
1056
1057         /* Last of all, we set the power management poweroff hook to point to
1058          * the Guest routine to power off. */
1059         pm_power_off = lguest_power_off;
1060
1061         machine_ops.restart = lguest_restart;
1062         /* Now we're set up, call start_kernel() in init/main.c and we proceed
1063          * to boot as normal.  It never returns. */
1064         start_kernel();
1065 }
1066 /*
1067  * This marks the end of stage II of our journey, The Guest.
1068  *
1069  * It is now time for us to explore the layer of virtual drivers and complete
1070  * our understanding of the Guest in "make Drivers".
1071  */