palacios/src/palacios/vmm_mem.c

   1 /*
   2  * This file is part of the Palacios Virtual Machine Monitor developed
   3  * by the V3VEE Project with funding from the United States National
   4  * Science Foundation and the Department of Energy.
   5  *
   6  * The V3VEE Project is a joint project between Northwestern University
   7  * and the University of New Mexico.  You can find out more at
   8  * http://www.v3vee.org
   9  *
  10  * Copyright (c) 2008, Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  11  * Copyright (c) 2008, The V3VEE Project <http://www.v3vee.org>
  12  * All rights reserved.
  13  *
  14  * Author: Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  15  *
  16  * This is free software.  You are permitted to use,
  17  * redistribute, and modify it as specified in the file "V3VEE_LICENSE".
  18  */
  19
  20 #include <palacios/vmm_mem.h>
  21 #include <palacios/vmm.h>
  22 #include <palacios/vmm_util.h>
  23 #include <palacios/vmm_emulator.h>
  24 #include <palacios/vm_guest.h>
  25
  26 #include <palacios/vmm_shadow_paging.h>
  27 #include <palacios/vmm_direct_paging.h>
  28
  29
  30
  31
  32 static int mem_offset_hypercall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * private_data) {
  33     PrintDebug("V3Vee: Memory offset hypercall (offset=%p)\n",
  34                (void *)(info->vm_info->mem_map.base_region.host_addr));
  35
  36     info->vm_regs.rbx = info->vm_info->mem_map.base_region.host_addr;
  37
  38     return 0;
  39 }
  40
  41 static int unhandled_err(struct guest_info * core, addr_t guest_va, addr_t guest_pa,
  42                          struct v3_mem_region * reg, pf_error_t access_info) {
  43
  44     PrintError("Unhandled memory access error (gpa=%p, gva=%p, error_code=%d)\n",
  45                (void *)guest_pa, (void *)guest_va, *(uint32_t *)&access_info);
  46
  47     v3_print_mem_map(core->vm_info);
  48
  49     v3_print_guest_state(core);
  50
  51     return -1;
  52 }
  53
  54 int v3_init_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
  55     struct v3_mem_map * map = &(vm->mem_map);
  56     addr_t mem_pages = vm->mem_size >> 12;
  57
  58     memset(&(map->base_region), 0, sizeof(struct v3_mem_region));
  59
  60     map->mem_regions.rb_node = NULL;
  61
  62     // There is an underlying region that contains all of the guest memory
  63     // PrintDebug("Mapping %d pages of memory (%u bytes)\n", (int)mem_pages, (uint_t)info->mem_size);
  64
  65     // 2MB page alignment needed for 2MB hardware nested paging
  66     map->base_region.guest_start = 0;
  67     map->base_region.guest_end = mem_pages * PAGE_SIZE_4KB;
  68
  69 #ifdef V3_CONFIG_ALIGNED_PG_ALLOC
  70     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocAlignedPages(mem_pages, vm->mem_align);
  71 #else
  72     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocPages(mem_pages);
  73 #endif
  74
  75     // Clear the memory...
  76     memset(V3_VAddr((void *)map->base_region.host_addr), 0, mem_pages * PAGE_SIZE_4KB);
  77
  78
  79     map->base_region.flags.read = 1;
  80     map->base_region.flags.write = 1;
  81     map->base_region.flags.exec = 1;
  82     map->base_region.flags.base = 1;
  83     map->base_region.flags.alloced = 1;
  84
  85     map->base_region.unhandled = unhandled_err;
  86
  87     if ((void *)map->base_region.host_addr == NULL) {
  88         PrintError("Could not allocate Guest memory\n");
  89         return -1;
  90     }
  91
  92     //memset(V3_VAddr((void *)map->base_region.host_addr), 0xffffffff, map->base_region.guest_end);
  93
  94     v3_register_hypercall(vm, MEM_OFFSET_HCALL, mem_offset_hypercall, NULL);
  95
  96     return 0;
  97 }
  98
  99
 100 void v3_delete_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
 101     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
 102     struct v3_mem_region * reg;
 103     struct rb_node * tmp_node = NULL;
 104     addr_t mem_pages = vm->mem_size >> 12;
 105
 106     while (node) {
 107         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 108         tmp_node = node;
 109         node = v3_rb_next(node);
 110
 111         v3_delete_mem_region(vm, reg);
 112     }
 113
 114     V3_FreePages((void *)(vm->mem_map.base_region.host_addr), mem_pages);
 115 }
 116
 117
 118 struct v3_mem_region * v3_create_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 119                                                addr_t guest_addr_start, addr_t guest_addr_end) {
 120     struct v3_mem_region * entry = NULL;
 121
 122     if (guest_addr_start >= guest_addr_end) {
 123         PrintError("Region start is after region end\n");
 124         return NULL;
 125     }
 126
 127     entry = (struct v3_mem_region *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_mem_region));
 128     memset(entry, 0, sizeof(struct v3_mem_region));
 129
 130     entry->guest_start = guest_addr_start;
 131     entry->guest_end = guest_addr_end;
 132     entry->core_id = core_id;
 133     entry->unhandled = unhandled_err;
 134
 135     return entry;
 136 }
 137
 138
 139
 140
 141 int v3_add_shadow_mem( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 142                        addr_t               guest_addr_start,
 143                        addr_t               guest_addr_end,
 144                        addr_t               host_addr)
 145 {
 146     struct v3_mem_region * entry = NULL;
 147
 148     entry = v3_create_mem_region(vm, core_id,
 149                                  guest_addr_start,
 150                                  guest_addr_end);
 151
 152     entry->host_addr = host_addr;
 153
 154     entry->flags.read = 1;
 155     entry->flags.write = 1;
 156     entry->flags.exec = 1;
 157     entry->flags.alloced = 1;
 158
 159     if (v3_insert_mem_region(vm, entry) == -1) {
 160         V3_Free(entry);
 161         return -1;
 162     }
 163
 164     return 0;
 165 }
 166
 167
 168
 169 static inline
 170 struct v3_mem_region * __insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm,
 171                                            struct v3_mem_region * region) {
 172     struct rb_node ** p = &(vm->mem_map.mem_regions.rb_node);
 173     struct rb_node * parent = NULL;
 174     struct v3_mem_region * tmp_region;
 175
 176     while (*p) {
 177         parent = *p;
 178         tmp_region = rb_entry(parent, struct v3_mem_region, tree_node);
 179
 180         if (region->guest_end <= tmp_region->guest_start) {
 181             p = &(*p)->rb_left;
 182         } else if (region->guest_start >= tmp_region->guest_end) {
 183             p = &(*p)->rb_right;
 184         } else {
 185             if ((region->guest_end != tmp_region->guest_end) ||
 186                 (region->guest_start != tmp_region->guest_start)) {
 187                 PrintError("Trying to map a partial overlapped core specific page...\n");
 188                 return tmp_region; // This is ugly...
 189             } else if (region->core_id == tmp_region->core_id) {
 190                 return tmp_region;
 191             } else if (region->core_id < tmp_region->core_id) {
 192                 p = &(*p)->rb_left;
 193             } else {
 194                 p = &(*p)->rb_right;
 195             }
 196         }
 197     }
 198
 199     rb_link_node(&(region->tree_node), parent, p);
 200
 201     return NULL;
 202 }
 203
 204
 205
 206 int v3_insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * region) {
 207     struct v3_mem_region * ret;
 208     int i = 0;
 209
 210     if ((ret = __insert_mem_region(vm, region))) {
 211         return -1;
 212     }
 213
 214     v3_rb_insert_color(&(region->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 215
 216
 217
 218     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 219         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 220
 221         // flush virtual page tables
 222         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 223
 224         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 225             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 226
 227             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 228                 addr_t cur_addr;
 229
 230                 for (cur_addr = region->guest_start;
 231                      cur_addr < region->guest_end;
 232                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 233                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 234                 }
 235             } else {
 236                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 237             }
 238
 239         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 240             addr_t cur_addr;
 241
 242             for (cur_addr = region->guest_start;
 243                  cur_addr < region->guest_end;
 244                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 245
 246                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 247             }
 248         }
 249     }
 250
 251     return 0;
 252 }
 253
 254
 255
 256
 257 struct v3_mem_region * v3_get_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 258     struct rb_node * n = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 259     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 260
 261     while (n) {
 262
 263         reg = rb_entry(n, struct v3_mem_region, tree_node);
 264
 265         if (guest_addr < reg->guest_start) {
 266             n = n->rb_left;
 267         } else if (guest_addr >= reg->guest_end) {
 268             n = n->rb_right;
 269         } else {
 270             if (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) {
 271                 // found relevant region, it's available on all cores
 272                 return reg;
 273             } else if (core_id == reg->core_id) {
 274                 // found relevant region, it's available on the indicated core
 275                 return reg;
 276             } else if (core_id < reg->core_id) {
 277                 // go left, core too big
 278                 n = n->rb_left;
 279             } else if (core_id > reg->core_id) {
 280                 // go right, core too small
 281                 n = n->rb_right;
 282             } else {
 283                 PrintDebug("v3_get_mem_region: Impossible!\n");
 284                 return NULL;
 285             }
 286         }
 287     }
 288
 289
 290     // There is not registered region, so we check if its a valid address in the base region
 291
 292     if (guest_addr > vm->mem_map.base_region.guest_end) {
 293         PrintError("Guest Address Exceeds Base Memory Size (ga=0x%p), (limit=0x%p) (core=0x%x)\n",
 294                    (void *)guest_addr, (void *)vm->mem_map.base_region.guest_end, core_id);
 295         v3_print_mem_map(vm);
 296
 297         return NULL;
 298     }
 299
 300     return &(vm->mem_map.base_region);
 301 }
 302
 303
 304
 305 /* This returns the next memory region based on a given address.
 306  * If the address falls inside a sub region, that region is returned.
 307  * If the address falls outside a sub region, the next sub region is returned
 308  * NOTE that we have to be careful about core_ids here...
 309  */
 310 static struct v3_mem_region * get_next_mem_region( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 311     struct rb_node * n = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 312     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 313     struct v3_mem_region * parent = NULL;
 314
 315     if (n == NULL) {
 316         return NULL;
 317     }
 318
 319     while (n) {
 320
 321         reg = rb_entry(n, struct v3_mem_region, tree_node);
 322
 323         if (guest_addr < reg->guest_start) {
 324             n = n->rb_left;
 325         } else if (guest_addr >= reg->guest_end) {
 326             n = n->rb_right;
 327         } else {
 328             if (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) {
 329                 // found relevant region, it's available on all cores
 330                 return reg;
 331             } else if (core_id == reg->core_id) {
 332                 // found relevant region, it's available on the indicated core
 333                 return reg;
 334             } else if (core_id < reg->core_id) {
 335                 // go left, core too big
 336                 n = n->rb_left;
 337             } else if (core_id > reg->core_id) {
 338                 // go right, core too small
 339                 n = n->rb_right;
 340             } else {
 341                 PrintError("v3_get_mem_region: Impossible!\n");
 342                 return NULL;
 343             }
 344         }
 345
 346         if ((reg->core_id == core_id) || (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY)) {
 347             parent = reg;
 348         }
 349     }
 350
 351
 352     if (parent->guest_start > guest_addr) {
 353         return parent;
 354     } else if (parent->guest_end < guest_addr) {
 355         struct rb_node * node = &(parent->tree_node);
 356
 357         while ((node = v3_rb_next(node)) != NULL) {
 358             struct v3_mem_region * next_reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 359
 360             if ((next_reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) ||
 361                 (next_reg->core_id == core_id)) {
 362
 363                 // This check is not strictly necessary, but it makes it clearer
 364                 if (next_reg->guest_start > guest_addr) {
 365                     return next_reg;
 366                 }
 367             }
 368         }
 369     }
 370
 371     return NULL;
 372 }
 373
 374
 375
 376
 377 /* Given an address region of memory, find if there are any regions that overlap with it.
 378  * This checks that the range lies in a single region, and returns that region if it does,
 379  * this can be either the base region or a sub region.
 380  * IF there are multiple regions in the range then it returns NULL
 381  */
 382 static struct v3_mem_region * get_overlapping_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 383                                                      addr_t start_gpa, addr_t end_gpa) {
 384     struct v3_mem_region * start_region = v3_get_mem_region(vm, core_id, start_gpa);
 385
 386     if (start_region == NULL) {
 387         PrintError("Invalid memory region\n");
 388         return NULL;
 389     }
 390
 391
 392     if (start_region->guest_end < end_gpa) {
 393         // Region ends before range
 394         return NULL;
 395     } else if (start_region->flags.base == 0) {
 396         // sub region overlaps range
 397         return start_region;
 398     } else {
 399         // Base region, now we have to scan forward for the next sub region
 400         struct v3_mem_region * next_reg = get_next_mem_region(vm, core_id, start_gpa);
 401
 402         if (next_reg == NULL) {
 403             // no sub regions after start_addr, base region is ok
 404             return start_region;
 405         } else if (next_reg->guest_start >= end_gpa) {
 406             // Next sub region begins outside range
 407             return start_region;
 408         } else {
 409             return NULL;
 410         }
 411     }
 412
 413
 414     // Should never get here
 415     return NULL;
 416 }
 417
 418
 419
 420
 421
 422 void v3_delete_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * reg) {
 423     int i = 0;
 424
 425     if (reg == NULL) {
 426         return;
 427     }
 428
 429
 430     v3_rb_erase(&(reg->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 431
 432
 433
 434     // If the guest isn't running then there shouldn't be anything to invalidate.
 435     // Page tables should __always__ be created on demand during execution
 436     // NOTE: This is a sanity check, and can be removed if that assumption changes
 437     if (vm->run_state != VM_RUNNING) {
 438         V3_Free(reg);
 439         return;
 440     }
 441
 442     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 443         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 444
 445         // flush virtual page tables
 446         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 447
 448         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 449             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 450
 451             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 452                 addr_t cur_addr;
 453
 454                 for (cur_addr = reg->guest_start;
 455                      cur_addr < reg->guest_end;
 456                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 457                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 458                 }
 459             } else {
 460                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 461             }
 462
 463         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 464             addr_t cur_addr;
 465
 466             for (cur_addr = reg->guest_start;
 467                  cur_addr < reg->guest_end;
 468                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 469
 470                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 471             }
 472         }
 473     }
 474
 475     V3_Free(reg);
 476
 477     // flush virtual page tables
 478     // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 479
 480 }
 481
 482 // Determine if a given address can be handled by a large page of the requested size
 483 uint32_t v3_get_max_page_size(struct guest_info * core, addr_t page_addr, v3_cpu_mode_t mode) {
 484     addr_t pg_start = 0;
 485     addr_t pg_end = 0;
 486     uint32_t page_size = PAGE_SIZE_4KB;
 487     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 488
 489     switch (mode) {
 490         case PROTECTED:
 491             if (core->use_large_pages == 1) {
 492                 pg_start = PAGE_ADDR_4MB(page_addr);
 493                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_4MB);
 494
 495                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 496
 497                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_4MB) == 0)) {
 498                     page_size = PAGE_SIZE_4MB;
 499                 }
 500             }
 501             break;
 502         case PROTECTED_PAE:
 503             if (core->use_large_pages == 1) {
 504                 pg_start = PAGE_ADDR_2MB(page_addr);
 505                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_2MB);
 506
 507                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 508
 509                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_2MB) == 0)) {
 510                     page_size = PAGE_SIZE_2MB;
 511                 }
 512             }
 513             break;
 514         case LONG:
 515         case LONG_32_COMPAT:
 516         case LONG_16_COMPAT:
 517             if (core->use_giant_pages == 1) {
 518                 pg_start = PAGE_ADDR_1GB(page_addr);
 519                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_1GB);
 520
 521                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 522
 523                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_1GB) == 0)) {
 524                     page_size = PAGE_SIZE_1GB;
 525                     break;
 526                 }
 527             }
 528
 529             if (core->use_large_pages == 1) {
 530                 pg_start = PAGE_ADDR_2MB(page_addr);
 531                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_2MB);
 532
 533                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 534
 535                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_2MB) == 0)) {
 536                     page_size = PAGE_SIZE_2MB;
 537                 }
 538             }
 539             break;
 540         default:
 541             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(core)));
 542             return -1;
 543     }
 544
 545     return page_size;
 546 }
 547
 548
 549
 550 void v3_print_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
 551     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
 552     struct v3_mem_region * reg = &(vm->mem_map.base_region);
 553     int i = 0;
 554
 555     V3_Print("Memory Layout (all cores):\n");
 556
 557
 558     V3_Print("Base Region (all cores):  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n",
 559                (void *)(reg->guest_start),
 560                (void *)(reg->guest_end - 1),
 561                (void *)(reg->host_addr));
 562
 563
 564     // If the memory map is empty, don't print it
 565     if (node == NULL) {
 566         return;
 567     }
 568
 569     do {
 570         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 571
 572         V3_Print("%d:  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n", i,
 573                    (void *)(reg->guest_start),
 574                    (void *)(reg->guest_end - 1),
 575                    (void *)(reg->host_addr));
 576
 577         V3_Print("\t(flags=0x%x) (core=0x%x) (unhandled = 0x%p)\n",
 578                  reg->flags.value,
 579                  reg->core_id,
 580                  reg->unhandled);
 581
 582         i++;
 583     } while ((node = v3_rb_next(node)));
 584 }
 585