misc/test_vm/src/geekos/paging.c

   1 /*
   2  * Paging (virtual memory) support
   3  * Copyright (c) 2003, Jeffrey K. Hollingsworth <hollings@cs.umd.edu>
   4  * Copyright (c) 2003,2004 David H. Hovemeyer <daveho@cs.umd.edu>
   5  * $Revision: 1.1 $
   6  *
   7  * This is free software.  You are permitted to use,
   8  * redistribute, and modify it as specified in the file "COPYING".
   9  */
  10
  11 #include <geekos/string.h>
  12 #include <geekos/int.h>
  13 #include <geekos/idt.h>
  14 #include <geekos/kthread.h>
  15 #include <geekos/kassert.h>
  16 #include <geekos/screen.h>
  17 #include <geekos/mem.h>
  18 #include <geekos/malloc.h>
  19 #include <geekos/gdt.h>
  20 #include <geekos/segment.h>
  21 //#include <geekos/user.h>
  22 //#include <geekos/vfs.h>
  23 #include <geekos/crc32.h>
  24 #include <geekos/paging.h>
  25 #include <geekos/serial.h>
  26
  27
  28 /* ----------------------------------------------------------------------
  29  * Public data
  30  * ---------------------------------------------------------------------- */
  31
  32 /* ----------------------------------------------------------------------
  33  * Private functions/data
  34  * ---------------------------------------------------------------------- */
  35
  36 #define SECTORS_PER_PAGE (PAGE_SIZE / SECTOR_SIZE)
  37
  38 /*
  39  * flag to indicate if debugging paging code
  40  */
  41 int debugFaults = 0;
  42 #define Debug(args...) if (debugFaults) Print(args)
  43
  44
  45
  46 void SerialPrintPD(pde_t *pde)
  47 {
  48   int i;
  49
  50   SerialPrint("Page Directory at %p:\n",pde);
  51   for (i=0;i<NUM_PAGE_DIR_ENTRIES && pde[i].present;i++) {
  52     SerialPrintPDE((void*)(PAGE_SIZE*NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES*i),&(pde[i]));
  53   }
  54 }
  55
  56 void SerialPrintPT(void *starting_address, pte_t *pte)
  57 {
  58   int i;
  59
  60   SerialPrint("Page Table at %p:\n",pte);
  61   for (i=0;i<NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES && pte[i].present;i++) {
  62     SerialPrintPTE(starting_address + PAGE_SIZE*i,&(pte[i]));
  63   }
  64 }
  65
  66
  67 void SerialPrintPDE(void *virtual_address, pde_t *pde)
  68 {
  69   SerialPrint("PDE %p -> %p : present=%x, flags=%x, accessed=%x, reserved=%x, largePages=%x, globalPage=%x, kernelInfo=%x\n",
  70               virtual_address,
  71               (void*) (pde->pageTableBaseAddr << PAGE_POWER),
  72               pde->present,
  73               pde->flags,
  74               pde->accessed,
  75               pde->reserved,
  76               pde->largePages,
  77               pde->globalPage,
  78               pde->kernelInfo);
  79 }
  80
  81 void SerialPrintPTE(void *virtual_address, pte_t *pte)
  82 {
  83   SerialPrint("PTE %p -> %p : present=%x, flags=%x, accessed=%x, dirty=%x, pteAttribute=%x, globalPage=%x, kernelInfo=%x\n",
  84               virtual_address,
  85               (void*)(pte->pageBaseAddr << PAGE_POWER),
  86               pte->present,
  87               pte->flags,
  88               pte->accessed,
  89               pte->dirty,
  90               pte->pteAttribute,
  91               pte->globalPage,
  92               pte->kernelInfo);
  93 }
  94
  95
  96 void SerialDumpPageTables(pde_t *pde)
  97 {
  98   int i;
  99
 100   SerialPrint("Dumping the pages starting with the pde page at %p\n",pde);
 101
 102   for (i=0;i<NUM_PAGE_DIR_ENTRIES && pde[i].present;i++) {
 103     SerialPrintPDE((void*)(PAGE_SIZE*NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES*i),&(pde[i]));
 104     SerialPrintPT((void*)(PAGE_SIZE*NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES*i),(void*)(pde[i].pageTableBaseAddr<<PAGE_POWER));
 105   }
 106 }
 107
 108
 109
 110
 111
 112 int checkPaging()
 113 {
 114   unsigned long reg=0;
 115   __asm__ __volatile__( "movl %%cr0, %0" : "=a" (reg));
 116   Print("Paging on ? : %d\n", (reg & (1<<31)) != 0);
 117   return (reg & (1<<31)) != 0;
 118 }
 119
 120
 121 /*
 122  * Print diagnostic information for a page fault.
 123  */
 124 static void Print_Fault_Info(uint_t address, faultcode_t faultCode)
 125 {
 126     extern uint_t g_freePageCount;
 127
 128     g_freePageCount+=0;
 129
 130     SerialPrintLevel(100,"Pid %d, Page Fault received, at address %x (%d pages free)\n",
 131         g_currentThread->pid, address, g_freePageCount);
 132     if (faultCode.protectionViolation)
 133         SerialPrintLevel(100,"   Protection Violation, ");
 134     else
 135         SerialPrintLevel(100,"   Non-present page, ");
 136     if (faultCode.writeFault)
 137         SerialPrintLevel(100,"Write Fault, ");
 138     else
 139         SerialPrintLevel(100,"Read Fault, ");
 140     if (faultCode.userModeFault)
 141         SerialPrintLevel(100,"in User Mode\n");
 142     else
 143         SerialPrintLevel(100,"in Supervisor Mode\n");
 144 }
 145
 146 /*
 147  * Handler for page faults.
 148  * You should call the Install_Interrupt_Handler() function to
 149  * register this function as the handler for interrupt 14.
 150  */
 151 /*static*/ void Page_Fault_Handler(struct Interrupt_State* state)
 152 {
 153     ulong_t address;
 154     faultcode_t faultCode;
 155
 156     KASSERT(!Interrupts_Enabled());
 157
 158     /* Get the address that caused the page fault */
 159     address = Get_Page_Fault_Address();
 160     Debug("Page fault @%lx\n", address);
 161
 162     /* Get the fault code */
 163     faultCode = *((faultcode_t *) &(state->errorCode));
 164
 165     /* rest of your handling code here */
 166     SerialPrintLevel(100,"Unexpected Page Fault received\n");
 167     Print_Fault_Info(address, faultCode);
 168     Dump_Interrupt_State(state);
 169     /* user faults just kill the process */
 170     if (!faultCode.userModeFault) KASSERT(0);
 171
 172     /* For now, just kill the thread/process. */
 173     Exit(-1);
 174 }
 175
 176 /* ----------------------------------------------------------------------
 177  * Public functions
 178  * ---------------------------------------------------------------------- */
 179
 180
 181
 182 /*
 183  * Initialize virtual memory by building page tables
 184  * for the kernel and physical memory.
 185  */
 186 void Init_VM(struct Boot_Info *bootInfo)
 187 {
 188   int numpages;
 189   int numpagetables;
 190   int i,j;
 191
 192   pde_t *pd;
 193   pte_t *pt;
 194
 195   PrintBoth("Intitialing Virtual Memory\n");
 196
 197   if (checkPaging()) {
 198     SerialPrintLevel(100,"Paging is currently ON\n");
 199     return ;
 200   }
 201
 202   SerialPrintLevel(100,"Paging is currently OFF - initializing the pages for a 1-1 map\n");
 203
 204   numpages=bootInfo->memSizeKB / (PAGE_SIZE/1024);
 205   numpagetables = numpages / NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES + ((numpages % NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES) != 0 );
 206
 207   SerialPrintLevel(100,"We need %d pages, and thus %d page tables, and one page directory\n",numpages, numpagetables);
 208
 209   pd = (pde_t*)Alloc_Page();
 210
 211   if (!pd) {
 212     SerialPrintLevel(100,"We are giving up since we can't allocate a page directory!\n");
 213     return;
 214   } else {
 215     SerialPrintLevel(100,"Our PDE is at physical address %p\n",pd);
 216   }
 217
 218   for (i=0;i<NUM_PAGE_DIR_ENTRIES;i++) {
 219     if (i>=numpagetables) {
 220       pd[i].present=0;
 221       pd[i].flags=0;
 222       pd[i].accessed=0;
 223       pd[i].reserved=0;
 224       pd[i].largePages=0;
 225       pd[i].globalPage=0;
 226       pd[i].kernelInfo=0;
 227       pd[i].pageTableBaseAddr=0;
 228     } else {
 229       pt = (pte_t*)Alloc_Page();
 230       if (!pt) {
 231         SerialPrintLevel(100,"We are giving up since we can't allocate page table %d\n",i);
 232       } else {
 233         //SerialPrintLevel(100,"Page Table %d is at physical address %p\n",i,pt);
 234       }
 235       pd[i].present=1;
 236       pd[i].flags= VM_READ | VM_WRITE | VM_EXEC | VM_USER;
 237       pd[i].accessed=0;
 238       pd[i].reserved=0;
 239       pd[i].largePages=0;
 240       pd[i].globalPage=0;
 241       pd[i].kernelInfo=0;
 242       pd[i].pageTableBaseAddr = PAGE_ALLIGNED_ADDR(pt);
 243
 244       for (j=0;j<NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES;j++) {
 245         if (i*NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES + j >= numpages) {
 246           pt[j].present=0;
 247           pt[j].flags=0;
 248           pt[j].accessed=0;
 249           pt[j].dirty=0;
 250           pt[j].pteAttribute=0;
 251           pt[j].globalPage=0;
 252           pt[j].kernelInfo=0;
 253           pt[j].pageBaseAddr=0;
 254         } else {
 255           pt[j].present=1;
 256           pt[j].flags=VM_READ | VM_WRITE | VM_EXEC | VM_USER;
 257           pt[j].accessed=0;
 258           pt[j].dirty=0;
 259           pt[j].pteAttribute=0;
 260           pt[j].globalPage=0;
 261           pt[j].kernelInfo=0;
 262           pt[j].pageBaseAddr=(i*NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES + j);
 263         }
 264       }
 265     }
 266   }
 267   SerialPrintLevel(100,"Done creating 1<->1 initial page tables\n");
 268   SerialPrintLevel(100,"Now installing page fault handler\n");
 269   //  SerialDumpPageTables(pd);
 270   Install_Interrupt_Handler(14,Page_Fault_Handler);
 271   SerialPrintLevel(100,"Now turning on the paging bit!\n");
 272   Enable_Paging(pd);
 273   SerialPrintLevel(100,"We are still alive after paging turned on!\n");
 274   SerialPrintLevel(100,"checkPaging returns %d\n",checkPaging());
 275 }
 276
 277
 278 //
 279 pte_t *LookupPage(void *vaddr)
 280 {
 281   uint_t pde_offset = ((uint_t)vaddr) >> 22;
 282   uint_t pte_offset = (((uint_t)vaddr) >> 12) & 0x3ff;
 283   pte_t *pte;
 284   pde_t *pde = Get_PDBR();
 285
 286   KASSERT(pde);
 287
 288   pde+=pde_offset;
 289
 290   if (!(pde->present)) {
 291     return 0;
 292   }
 293
 294   pte = (pte_t *)((pde->pageTableBaseAddr)<<12);
 295
 296   pte+=pte_offset;
 297
 298   return pte;
 299 }
 300
 301
 302 pte_t *CreateAndAddPageTable(void *vaddr, uint_t flags)
 303 {
 304   int i;
 305
 306   KASSERT(!(PAGE_OFFSET(vaddr)));
 307
 308   pte_t *pt = Alloc_Page();
 309
 310   KASSERT(pt);
 311
 312   for (i=0;i<NUM_PAGE_TABLE_ENTRIES;i++) {
 313     pt[i].present=0;
 314   }
 315
 316   pde_t *pde = Get_PDBR();
 317
 318   pde=&(pde[PAGE_DIRECTORY_INDEX(vaddr)]);
 319
 320   KASSERT(!(pde->present));
 321
 322   pde->present=1;
 323   pde->flags=flags;
 324   pde->accessed=0;
 325   pde->reserved=0;
 326   pde->largePages=0;
 327   pde->globalPage=0;
 328   pde->kernelInfo=0;
 329   pde->pageTableBaseAddr = PAGE_ALLIGNED_ADDR(pt);
 330
 331   return pt;
 332 }
 333
 334 pte_t *MapPage(void *vaddr, pte_t *pte, int alloc_pde)
 335 {
 336   pte_t *oldpte = LookupPage(vaddr);
 337
 338   if (!pte) {
 339     if (alloc_pde) {
 340       CreateAndAddPageTable(vaddr,pte->flags);
 341       oldpte = LookupPage(vaddr);
 342       KASSERT(pte);
 343     } else {
 344       return 0;
 345     }
 346   }
 347
 348   *oldpte = *pte;
 349
 350   return oldpte;
 351 }
 352
 353 pte_t *UnMapPage(void *vaddr)
 354 {
 355   pte_t *oldpte = LookupPage(vaddr);
 356
 357   if (!oldpte) {
 358     return 0;
 359   }
 360   oldpte->present=0;
 361
 362   return oldpte;
 363 }
 364
 365
 366
 367 /**
 368  * Initialize paging file data structures.
 369  * All filesystems should be mounted before this function
 370  * is called, to ensure that the paging file is available.
 371  */
 372 void Init_Paging(void)
 373 {
 374   PrintBoth("Initializing Paging\n");
 375 }
 376
 377 /**
 378  * Find a free bit of disk on the paging file for this page.
 379  * Interrupts must be disabled.
 380  * @return index of free page sized chunk of disk space in
 381  *   the paging file, or -1 if the paging file is full
 382  */
 383 int Find_Space_On_Paging_File(void)
 384 {
 385     KASSERT(!Interrupts_Enabled());
 386     TODO("Find free page in paging file");
 387 }
 388
 389 /**
 390  * Free a page-sized chunk of disk space in the paging file.
 391  * Interrupts must be disabled.
 392  * @param pagefileIndex index of the chunk of disk space
 393  */
 394 void Free_Space_On_Paging_File(int pagefileIndex)
 395 {
 396     KASSERT(!Interrupts_Enabled());
 397     TODO("Free page in paging file");
 398 }
 399
 400 /**
 401  * Write the contents of given page to the indicated block
 402  * of space in the paging file.
 403  * @param paddr a pointer to the physical memory of the page
 404  * @param vaddr virtual address where page is mapped in user memory
 405  * @param pagefileIndex the index of the page sized chunk of space
 406  *   in the paging file
 407  */
 408 void Write_To_Paging_File(void *paddr, ulong_t vaddr, int pagefileIndex)
 409 {
 410     struct Page *page = Get_Page((ulong_t) paddr);
 411     KASSERT(!(page->flags & PAGE_PAGEABLE)); /* Page must be locked! */
 412     TODO("Write page data to paging file");
 413 }
 414
 415 /**
 416  * Read the contents of the indicated block
 417  * of space in the paging file into the given page.
 418  * @param paddr a pointer to the physical memory of the page
 419  * @param vaddr virtual address where page will be re-mapped in
 420  *   user memory
 421  * @param pagefileIndex the index of the page sized chunk of space
 422  *   in the paging file
 423  */
 424 void Read_From_Paging_File(void *paddr, ulong_t vaddr, int pagefileIndex)
 425 {
 426     struct Page *page = Get_Page((ulong_t) paddr);
 427     KASSERT(!(page->flags & PAGE_PAGEABLE)); /* Page must be locked! */
 428     TODO("Read page data from paging file");
 429 }
 430