palacios/include/palacios/vmm_decoder.h

   1
   2 /*
   3  * This file is part of the Palacios Virtual Machine Monitor developed
   4  * by the V3VEE Project with funding from the United States National
   5  * Science Foundation and the Department of Energy.
   6  *
   7  * The V3VEE Project is a joint project between Northwestern University
   8  * and the University of New Mexico.  You can find out more at
   9  * http://www.v3vee.org
  10  *
  11  * Copyright (c) 2008, Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  12  * Copyright (c) 2008, The V3VEE Project <http://www.v3vee.org>
  13  * All rights reserved.
  14  *
  15  * Author: Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  16  *
  17  * This is free software.  You are permitted to use,
  18  * redistribute, and modify it as specified in the file "V3VEE_LICENSE".
  19  */
  20
  21 #ifndef __VMM_DECODER_H
  22 #define __VMM_DECODER_H
  23
  24 #ifdef __V3VEE__
  25
  26 #include <palacios/vm_guest.h>
  27 #include <palacios/vmm.h>
  28
  29
  30 typedef enum {INVALID_OPERAND, REG_OPERAND, MEM_OPERAND, IMM_OPERAND} v3_operand_type_t;
  31
  32 struct x86_operand {
  33   addr_t operand;
  34   uint_t size;
  35   v3_operand_type_t type;
  36 };
  37
  38 struct x86_prefixes {
  39   uint_t lock   : 1;  // 0xF0
  40   uint_t repne  : 1;  // 0xF2
  41   uint_t repnz  : 1;  // 0xF2
  42   uint_t rep    : 1;  // 0xF3
  43   uint_t repe   : 1;  // 0xF3
  44   uint_t repz   : 1;  // 0xF3
  45   uint_t cs_override : 1;  // 0x2E
  46   uint_t ss_override : 1;  // 0x36
  47   uint_t ds_override : 1;  // 0x3E
  48   uint_t es_override : 1;  // 0x26
  49   uint_t fs_override : 1;  // 0x64
  50   uint_t gs_override : 1;  // 0x65
  51   uint_t br_not_taken : 1;  // 0x2E
  52   uint_t br_takend   : 1;  // 0x3E
  53   uint_t op_size     : 1;  // 0x66
  54   uint_t addr_size   : 1;  // 0x67
  55 };
  56
  57
  58 struct x86_instr {
  59   struct x86_prefixes prefixes;
  60   uint_t instr_length;
  61   addr_t opcode;    // a pointer to the V3_OPCODE_[*] arrays defined below
  62   uint_t num_operands;
  63   struct x86_operand dst_operand;
  64   struct x86_operand src_operand;
  65   struct x86_operand third_operand;
  66   void * decoder_data;
  67 };
  68
  69
  70 struct basic_instr_info {
  71   uint_t instr_length;
  72   uint_t op_size;
  73   uint_t str_op    : 1;
  74   uint_t has_rep : 1;
  75 };
  76
  77
  78
  79   /************************/
  80  /* EXTERNAL DECODER API */
  81 /************************/
  82 /*
  83    This is an External API definition that must be implemented by a decoder
  84 */
  85
  86
  87 /*
  88  * Initializes a decoder
  89  */
  90 int v3_init_decoder();
  91
  92 /*
  93  * Decodes an instruction
  94  * All addresses in arguments are in the host address space
  95  * instr_ptr is the host address of the instruction
  96  * IMPORTANT: make sure the instr_ptr is in contiguous host memory
  97  *   ie. Copy it to a buffer before the call
  98  */
  99 int v3_decode(struct guest_info * info, addr_t instr_ptr, struct x86_instr * instr);
 100
 101 /*
 102  * Encodes an instruction
 103  * All addresses in arguments are in the host address space
 104  * The instruction is encoded from the struct, and copied into a 15 byte host buffer
 105  * referenced by instr_buf
 106  * any unused bytes at the end of instr_buf will be filled with nops
 107  * IMPORTANT: instr_buf must be allocated and 15 bytes long
 108  */
 109 int v3_encode(struct guest_info * info, struct x86_instr * instr, char * instr_buf);
 110
 111
 112 /*
 113  * Gets the operand size for a memory operation
 114  *
 115  */
 116 int v3_basic_mem_decode(struct guest_info * info, addr_t instr_ptr, struct basic_instr_info * instr_info);
 117
 118
 119
 120 /* Removes a rep prefix in place */
 121 void v3_strip_rep_prefix(uchar_t * instr, int length);
 122
 123
 124
 125 /*
 126  * JRL: Some of this was taken from the Xen sources...
 127  */
 128
 129 #define PACKED __attribute__((packed))
 130
 131 #define MODRM_MOD(x) ((x >> 6) & 0x3)
 132 #define MODRM_REG(x) ((x >> 3) & 0x7)
 133 #define MODRM_RM(x)  (x & 0x7)
 134
 135 struct modrm_byte {
 136   uint_t rm   :   3 PACKED;
 137   uint_t reg  :   3 PACKED;
 138   uint_t mod  :   2 PACKED;
 139 };
 140
 141
 142 #define SIB_BASE(x) ((x >> 6) & 0x3)
 143 #define SIB_INDEX(x) ((x >> 3) & 0x7)
 144 #define SIB_SCALE(x) (x & 0x7)
 145
 146 struct sib_byte {
 147   uint_t base     :   3 PACKED;
 148   uint_t index    :   3 PACKED;
 149   uint_t scale    :   2 PACKED;
 150 };
 151
 152
 153
 154 #define MAKE_INSTR(nm, ...) static  const uchar_t V3_OPCODE_##nm[] = { __VA_ARGS__ }
 155
 156 /*
 157  * Here's how it works:
 158  * First byte: Length.
 159  * Following bytes: Opcode bytes.
 160  * Special case: Last byte, if zero, doesn't need to match.
 161  */
 162 MAKE_INSTR(INVD,   2, 0x0f, 0x08);
 163 MAKE_INSTR(CPUID,  2, 0x0f, 0xa2);
 164 MAKE_INSTR(RDMSR,  2, 0x0f, 0x32);
 165 MAKE_INSTR(WRMSR,  2, 0x0f, 0x30);
 166 MAKE_INSTR(RDTSC,  2, 0x0f, 0x31);
 167 MAKE_INSTR(RDTSCP, 3, 0x0f, 0x01, 0xf9);
 168 MAKE_INSTR(CLI,    1, 0xfa);
 169 MAKE_INSTR(STI,    1, 0xfb);
 170 MAKE_INSTR(RDPMC,  2, 0x0f, 0x33);
 171 MAKE_INSTR(CLGI,   3, 0x0f, 0x01, 0xdd);
 172 MAKE_INSTR(STGI,   3, 0x0f, 0x01, 0xdc);
 173 MAKE_INSTR(VMRUN,  3, 0x0f, 0x01, 0xd8);
 174 MAKE_INSTR(VMLOAD, 3, 0x0f, 0x01, 0xda);
 175 MAKE_INSTR(VMSAVE, 3, 0x0f, 0x01, 0xdb);
 176 MAKE_INSTR(VMCALL, 3, 0x0f, 0x01, 0xd9);
 177 MAKE_INSTR(PAUSE,  2, 0xf3, 0x90);
 178 MAKE_INSTR(SKINIT, 3, 0x0f, 0x01, 0xde);
 179 MAKE_INSTR(MOV2CR, 3, 0x0f, 0x22, 0x00);
 180 MAKE_INSTR(MOVCR2, 3, 0x0f, 0x20, 0x00);
 181 MAKE_INSTR(MOV2DR, 3, 0x0f, 0x23, 0x00);
 182 MAKE_INSTR(MOVDR2, 3, 0x0f, 0x21, 0x00);
 183 MAKE_INSTR(PUSHF,  1, 0x9c);
 184 MAKE_INSTR(POPF,   1, 0x9d);
 185 MAKE_INSTR(RSM,    2, 0x0f, 0xaa);
 186 MAKE_INSTR(INVLPG, 3, 0x0f, 0x01, 0x00);
 187 MAKE_INSTR(INVLPGA,3, 0x0f, 0x01, 0xdf);
 188 MAKE_INSTR(HLT,    1, 0xf4);
 189 MAKE_INSTR(CLTS,   2, 0x0f, 0x06);
 190 MAKE_INSTR(LMSW,   3, 0x0f, 0x01, 0x00);
 191 MAKE_INSTR(SMSW,   3, 0x0f, 0x01, 0x00);
 192
 193
 194 #define PREFIX_LOCK         0xF0
 195 #define PREFIX_REPNE        0xF2
 196 #define PREFIX_REPNZ        0xF2
 197 #define PREFIX_REP          0xF3
 198 #define PREFIX_REPE         0xF3
 199 #define PREFIX_REPZ         0xF3
 200 #define PREFIX_CS_OVERRIDE  0x2E
 201 #define PREFIX_SS_OVERRIDE  0x36
 202 #define PREFIX_DS_OVERRIDE  0x3E
 203 #define PREFIX_ES_OVERRIDE  0x26
 204 #define PREFIX_FS_OVERRIDE  0x64
 205 #define PREFIX_GS_OVERRIDE  0x65
 206 #define PREFIX_BR_NOT_TAKEN 0x2E
 207 #define PREFIX_BR_TAKEN     0x3E
 208 #define PREFIX_OP_SIZE      0x66
 209 #define PREFIX_ADDR_SIZE    0x67
 210
 211 int v3_opcode_cmp(const uchar_t * op1, const uchar_t * op2);
 212
 213
 214 static inline int is_prefix_byte(uchar_t byte) {
 215   switch (byte) {
 216   case 0xF0:      // lock
 217   case 0xF2:      // REPNE/REPNZ
 218   case 0xF3:      // REP or REPE/REPZ
 219   case 0x2E:      // CS override or Branch hint not taken (with Jcc instrs)
 220   case 0x36:      // SS override
 221   case 0x3E:      // DS override or Branch hint taken (with Jcc instrs)
 222   case 0x26:      // ES override
 223   case 0x64:      // FS override
 224   case 0x65:      // GS override
 225     //case 0x2E:      // branch not taken hint
 226     //  case 0x3E:      // branch taken hint
 227   case 0x66:      // operand size override
 228   case 0x67:      // address size override
 229     return 1;
 230     break;
 231   default:
 232     return 0;
 233     break;
 234   }
 235 }
 236
 237
 238 static inline v3_reg_t get_gpr_mask(struct guest_info * info) {
 239   switch (info->cpu_mode) {
 240   case REAL:
 241     return 0xffff;
 242     break;
 243   case PROTECTED:
 244     return 0xffffffff;
 245   default:
 246     V3_ASSERT(0);
 247     return 0;
 248   }
 249 }
 250
 251
 252 static inline addr_t get_addr_linear(struct guest_info * info, addr_t addr, struct v3_segment * seg) {
 253   switch (info->cpu_mode) {
 254   case REAL:
 255     // It appears that the segment values are computed and cached in the vmcb structure
 256     // We Need to check this for Intel
 257     /*   return addr + (seg->selector << 4);
 258          break;*/
 259
 260   case PROTECTED:
 261     return addr + seg->base;
 262     break;
 263   default:
 264     V3_ASSERT(0);
 265     return 0;
 266   }
 267 }
 268
 269
 270 typedef enum {INVALID_ADDR_TYPE, REG, DISP0, DISP8, DISP16, DISP32} modrm_mode_t;
 271 typedef enum {INVALID_REG_SIZE, REG64, REG32, REG16, REG8} reg_size_t;
 272
 273
 274
 275
 276
 277
 278 struct v3_gprs;
 279
 280 static inline addr_t decode_register(struct v3_gprs * gprs, char reg_code, reg_size_t reg_size) {
 281   addr_t reg_addr;
 282
 283   switch (reg_code) {
 284   case 0:
 285     reg_addr = (addr_t)&(gprs->rax);
 286     break;
 287   case 1:
 288     reg_addr = (addr_t)&(gprs->rcx);
 289     break;
 290   case 2:
 291     reg_addr = (addr_t)&(gprs->rdx);
 292     break;
 293   case 3:
 294     reg_addr = (addr_t)&(gprs->rbx);
 295     break;
 296   case 4:
 297     if (reg_size == REG8) {
 298       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rax) + 1;
 299     } else {
 300       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rsp);
 301     }
 302     break;
 303   case 5:
 304     if (reg_size == REG8) {
 305       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rcx) + 1;
 306     } else {
 307       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rbp);
 308     }
 309     break;
 310   case 6:
 311     if (reg_size == REG8) {
 312       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rdx) + 1;
 313     } else {
 314       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rsi);
 315     }
 316     break;
 317   case 7:
 318     if (reg_size == REG8) {
 319       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rbx) + 1;
 320     } else {
 321       reg_addr = (addr_t)&(gprs->rdi);
 322     }
 323     break;
 324   default:
 325     reg_addr = 0;
 326     break;
 327   }
 328
 329   return reg_addr;
 330 }
 331
 332
 333
 334 static inline v3_operand_type_t decode_operands16(struct v3_gprs * gprs, // input/output
 335                                                char * modrm_instr,       // input
 336                                                int * offset,             // output
 337                                                addr_t * first_operand,   // output
 338                                                addr_t * second_operand,  // output
 339                                                reg_size_t reg_size) {    // input
 340
 341   struct modrm_byte * modrm = (struct modrm_byte *)modrm_instr;
 342   addr_t base_addr = 0;
 343   modrm_mode_t mod_mode = 0;
 344   v3_operand_type_t addr_type = INVALID_OPERAND;
 345   char * instr_cursor = modrm_instr;
 346
 347   //  PrintDebug("ModRM mod=%d\n", modrm->mod);
 348
 349   instr_cursor += 1;
 350
 351   if (modrm->mod == 3) {
 352     mod_mode = REG;
 353     addr_type = REG_OPERAND;
 354     //PrintDebug("first operand = Register (RM=%d)\n",modrm->rm);
 355
 356     *first_operand = decode_register(gprs, modrm->rm, reg_size);
 357
 358   } else {
 359
 360     addr_type = MEM_OPERAND;
 361
 362     if (modrm->mod == 0) {
 363       mod_mode = DISP0;
 364     } else if (modrm->mod == 1) {
 365       mod_mode = DISP8;
 366     } else if (modrm->mod == 2) {
 367       mod_mode = DISP16;
 368     }
 369
 370     switch (modrm->rm) {
 371     case 0:
 372       base_addr = gprs->rbx + gprs->rsi;
 373       break;
 374     case 1:
 375       base_addr = gprs->rbx + gprs->rdi;
 376       break;
 377     case 2:
 378       base_addr = gprs->rbp + gprs->rsi;
 379       break;
 380     case 3:
 381       base_addr = gprs->rbp + gprs->rdi;
 382       break;
 383     case 4:
 384       base_addr = gprs->rsi;
 385       break;
 386     case 5:
 387       base_addr = gprs->rdi;
 388       break;
 389     case 6:
 390       if (modrm->mod == 0) {
 391         base_addr = 0;
 392         mod_mode = DISP16;
 393       } else {
 394         base_addr = gprs->rbp;
 395       }
 396       break;
 397     case 7:
 398       base_addr = gprs->rbx;
 399       break;
 400     }
 401
 402
 403
 404     if (mod_mode == DISP8) {
 405       base_addr += (uchar_t)*(instr_cursor);
 406       instr_cursor += 1;
 407     } else if (mod_mode == DISP16) {
 408       base_addr += (ushort_t)*(instr_cursor);
 409       instr_cursor += 2;
 410     }
 411
 412     *first_operand = base_addr;
 413   }
 414
 415   *offset +=  (instr_cursor - modrm_instr);
 416   *second_operand = decode_register(gprs, modrm->reg, reg_size);
 417
 418   return addr_type;
 419 }
 420
 421
 422
 423 static inline v3_operand_type_t decode_operands32(struct v3_gprs * gprs, // input/output
 424                                                uchar_t * modrm_instr,       // input
 425                                                int * offset,             // output
 426                                                addr_t * first_operand,   // output
 427                                                addr_t * second_operand,  // output
 428                                                reg_size_t reg_size) {    // input
 429
 430   uchar_t * instr_cursor = modrm_instr;
 431   struct modrm_byte * modrm = (struct modrm_byte *)modrm_instr;
 432   addr_t base_addr = 0;
 433   modrm_mode_t mod_mode = 0;
 434   uint_t has_sib_byte = 0;
 435   v3_operand_type_t addr_type = INVALID_OPERAND;
 436
 437
 438
 439   instr_cursor += 1;
 440
 441   if (modrm->mod == 3) {
 442     mod_mode = REG;
 443     addr_type = REG_OPERAND;
 444
 445     //    PrintDebug("first operand = Register (RM=%d)\n",modrm->rm);
 446
 447     *first_operand = decode_register(gprs, modrm->rm, reg_size);
 448
 449   } else {
 450
 451     addr_type = MEM_OPERAND;
 452
 453     if (modrm->mod == 0) {
 454       mod_mode = DISP0;
 455     } else if (modrm->mod == 1) {
 456       mod_mode = DISP8;
 457     } else if (modrm->mod == 2) {
 458       mod_mode = DISP32;
 459     }
 460
 461     switch (modrm->rm) {
 462     case 0:
 463       base_addr = gprs->rax;
 464       break;
 465     case 1:
 466       base_addr = gprs->rcx;
 467       break;
 468     case 2:
 469       base_addr = gprs->rdx;
 470       break;
 471     case 3:
 472       base_addr = gprs->rbx;
 473       break;
 474     case 4:
 475       has_sib_byte = 1;
 476       break;
 477     case 5:
 478       if (modrm->mod == 0) {
 479         base_addr = 0;
 480         mod_mode = DISP32;
 481       } else {
 482         base_addr = gprs->rbp;
 483       }
 484       break;
 485     case 6:
 486       base_addr = gprs->rsi;
 487       break;
 488     case 7:
 489       base_addr = gprs->rdi;
 490       break;
 491     }
 492
 493     if (has_sib_byte) {
 494       instr_cursor += 1;
 495       struct sib_byte * sib = (struct sib_byte *)(instr_cursor);
 496       int scale = 1;
 497
 498       instr_cursor += 1;
 499
 500
 501       if (sib->scale == 1) {
 502         scale = 2;
 503       } else if (sib->scale == 2) {
 504         scale = 4;
 505       } else if (sib->scale == 3) {
 506         scale = 8;
 507       }
 508
 509
 510       switch (sib->index) {
 511       case 0:
 512         base_addr = gprs->rax;
 513         break;
 514       case 1:
 515         base_addr = gprs->rcx;
 516         break;
 517       case 2:
 518         base_addr = gprs->rdx;
 519         break;
 520       case 3:
 521         base_addr = gprs->rbx;
 522         break;
 523       case 4:
 524         base_addr = 0;
 525         break;
 526       case 5:
 527         base_addr = gprs->rbp;
 528         break;
 529       case 6:
 530         base_addr = gprs->rsi;
 531         break;
 532       case 7:
 533         base_addr = gprs->rdi;
 534         break;
 535       }
 536
 537       base_addr *= scale;
 538
 539
 540       switch (sib->base) {
 541       case 0:
 542         base_addr += gprs->rax;
 543         break;
 544       case 1:
 545         base_addr += gprs->rcx;
 546         break;
 547       case 2:
 548         base_addr += gprs->rdx;
 549         break;
 550       case 3:
 551         base_addr += gprs->rbx;
 552         break;
 553       case 4:
 554         base_addr += gprs->rsp;
 555         break;
 556       case 5:
 557         if (modrm->mod != 0) {
 558           base_addr += gprs->rbp;
 559         }
 560         break;
 561       case 6:
 562         base_addr += gprs->rsi;
 563         break;
 564       case 7:
 565         base_addr += gprs->rdi;
 566         break;
 567       }
 568
 569     }
 570
 571
 572     if (mod_mode == DISP8) {
 573       base_addr += (uchar_t)*(instr_cursor);
 574       instr_cursor += 1;
 575     } else if (mod_mode == DISP32) {
 576       base_addr += (uint_t)*(instr_cursor);
 577       instr_cursor += 4;
 578     }
 579
 580
 581     *first_operand = base_addr;
 582   }
 583
 584   *offset += (instr_cursor - modrm_instr);
 585
 586   *second_operand = decode_register(gprs, modrm->reg, reg_size);
 587
 588   return addr_type;
 589 }
 590
 591
 592
 593 #endif // !__V3VEE__
 594
 595
 596 #endif