palacios/src/devices/lnx_virtio_blk.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.h>
  21 #include <palacios/vmm_dev_mgr.h>
  22 #include <devices/lnx_virtio_pci.h>
  23 #include <devices/lnx_virtio_blk.h>
  24 #include <devices/block_dev.h>
  25 #include <palacios/vm_guest_mem.h>
  26
  27 #include <devices/pci.h>
  28
  29
  30 #define BLK_CAPACITY_PORT     20
  31 #define BLK_MAX_SIZE_PORT     28
  32 #define BLK_MAX_SEG_PORT      32
  33 #define BLK_CYLINDERS_PORT    36
  34 #define BLK_HEADS_PORT        38
  35 #define BLK_SECTS_PORT        39
  36
  37 #define BLK_IN_REQ            0
  38 #define BLK_OUT_REQ           1
  39 #define BLK_SCSI_CMD          2
  40
  41 #define BLK_BARRIER_FLAG     0x80000000
  42
  43 #define BLK_STATUS_OK             0
  44 #define BLK_STATUS_ERR            1
  45 #define BLK_STATUS_NOT_SUPPORTED  2
  46
  47
  48 struct blk_config {
  49     uint64_t capacity;
  50     uint32_t max_size;
  51     uint32_t max_seg;
  52     uint16_t cylinders;
  53     uint8_t heads;
  54     uint8_t sectors;
  55 } __attribute__((packed));
  56
  57
  58
  59 struct blk_op_hdr {
  60     uint32_t type;
  61     uint32_t prior;
  62     uint64_t sector;
  63 } __attribute__((packed));
  64
  65 #define QUEUE_SIZE 128
  66
  67 /* Host Feature flags */
  68 #define VIRTIO_BARRIER       0x01       /* Does host support barriers? */
  69 #define VIRTIO_SIZE_MAX      0x02       /* Indicates maximum segment size */
  70 #define VIRTIO_SEG_MAX       0x04       /* Indicates maximum # of segments */
  71 #define VIRTIO_LEGACY_GEOM   0x10       /* Indicates support of legacy geometry */
  72
  73
  74
  75
  76 struct virtio_blk_state {
  77     struct blk_config block_cfg;
  78     struct virtio_config virtio_cfg;
  79
  80     struct vm_device * pci_bus;
  81     struct pci_device * pci_dev;
  82
  83     struct virtio_queue queue;
  84
  85     union {
  86         struct v3_cd_ops * cd_ops;
  87         struct v3_hd_ops * hd_ops;
  88     };
  89
  90     v3_block_type_t block_type;
  91     void * backend_data;
  92
  93     int io_range_size;
  94 };
  95
  96
  97 static int virtio_free(struct vm_device * dev) {
  98     return -1;
  99 }
 100
 101 static int virtio_reset(struct vm_device * dev) {
 102     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 103
 104     virtio->queue.ring_desc_addr = 0;
 105     virtio->queue.ring_avail_addr = 0;
 106     virtio->queue.ring_used_addr = 0;
 107     virtio->queue.pfn = 0;
 108     virtio->queue.cur_avail_idx = 0;
 109
 110     virtio->virtio_cfg.status = 0;
 111     virtio->virtio_cfg.pci_isr = 0;
 112
 113     return 0;
 114 }
 115
 116 static int handle_read_op(struct vm_device * dev, uint8_t * buf, uint64_t sector, uint32_t len) {
 117     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 118
 119     if (virtio->block_type == BLOCK_DISK) {
 120         if (len % HD_SECTOR_SIZE) {
 121             PrintError("Write of something that is not a sector len %d, mod=%d\n", len, len % HD_SECTOR_SIZE);
 122             return -1;
 123         }
 124
 125
 126         PrintDebug("Reading Disk\n");
 127
 128         return virtio->hd_ops->read(buf, len / HD_SECTOR_SIZE, sector * HD_SECTOR_SIZE, virtio->backend_data);
 129     } else if (virtio->block_type == BLOCK_CDROM) {
 130         if (len % ATAPI_BLOCK_SIZE) {
 131             PrintError("Write of something that is not an ATAPI block len %d, mod=%d\n", len, len % ATAPI_BLOCK_SIZE);
 132             return -1;
 133         }
 134
 135         return virtio->cd_ops->read(buf, len / ATAPI_BLOCK_SIZE, sector * ATAPI_BLOCK_SIZE, virtio->backend_data);
 136
 137     }
 138
 139     return -1;
 140 }
 141
 142
 143 static int handle_write_op(struct vm_device * dev, uint8_t * buf, uint64_t sector, uint32_t len) {
 144     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 145
 146
 147     if (virtio->block_type == BLOCK_DISK) {
 148         if (len % HD_SECTOR_SIZE) {
 149             PrintError("Write of something that is not a sector len %d, mod=%d\n", len, len % HD_SECTOR_SIZE);
 150             return -1;
 151         }
 152
 153         PrintDebug("Writing Disk\n");
 154
 155         return virtio->hd_ops->write(buf, len / HD_SECTOR_SIZE, sector * HD_SECTOR_SIZE, virtio->backend_data);
 156     }
 157
 158     return -1;
 159 }
 160
 161
 162 static int handle_block_op(struct vm_device * dev, struct vring_desc * hdr_desc,
 163                            struct vring_desc * buf_desc, struct vring_desc * status_desc) {
 164     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 165     struct blk_op_hdr * hdr = NULL;
 166     uint8_t * buf = NULL;
 167     uint8_t * status = NULL;
 168
 169
 170     PrintDebug("Handling Block op\n");
 171
 172     if (guest_pa_to_host_va(dev->vm, hdr_desc->addr_gpa, (addr_t *)&(hdr)) == -1) {
 173         PrintError("Could not translate block header address\n");
 174         return -1;
 175     }
 176
 177     if (guest_pa_to_host_va(dev->vm, buf_desc->addr_gpa, (addr_t *)&(buf)) == -1) {
 178         PrintError("Could not translate buffer address\n");
 179         return -1;
 180     }
 181
 182     if (guest_pa_to_host_va(dev->vm, status_desc->addr_gpa, (addr_t *)&(status)) == -1) {
 183         PrintError("Could not translate status address\n");
 184         return -1;
 185     }
 186
 187     PrintDebug("Sector=%p Length=%d\n", (void *)(addr_t)(hdr->sector), buf_desc->length);
 188
 189     if (hdr->type == BLK_IN_REQ) {
 190         if (virtio->block_type != BLOCK_NONE) {
 191             if (handle_read_op(dev, buf, hdr->sector, buf_desc->length) == -1) {
 192                 *status = BLK_STATUS_ERR;
 193             } else {
 194                 *status = BLK_STATUS_OK;
 195             }
 196         } else {
 197             *status = BLK_STATUS_NOT_SUPPORTED;
 198         }
 199
 200     } else if (hdr->type == BLK_OUT_REQ) {
 201         if (virtio->block_type == BLOCK_DISK) {
 202             if (handle_write_op(dev, buf, hdr->sector, buf_desc->length) == -1) {
 203                 *status = BLK_STATUS_ERR;
 204             } else {
 205                 *status = BLK_STATUS_OK;
 206             }
 207         } else {
 208             *status = BLK_STATUS_NOT_SUPPORTED;
 209         }
 210     } else if (hdr->type == BLK_SCSI_CMD) {
 211         *status = BLK_STATUS_NOT_SUPPORTED;
 212     }
 213
 214     PrintDebug("Returning Status: %d\n", *status);
 215
 216     return 0;
 217 }
 218
 219
 220
 221 static int handle_kick(struct vm_device * dev) {
 222     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 223     struct virtio_queue * q = &(virtio->queue);
 224
 225     PrintDebug("VIRTIO KICK: cur_index=%d, avail_index=%d\n", q->cur_avail_idx, q->avail->index);
 226
 227     while (q->cur_avail_idx < q->avail->index) {
 228         struct vring_desc * hdr_desc = NULL;
 229         struct vring_desc * buf_desc = NULL;
 230         struct vring_desc * status_desc = NULL;
 231         uint16_t chain_idx = q->avail->ring[q->cur_avail_idx];
 232         uint32_t req_len = 0;
 233         int chained = 1;
 234
 235         PrintDebug("chained=%d, Chain Index=%d\n", chained, chain_idx);
 236
 237         while (chained) {
 238             hdr_desc = &(q->desc[chain_idx]);
 239
 240             PrintDebug("Header Descriptor (ptr=%p) gpa=%p, len=%d, flags=%x, next=%d\n", hdr_desc,
 241                        (void *)(hdr_desc->addr_gpa), hdr_desc->length, hdr_desc->flags, hdr_desc->next);
 242
 243             if (!(hdr_desc->flags & VIRTIO_NEXT_FLAG)) {
 244                 PrintError("Block operations must chain a buffer descriptor\n");
 245                 return -1;
 246             }
 247
 248             buf_desc = &(q->desc[hdr_desc->next]);
 249
 250             PrintDebug("Buffer Descriptor (ptr=%p) gpa=%p, len=%d, flags=%x, next=%d\n", buf_desc,
 251                        (void *)(buf_desc->addr_gpa), buf_desc->length, buf_desc->flags, buf_desc->next);
 252
 253             if (!(buf_desc->flags & VIRTIO_NEXT_FLAG)) {
 254                 PrintError("Block operatoins must chain a status descriptor\n");
 255                 return -1;
 256             }
 257
 258             status_desc = &(q->desc[buf_desc->next]);
 259
 260             // We detect whether we are chained here...
 261             if (status_desc->flags & VIRTIO_NEXT_FLAG) {
 262                 chained = 1;
 263                 chain_idx = status_desc->next;
 264             } else {
 265                 chained = 0;
 266             }
 267
 268             PrintDebug("Status Descriptor (ptr=%p) gpa=%p, len=%d, flags=%x, next=%d\n", status_desc,
 269                        (void *)(status_desc->addr_gpa), status_desc->length, status_desc->flags, status_desc->next);
 270
 271
 272             if (handle_block_op(dev, hdr_desc, buf_desc, status_desc) == -1) {
 273                 PrintError("Error handling block operation\n");
 274                 return -1;
 275             }
 276
 277             req_len += (buf_desc->length + status_desc->length);
 278         }
 279
 280         q->used->ring[q->used->index].id = q->avail->ring[q->cur_avail_idx];
 281         q->used->ring[q->used->index].length = req_len; // What do we set this to????
 282
 283         q->used->index = (q->used->index + 1) % (QUEUE_SIZE * sizeof(struct vring_desc));;
 284
 285
 286         q->cur_avail_idx = (q->cur_avail_idx + 1) % (QUEUE_SIZE * sizeof(struct vring_desc));
 287     }
 288
 289     if (!(q->avail->flags & VIRTIO_NO_IRQ_FLAG)) {
 290         PrintDebug("Raising IRQ %d\n",  virtio->pci_dev->config_header.intr_line);
 291         v3_pci_raise_irq(virtio->pci_bus, 0, virtio->pci_dev);
 292         virtio->virtio_cfg.pci_isr = 1;
 293     }
 294
 295     return 0;
 296 }
 297
 298 static int virtio_io_write(uint16_t port, void * src, uint_t length, struct vm_device * dev) {
 299     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 300     int port_idx = port % virtio->io_range_size;
 301
 302
 303     PrintDebug("VIRTIO BLOCK Write for port %d (index=%d) len=%d, value=%x\n",
 304                port, port_idx,  length, *(uint32_t *)src);
 305
 306
 307
 308     switch (port_idx) {
 309         case GUEST_FEATURES_PORT:
 310             if (length != 4) {
 311                 PrintError("Illegal write length for guest features\n");
 312                 return -1;
 313             }
 314
 315             virtio->virtio_cfg.guest_features = *(uint32_t *)src;
 316
 317             break;
 318         case VRING_PG_NUM_PORT:
 319             if (length == 4) {
 320                 addr_t pfn = *(uint32_t *)src;
 321                 addr_t page_addr = (pfn << VIRTIO_PAGE_SHIFT);
 322
 323
 324                 virtio->queue.pfn = pfn;
 325
 326                 virtio->queue.ring_desc_addr = page_addr ;
 327                 virtio->queue.ring_avail_addr = page_addr + (QUEUE_SIZE * sizeof(struct vring_desc));
 328                 virtio->queue.ring_used_addr = ( virtio->queue.ring_avail_addr + \
 329                                                  sizeof(struct vring_avail)    + \
 330                                                  (QUEUE_SIZE * sizeof(uint16_t)));
 331
 332                 // round up to next page boundary.
 333                 virtio->queue.ring_used_addr = (virtio->queue.ring_used_addr + 0xfff) & ~0xfff;
 334
 335                 if (guest_pa_to_host_va(dev->vm, virtio->queue.ring_desc_addr, (addr_t *)&(virtio->queue.desc)) == -1) {
 336                     PrintError("Could not translate ring descriptor address\n");
 337                     return -1;
 338                 }
 339
 340
 341                 if (guest_pa_to_host_va(dev->vm, virtio->queue.ring_avail_addr, (addr_t *)&(virtio->queue.avail)) == -1) {
 342                     PrintError("Could not translate ring available address\n");
 343                     return -1;
 344                 }
 345
 346
 347                 if (guest_pa_to_host_va(dev->vm, virtio->queue.ring_used_addr, (addr_t *)&(virtio->queue.used)) == -1) {
 348                     PrintError("Could not translate ring used address\n");
 349                     return -1;
 350                 }
 351
 352                 PrintDebug("RingDesc_addr=%p, Avail_addr=%p, Used_addr=%p\n",
 353                            (void *)(virtio->queue.ring_desc_addr),
 354                            (void *)(virtio->queue.ring_avail_addr),
 355                            (void *)(virtio->queue.ring_used_addr));
 356
 357                 PrintDebug("RingDesc=%p, Avail=%p, Used=%p\n",
 358                            virtio->queue.desc, virtio->queue.avail, virtio->queue.used);
 359
 360             } else {
 361                 PrintError("Illegal write length for page frame number\n");
 362                 return -1;
 363             }
 364             break;
 365         case VRING_Q_SEL_PORT:
 366             virtio->virtio_cfg.vring_queue_selector = *(uint16_t *)src;
 367
 368             if (virtio->virtio_cfg.vring_queue_selector != 0) {
 369                 PrintError("Virtio Block device only uses 1 queue, selected %d\n",
 370                            virtio->virtio_cfg.vring_queue_selector);
 371                 return -1;
 372             }
 373
 374             break;
 375         case VRING_Q_NOTIFY_PORT:
 376             PrintDebug("Handling Kick\n");
 377             if (handle_kick(dev) == -1) {
 378                 PrintError("Could not handle Block Notification\n");
 379                 return -1;
 380             }
 381             break;
 382         case VIRTIO_STATUS_PORT:
 383             virtio->virtio_cfg.status = *(uint8_t *)src;
 384
 385             if (virtio->virtio_cfg.status == 0) {
 386                 PrintDebug("Resetting device\n");
 387                 virtio_reset(dev);
 388             }
 389
 390             break;
 391
 392         case VIRTIO_ISR_PORT:
 393             virtio->virtio_cfg.pci_isr = *(uint8_t *)src;
 394             break;
 395         default:
 396             return -1;
 397             break;
 398     }
 399
 400     return length;
 401 }
 402
 403
 404 static int virtio_io_read(uint16_t port, void * dst, uint_t length, struct vm_device * dev) {
 405     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 406     int port_idx = port % virtio->io_range_size;
 407
 408
 409     PrintDebug("VIRTIO BLOCK Read  for port %d (index =%d), length=%d\n",
 410                port, port_idx, length);
 411
 412     switch (port_idx) {
 413         case HOST_FEATURES_PORT:
 414             if (length != 4) {
 415                 PrintError("Illegal read length for host features\n");
 416                 return -1;
 417             }
 418
 419             *(uint32_t *)dst = virtio->virtio_cfg.host_features;
 420
 421             break;
 422         case VRING_PG_NUM_PORT:
 423             if (length != 4) {
 424                 PrintError("Illegal read length for page frame number\n");
 425                 return -1;
 426             }
 427
 428             *(uint32_t *)dst = virtio->queue.pfn;
 429
 430             break;
 431         case VRING_SIZE_PORT:
 432             if (length != 2) {
 433                 PrintError("Illegal read length for vring size\n");
 434                 return -1;
 435             }
 436
 437             *(uint16_t *)dst = virtio->queue.queue_size;
 438
 439             break;
 440
 441         case VIRTIO_STATUS_PORT:
 442             if (length != 1) {
 443                 PrintError("Illegal read length for status\n");
 444                 return -1;
 445             }
 446
 447             *(uint8_t *)dst = virtio->virtio_cfg.status;
 448             break;
 449
 450         case VIRTIO_ISR_PORT:
 451             *(uint8_t *)dst = virtio->virtio_cfg.pci_isr;
 452             virtio->virtio_cfg.pci_isr = 0;
 453             v3_pci_lower_irq(virtio->pci_bus, 0, virtio->pci_dev);
 454             break;
 455
 456         default:
 457             if ( (port_idx >= sizeof(struct virtio_config)) &&
 458                  (port_idx < (sizeof(struct virtio_config) + sizeof(struct blk_config))) ) {
 459
 460                 uint8_t * cfg_ptr = (uint8_t *)&(virtio->block_cfg);
 461                 memcpy(dst, cfg_ptr, length);
 462
 463             } else {
 464                 PrintError("Read of Unhandled Virtio Read\n");
 465                 return -1;
 466             }
 467
 468             break;
 469     }
 470
 471     return length;
 472 }
 473
 474
 475
 476
 477 static struct v3_device_ops dev_ops = {
 478     .free = virtio_free,
 479     .reset = NULL,
 480     .start = NULL,
 481     .stop = NULL,
 482 };
 483
 484
 485
 486
 487 int v3_virtio_register_cdrom(struct vm_device * dev, struct v3_cd_ops * ops, void * private_data) {
 488     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 489
 490     virtio->block_type = BLOCK_CDROM;
 491     virtio->cd_ops = ops;
 492     virtio->backend_data = private_data;
 493
 494     virtio->block_cfg.capacity = ops->get_capacity(private_data);
 495
 496     return 0;
 497 }
 498
 499
 500 int v3_virtio_register_harddisk(struct vm_device * dev, struct v3_hd_ops * ops, void * private_data) {
 501     struct virtio_blk_state * virtio = (struct virtio_blk_state *)dev->private_data;
 502
 503     virtio->block_type = BLOCK_DISK;
 504     virtio->hd_ops = ops;
 505     virtio->backend_data = private_data;
 506
 507     virtio->block_cfg.capacity = ops->get_capacity(private_data);
 508
 509     return 0;
 510 }
 511
 512
 513
 514 static int virtio_init(struct guest_info * vm, void * cfg_data) {
 515     struct vm_device * pci_bus = v3_find_dev(vm, (char *)cfg_data);
 516     struct virtio_blk_state * virtio_state = NULL;
 517     struct pci_device * pci_dev = NULL;
 518
 519     PrintDebug("Initializing VIRTIO Block device\n");
 520
 521     if (pci_bus == NULL) {
 522         PrintError("VirtIO devices require a PCI Bus");
 523         return -1;
 524     }
 525
 526
 527     virtio_state  = (struct virtio_blk_state *)V3_Malloc(sizeof(struct virtio_blk_state));
 528     memset(virtio_state, 0, sizeof(struct virtio_blk_state));
 529
 530
 531     struct vm_device * dev = v3_allocate_device("LNX_VIRTIO_BLK", &dev_ops, virtio_state);
 532     if (v3_attach_device(vm, dev) == -1) {
 533         PrintError("Could not attach device %s\n", "LNX_VIRTIO_BLK");
 534         return -1;
 535     }
 536
 537
 538     // PCI initialization
 539     {
 540         struct v3_pci_bar bars[6];
 541         int num_ports = sizeof(struct virtio_config) + sizeof(struct blk_config);
 542         int tmp_ports = num_ports;
 543         int i;
 544
 545
 546
 547         // This gets the number of ports, rounded up to a power of 2
 548         virtio_state->io_range_size = 1; // must be a power of 2
 549
 550         while (tmp_ports > 0) {
 551             tmp_ports >>= 1;
 552             virtio_state->io_range_size <<= 1;
 553         }
 554
 555         // this is to account for any low order bits being set in num_ports
 556         // if there are none, then num_ports was already a power of 2 so we shift right to reset it
 557         if ((num_ports & ((virtio_state->io_range_size >> 1) - 1)) == 0) {
 558             virtio_state->io_range_size >>= 1;
 559         }
 560
 561
 562         for (i = 0; i < 6; i++) {
 563             bars[i].type = PCI_BAR_NONE;
 564         }
 565
 566         bars[0].type = PCI_BAR_IO;
 567         bars[0].default_base_port = -1;
 568         bars[0].num_ports = virtio_state->io_range_size;
 569
 570         bars[0].io_read = virtio_io_read;
 571         bars[0].io_write = virtio_io_write;
 572
 573         pci_dev = v3_pci_register_device(pci_bus, PCI_STD_DEVICE,
 574                                          0, PCI_AUTO_DEV_NUM, 0,
 575                                          "LNX_VIRTIO_BLK", bars,
 576                                          NULL, NULL, NULL, dev);
 577
 578         if (!pci_dev) {
 579             PrintError("Could not register PCI Device\n");
 580             return -1;
 581         }
 582
 583         pci_dev->config_header.vendor_id = VIRTIO_VENDOR_ID;
 584         pci_dev->config_header.subsystem_vendor_id = VIRTIO_SUBVENDOR_ID;
 585
 586
 587         pci_dev->config_header.device_id = VIRTIO_BLOCK_DEV_ID;
 588         pci_dev->config_header.class = PCI_CLASS_STORAGE;
 589         pci_dev->config_header.subclass = PCI_STORAGE_SUBCLASS_OTHER;
 590
 591         pci_dev->config_header.subsystem_id = VIRTIO_BLOCK_SUBDEVICE_ID;
 592
 593
 594         pci_dev->config_header.intr_pin = 1;
 595
 596         pci_dev->config_header.max_latency = 1; // ?? (qemu does it...)
 597
 598
 599         virtio_state->pci_dev = pci_dev;
 600         virtio_state->pci_bus = pci_bus;
 601     }
 602
 603     /* Block configuration */
 604     virtio_state->virtio_cfg.host_features = VIRTIO_SEG_MAX;
 605
 606     // Virtio Block only uses one queue
 607     virtio_state->queue.queue_size = QUEUE_SIZE;
 608
 609     virtio_reset(dev);
 610
 611     virtio_state->backend_data = NULL;
 612     virtio_state->block_type = BLOCK_NONE;
 613     virtio_state->hd_ops = NULL;
 614
 615     return 0;
 616 }
 617
 618
 619 device_register("LNX_VIRTIO_BLK", virtio_init)