palacios/src/palacios/vmm_ctrl_regs.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/vmcb.h>
  23 #include <palacios/vmm_decoder.h>
  24 #include <palacios/vm_guest_mem.h>
  25 #include <palacios/vmm_ctrl_regs.h>
  26
  27
  28
  29 /* Segmentation is a problem here...
  30  *
  31  * When we get a memory operand, presumably we use the default segment (which is?)
  32  * unless an alternate segment was specfied in the prefix...
  33  */
  34
  35
  36 #ifndef DEBUG_CTRL_REGS
  37 #undef PrintDebug
  38 #define PrintDebug(fmt, args...)
  39 #endif
  40
  41
  42 static int handle_lmsw(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr);
  43 static int handle_clts(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr);
  44 static int handle_mov_to_cr0(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr);
  45
  46
  47 // First Attempt = 494 lines
  48 // current = 106 lines
  49 int v3_handle_cr0_write(struct guest_info * info) {
  50   uchar_t instr[15];
  51   int ret;
  52   struct x86_instr dec_instr;
  53
  54   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
  55     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
  56   } else {
  57     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
  58   }
  59
  60   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
  61     PrintError("Could not decode instruction\n");
  62     return -1;
  63   }
  64
  65   if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_LMSW, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
  66
  67     if (handle_lmsw(info, &dec_instr) == -1) {
  68       return -1;
  69     }
  70
  71   } else if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOV2CR, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
  72
  73     if (handle_mov_to_cr0(info, &dec_instr) == -1) {
  74       return -1;
  75     }
  76
  77   } else if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_CLTS, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
  78
  79     if (handle_clts(info, &dec_instr) == -1) {
  80       return -1;
  81     }
  82
  83   } else {
  84     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr0_write\n");
  85     return -1;
  86   }
  87
  88   info->rip += dec_instr.instr_length;
  89
  90   return 0;
  91 }
  92
  93
  94
  95
  96 // The CR0 register only has flags in the low 32 bits
  97 // The hardware does a format check to make sure the high bits are zero
  98 // Because of this we can ignore the high 32 bits here
  99 static int handle_mov_to_cr0(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr) {
 100   // 32 bit registers
 101   struct cr0_32 * shadow_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->ctrl_regs.cr0);
 102   struct cr0_32 * new_cr0 = (struct cr0_32 *)(dec_instr->src_operand.operand);
 103   struct cr0_32 * guest_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 104   uint_t paging_transition = 0;
 105
 106   PrintDebug("MOV2CR0 (MODE=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 107
 108   PrintDebug("OperandVal = %x, length=%d\n", *(uint_t *)new_cr0, dec_instr->src_operand.size);
 109
 110   PrintDebug("Old CR0=%x\n", *(uint_t *)shadow_cr0);
 111   PrintDebug("Old Guest CR0=%x\n", *(uint_t *)guest_cr0);
 112
 113
 114   // We detect if this is a paging transition
 115   if (guest_cr0->pg != new_cr0->pg) {
 116     paging_transition = 1;
 117   }
 118
 119   // Guest always sees the value they wrote
 120   *guest_cr0 = *new_cr0;
 121
 122   // This value must always be set to 1
 123   guest_cr0->et = 1;
 124
 125   // Set the shadow register to catch non-virtualized flags
 126   *shadow_cr0 = *guest_cr0;
 127
 128   // Paging is always enabled
 129   shadow_cr0->pg = 1;
 130
 131   // Was there a paging transition
 132   // Meaning we need to change the page tables
 133   if (paging_transition) {
 134     if (v3_get_mem_mode(info) == VIRTUAL_MEM) {
 135
 136       PrintDebug("Activating Shadow Page Tables\n");
 137
 138       if (v3_activate_shadow_pt(info) == -1) {
 139         PrintError("Failed to activate shadow page tables\n");
 140         return -1;
 141       }
 142     } else  {
 143
 144       if (v3_activate_passthrough_pt(info) == -1) {
 145         PrintError("Failed to activate passthrough page tables\n");
 146         return -1;
 147       }
 148     }
 149   }
 150
 151   PrintDebug("New Guest CR0=%x\n",*(uint_t *)guest_cr0);
 152   PrintDebug("New CR0=%x\n", *(uint_t *)shadow_cr0);
 153
 154   return 0;
 155 }
 156
 157
 158
 159
 160 static int handle_clts(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr) {
 161   // CLTS
 162   struct cr0_32 * real_cr0 = (struct cr0_32*)&(info->ctrl_regs.cr0);
 163
 164   real_cr0->ts = 0;
 165
 166   if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 167     struct cr0_32 * guest_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 168     guest_cr0->ts = 0;
 169   }
 170   return 0;
 171 }
 172
 173
 174 static int handle_lmsw(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr) {
 175  struct cr0_real * real_cr0  = (struct cr0_real*)&(info->ctrl_regs.cr0);
 176  struct cr0_real * new_cr0 = (struct cr0_real *)(dec_instr->src_operand.operand);
 177  uchar_t new_cr0_val;
 178
 179  PrintDebug("LMSW\n");
 180
 181  new_cr0_val = (*(char*)(new_cr0)) & 0x0f;
 182
 183  PrintDebug("OperandVal = %x\n", new_cr0_val);
 184
 185  // We can just copy the new value through
 186  // we don't need to virtualize the lower 4 bits
 187  PrintDebug("Old CR0=%x\n", *(uint_t *)real_cr0);
 188  *(uchar_t*)real_cr0 &= 0xf0;
 189  *(uchar_t*)real_cr0 |= new_cr0_val;
 190  PrintDebug("New CR0=%x\n", *(uint_t *)real_cr0);
 191
 192
 193  // If Shadow paging is enabled we push the changes to the virtualized copy of cr0
 194  if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 195    struct cr0_real * guest_cr0 = (struct cr0_real*)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 196
 197    PrintDebug("Old Guest CR0=%x\n", *(uint_t *)guest_cr0);
 198    *(uchar_t*)guest_cr0 &= 0xf0;
 199    *(uchar_t*)guest_cr0 |= new_cr0_val;
 200    PrintDebug("New Guest CR0=%x\n", *(uint_t *)guest_cr0);
 201  }
 202  return 0;
 203 }
 204
 205
 206
 207
 208
 209 // First attempt = 253 lines
 210 // current = 51 lines
 211 int v3_handle_cr0_read(struct guest_info * info) {
 212   uchar_t instr[15];
 213   int ret;
 214   struct x86_instr dec_instr;
 215
 216   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 217     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 218   } else {
 219     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 220   }
 221
 222
 223   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 224     PrintError("Could not decode instruction\n");
 225     return -1;
 226   }
 227
 228   if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOVCR2, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 229     struct cr0_32 * dst_reg = (struct cr0_32 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 230     struct cr0_32 * shadow_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->ctrl_regs.cr0);
 231
 232     PrintDebug("MOVCR2 (mode=%s)\n", info->cpu_mode);
 233
 234     if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 235       struct cr0_32 * guest_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 236       *dst_reg = *guest_cr0;
 237     } else {
 238       *dst_reg = *shadow_cr0;
 239     }
 240
 241     PrintDebug("Shadow CR0: %x\n", *(uint_t*)shadow_cr0);
 242     PrintDebug("returned CR0: %x\n", *(uint_t*)dst_reg);
 243   } else if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_SMSW, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 244     struct cr0_real * shadow_cr0 = (struct cr0_real *)&(info->ctrl_regs.cr0);
 245     struct cr0_real * dst_reg = (struct cr0_real *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 246     char cr0_val = *(char*)shadow_cr0 & 0x0f;
 247
 248     PrintDebug("SMSW\n");
 249
 250     // The lower 4 bits of the guest/shadow CR0 are mapped through
 251     // We can treat nested and shadow paging the same here
 252     *(char *)dst_reg &= 0xf0;
 253     *(char *)dst_reg |= cr0_val;
 254
 255   } else {
 256     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr0_read\n");
 257     return -1;
 258   }
 259
 260   info->rip += dec_instr.instr_length;
 261
 262   return 0;
 263 }
 264
 265
 266
 267
 268 // First Attempt = 256 lines
 269 // current = 65 lines
 270 int v3_handle_cr3_write(struct guest_info * info) {
 271   int ret;
 272   uchar_t instr[15];
 273   struct x86_instr dec_instr;
 274
 275   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 276     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 277   } else {
 278     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 279   }
 280
 281   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 282     PrintError("Could not decode instruction\n");
 283     return -1;
 284   }
 285
 286   if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOV2CR, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 287     PrintDebug("MOV2CR3 (cpu_mode=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 288
 289     if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 290       PrintDebug("Old Shadow CR3=%p; Old Guest CR3=%p\n",
 291                  (void *)(addr_t)(info->ctrl_regs.cr3),
 292                  (void*)(addr_t)(info->shdw_pg_state.guest_cr3));
 293
 294
 295       // We update the guest CR3
 296       if (info->cpu_mode == LONG) {
 297         struct cr3_64 * new_cr3 = (struct cr3_64 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 298         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 299         *guest_cr3 = *new_cr3;
 300       } else {
 301         struct cr3_32 * new_cr3 = (struct cr3_32 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 302         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 303         *guest_cr3 = *new_cr3;
 304       }
 305
 306       // If Paging is enabled in the guest then we need to change the shadow page tables
 307       if (info->mem_mode == VIRTUAL_MEM) {
 308         if (v3_activate_shadow_pt(info) == -1) {
 309           PrintError("Failed to activate 32 bit shadow page table\n");
 310           return -1;
 311         }
 312       }
 313
 314       PrintDebug("New Shadow CR3=%p; New Guest CR3=%p\n",
 315                  (void *)(addr_t)(info->ctrl_regs.cr3),
 316                  (void*)(addr_t)(info->shdw_pg_state.guest_cr3));
 317
 318     } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 319
 320      // This is just a passthrough operation which we probably don't need here
 321       if (info->cpu_mode == LONG) {
 322         struct cr3_64 * new_cr3 = (struct cr3_64 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 323         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 324         *guest_cr3 = *new_cr3;
 325       } else {
 326         struct cr3_32 * new_cr3 = (struct cr3_32 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 327         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 328         *guest_cr3 = *new_cr3;
 329       }
 330
 331     }
 332   } else {
 333     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr3_write\n");
 334     return -1;
 335   }
 336
 337   info->rip += dec_instr.instr_length;
 338
 339   return 0;
 340 }
 341
 342
 343
 344 // first attempt = 156 lines
 345 // current = 36 lines
 346 int v3_handle_cr3_read(struct guest_info * info) {
 347   uchar_t instr[15];
 348   int ret;
 349   struct x86_instr dec_instr;
 350
 351   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 352     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 353   } else {
 354     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 355   }
 356
 357   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 358     PrintError("Could not decode instruction\n");
 359     return -1;
 360   }
 361
 362   if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOVCR2, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 363     PrintDebug("MOVCR32 (mode=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 364
 365     if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 366
 367       if (info->cpu_mode == LONG) {
 368         struct cr3_64 * dst_reg = (struct cr3_64 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 369         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 370         *dst_reg = *guest_cr3;
 371       } else {
 372         struct cr3_32 * dst_reg = (struct cr3_32 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 373         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 374         *dst_reg = *guest_cr3;
 375       }
 376
 377     } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 378
 379       // This is just a passthrough operation which we probably don't need here
 380       if (info->cpu_mode == LONG) {
 381         struct cr3_64 * dst_reg = (struct cr3_64 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 382         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 383         *dst_reg = *guest_cr3;
 384       } else {
 385         struct cr3_32 * dst_reg = (struct cr3_32 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 386         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 387         *dst_reg = *guest_cr3;
 388       }
 389     }
 390
 391   } else {
 392     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr3_read\n");
 393     return -1;
 394   }
 395
 396   info->rip += dec_instr.instr_length;
 397
 398   return 0;
 399 }
 400
 401
 402 // We don't need to virtualize CR4, all we need is to detect the activation of PAE
 403 int v3_handle_cr4_read(struct guest_info * info) {
 404   //  PrintError("CR4 Read not handled\n");
 405   // Do nothing...
 406   return 0;
 407 }
 408
 409 int v3_handle_cr4_write(struct guest_info * info) {
 410   uchar_t instr[15];
 411   int ret;
 412   struct x86_instr dec_instr;
 413
 414   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 415     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 416   } else {
 417     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 418   }
 419
 420   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 421     PrintError("Could not decode instruction\n");
 422     return -1;
 423   }
 424
 425   if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOV2CR, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) != 0) {
 426     PrintError("Invalid opcode in write to CR4\n");
 427     return -1;
 428   }
 429
 430   if ((info->cpu_mode == PROTECTED) || (info->cpu_mode == PROTECTED_PAE)) {
 431     struct cr4_32 * new_cr4 = (struct cr4_32 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 432     struct cr4_32 * cr4 = (struct cr4_32 *)&(info->ctrl_regs.cr4);
 433
 434     PrintDebug("OperandVal = %x, length = %d\n", *(uint_t *)new_cr4, dec_instr.src_operand.size);
 435     PrintDebug("Old CR4=%x\n", *(uint_t *)cr4);
 436
 437     if ((info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) &&
 438         (v3_get_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM)) {
 439
 440       if ((cr4->pae == 0) && (new_cr4->pae == 1)) {
 441         PrintDebug("Creating PAE passthrough tables\n");
 442
 443         // Delete the old 32 bit direct map page tables
 444         delete_page_tables_32((pde32_t *)V3_VAddr((void *)(info->direct_map_pt)));
 445
 446         // create 32 bit PAE direct map page table
 447         info->direct_map_pt = (addr_t)V3_PAddr(create_passthrough_pts_32PAE(info));
 448
 449         // reset cr3 to new page tables
 450         info->ctrl_regs.cr3 = *(addr_t*)&(info->direct_map_pt);
 451
 452       } else if ((cr4->pae == 1) && (new_cr4->pae == 0)) {
 453         // Create passthrough standard 32bit pagetables
 454         return -1;
 455       }
 456     }
 457
 458     *cr4 = *new_cr4;
 459     PrintDebug("New CR4=%x\n", *(uint_t *)cr4);
 460
 461   } else {
 462     PrintError("CR4 write not supported in CPU_MODE: %d\n", info->cpu_mode);
 463     return -1;
 464   }
 465
 466   info->rip += dec_instr.instr_length;
 467   return 0;
 468 }
 469
 470
 471 int v3_handle_efer_read(uint_t msr, struct v3_msr * dst, void * priv_data) {
 472   struct guest_info * info = (struct guest_info *)(priv_data);
 473   PrintDebug("EFER Read\n");
 474
 475   dst->value = info->guest_efer.value;
 476
 477   info->rip += 2; // WRMSR/RDMSR are two byte operands
 478   return 0;
 479 }
 480
 481
 482 int v3_handle_efer_write(uint_t msr, struct v3_msr src, void * priv_data) {
 483   struct guest_info * info = (struct guest_info *)(priv_data);
 484   struct efer_64 * new_efer = (struct efer_64 *)&(src.value);
 485   struct efer_64 * shadow_efer = (struct efer_64 *)&(info->ctrl_regs.efer);
 486   struct v3_msr * guest_efer = &(info->guest_efer);
 487
 488   PrintDebug("EFER Write\n");
 489   PrintDebug("Old EFER=%p\n", (void *)*(addr_t*)(shadow_efer));
 490
 491   // We virtualize the guests efer to hide the SVME and LMA bits
 492   guest_efer->value = src.value;
 493
 494
 495   if ((info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) &&
 496       (v3_get_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM)) {
 497
 498     if ((shadow_efer->lme == 0) && (new_efer->lme == 1)) {
 499       PrintDebug("Transition to longmode\n");
 500       PrintDebug("Creating Passthrough 64 bit page tables\n");
 501
 502       // Delete the old 32 bit direct map page tables
 503       /*
 504        * JRL BUG?
 505        * Will these page tables always be in PAE format??
 506        */
 507       PrintDebug("Deleting old PAE Page tables\n");
 508       PrintError("JRL BUG?: Will the old page tables always be in PAE format??\n");
 509       delete_page_tables_32PAE((pdpe32pae_t *)V3_VAddr((void *)(info->direct_map_pt)));
 510
 511       // create 64 bit direct map page table
 512       info->direct_map_pt = (addr_t)V3_PAddr(create_passthrough_pts_64(info));
 513
 514       // reset cr3 to new page tables
 515       info->ctrl_regs.cr3 = *(addr_t*)&(info->direct_map_pt);
 516
 517       // We mark the Long Mode active  because we have paging enabled
 518       // We do this in new_efer because we copy the msr in full below
 519       new_efer->lma = 1;
 520
 521     } else if ((shadow_efer->lme == 1) && (new_efer->lme == 0)) {
 522       // transition out of long mode
 523       //((struct efer_64 *)&(info->guest_efer.value))->lme = 0;
 524       //((struct efer_64 *)&(info->guest_efer.value))->lma = 0;
 525
 526       return -1;
 527     }
 528
 529     // accept all changes to the efer, but make sure that the SVME bit is set... (SVM specific)
 530     *shadow_efer = *new_efer;
 531     shadow_efer->svme = 1;
 532
 533
 534
 535     PrintDebug("New EFER=%p\n", (void *)*(addr_t *)(shadow_efer));
 536   } else {
 537     PrintError("Write to EFER in NESTED_PAGING or VIRTUAL_MEM mode not supported\n");
 538     // Should probably just check for a long mode transition, and bomb out if it is
 539     return -1;
 540   }
 541
 542   info->rip += 2; // WRMSR/RDMSR are two byte operands
 543
 544   return 0;
 545 }