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 (dec_instr.op_type == V3_OP_LMSW) {
  66   //  if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_LMSW, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
  67
  68     if (handle_lmsw(info, &dec_instr) == -1) {
  69       return -1;
  70     }
  71
  72     //  } else if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOV2CR, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
  73   } else if (dec_instr.op_type == V3_OP_MOV2CR) {
  74     if (handle_mov_to_cr0(info, &dec_instr) == -1) {
  75       return -1;
  76     }
  77
  78     //  } else if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_CLTS, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
  79   } else if (dec_instr.op_type == V3_OP_CLTS) {
  80
  81     if (handle_clts(info, &dec_instr) == -1) {
  82       return -1;
  83     }
  84
  85   } else {
  86     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr0_write\n");
  87     return -1;
  88   }
  89
  90   info->rip += dec_instr.instr_length;
  91
  92   return 0;
  93 }
  94
  95
  96
  97
  98 // The CR0 register only has flags in the low 32 bits
  99 // The hardware does a format check to make sure the high bits are zero
 100 // Because of this we can ignore the high 32 bits here
 101 static int handle_mov_to_cr0(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr) {
 102   // 32 bit registers
 103   struct cr0_32 * shadow_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->ctrl_regs.cr0);
 104   struct cr0_32 * new_cr0 = (struct cr0_32 *)(dec_instr->src_operand.operand);
 105   struct cr0_32 * guest_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 106   uint_t paging_transition = 0;
 107
 108   PrintDebug("MOV2CR0 (MODE=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 109
 110   PrintDebug("OperandVal = %x, length=%d\n", *(uint_t *)new_cr0, dec_instr->src_operand.size);
 111
 112   PrintDebug("Old CR0=%x\n", *(uint_t *)shadow_cr0);
 113   PrintDebug("Old Guest CR0=%x\n", *(uint_t *)guest_cr0);
 114
 115
 116   // We detect if this is a paging transition
 117   if (guest_cr0->pg != new_cr0->pg) {
 118     paging_transition = 1;
 119   }
 120
 121   // Guest always sees the value they wrote
 122   *guest_cr0 = *new_cr0;
 123
 124   // This value must always be set to 1
 125   guest_cr0->et = 1;
 126
 127   // Set the shadow register to catch non-virtualized flags
 128   *shadow_cr0 = *guest_cr0;
 129
 130   // Paging is always enabled
 131   shadow_cr0->pg = 1;
 132
 133   // Was there a paging transition
 134   // Meaning we need to change the page tables
 135   if (paging_transition) {
 136     if (v3_get_mem_mode(info) == VIRTUAL_MEM) {
 137
 138       PrintDebug("Activating Shadow Page Tables\n");
 139
 140       if (v3_activate_shadow_pt(info) == -1) {
 141         PrintError("Failed to activate shadow page tables\n");
 142         return -1;
 143       }
 144     } else  {
 145
 146       if (v3_activate_passthrough_pt(info) == -1) {
 147         PrintError("Failed to activate passthrough page tables\n");
 148         return -1;
 149       }
 150     }
 151   }
 152
 153   PrintDebug("New Guest CR0=%x\n",*(uint_t *)guest_cr0);
 154   PrintDebug("New CR0=%x\n", *(uint_t *)shadow_cr0);
 155
 156   return 0;
 157 }
 158
 159
 160
 161
 162 static int handle_clts(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr) {
 163   // CLTS
 164   struct cr0_32 * real_cr0 = (struct cr0_32*)&(info->ctrl_regs.cr0);
 165
 166   real_cr0->ts = 0;
 167
 168   if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 169     struct cr0_32 * guest_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 170     guest_cr0->ts = 0;
 171   }
 172   return 0;
 173 }
 174
 175
 176 static int handle_lmsw(struct guest_info * info, struct x86_instr * dec_instr) {
 177  struct cr0_real * real_cr0  = (struct cr0_real*)&(info->ctrl_regs.cr0);
 178  struct cr0_real * new_cr0 = (struct cr0_real *)(dec_instr->src_operand.operand);
 179  uchar_t new_cr0_val;
 180
 181  PrintDebug("LMSW\n");
 182
 183  new_cr0_val = (*(char*)(new_cr0)) & 0x0f;
 184
 185  PrintDebug("OperandVal = %x\n", new_cr0_val);
 186
 187  // We can just copy the new value through
 188  // we don't need to virtualize the lower 4 bits
 189  PrintDebug("Old CR0=%x\n", *(uint_t *)real_cr0);
 190  *(uchar_t*)real_cr0 &= 0xf0;
 191  *(uchar_t*)real_cr0 |= new_cr0_val;
 192  PrintDebug("New CR0=%x\n", *(uint_t *)real_cr0);
 193
 194
 195  // If Shadow paging is enabled we push the changes to the virtualized copy of cr0
 196  if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 197    struct cr0_real * guest_cr0 = (struct cr0_real*)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 198
 199    PrintDebug("Old Guest CR0=%x\n", *(uint_t *)guest_cr0);
 200    *(uchar_t*)guest_cr0 &= 0xf0;
 201    *(uchar_t*)guest_cr0 |= new_cr0_val;
 202    PrintDebug("New Guest CR0=%x\n", *(uint_t *)guest_cr0);
 203  }
 204  return 0;
 205 }
 206
 207
 208
 209
 210
 211 // First attempt = 253 lines
 212 // current = 51 lines
 213 int v3_handle_cr0_read(struct guest_info * info) {
 214   uchar_t instr[15];
 215   int ret;
 216   struct x86_instr dec_instr;
 217
 218   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 219     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 220   } else {
 221     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 222   }
 223
 224
 225   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 226     PrintError("Could not decode instruction\n");
 227     return -1;
 228   }
 229
 230   //  if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOVCR2, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 231   if (dec_instr.op_type == V3_OP_MOVCR2) {
 232     struct cr0_32 * dst_reg = (struct cr0_32 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 233     struct cr0_32 * shadow_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->ctrl_regs.cr0);
 234
 235     PrintDebug("MOVCR2 (mode=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 236
 237     if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 238       struct cr0_32 * guest_cr0 = (struct cr0_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr0);
 239       *dst_reg = *guest_cr0;
 240     } else {
 241       *dst_reg = *shadow_cr0;
 242     }
 243
 244     PrintDebug("Shadow CR0: %x\n", *(uint_t*)shadow_cr0);
 245     PrintDebug("returned CR0: %x\n", *(uint_t*)dst_reg);
 246     //  } else if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_SMSW, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 247   } else if (dec_instr.op_type == V3_OP_SMSW) {
 248     struct cr0_real * shadow_cr0 = (struct cr0_real *)&(info->ctrl_regs.cr0);
 249     struct cr0_real * dst_reg = (struct cr0_real *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 250     char cr0_val = *(char*)shadow_cr0 & 0x0f;
 251
 252     PrintDebug("SMSW\n");
 253
 254     // The lower 4 bits of the guest/shadow CR0 are mapped through
 255     // We can treat nested and shadow paging the same here
 256     *(char *)dst_reg &= 0xf0;
 257     *(char *)dst_reg |= cr0_val;
 258
 259   } else {
 260     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr0_read\n");
 261     return -1;
 262   }
 263
 264   info->rip += dec_instr.instr_length;
 265
 266   return 0;
 267 }
 268
 269
 270
 271
 272 // First Attempt = 256 lines
 273 // current = 65 lines
 274 int v3_handle_cr3_write(struct guest_info * info) {
 275   int ret;
 276   uchar_t instr[15];
 277   struct x86_instr dec_instr;
 278
 279   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 280     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 281   } else {
 282     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 283   }
 284
 285   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 286     PrintError("Could not decode instruction\n");
 287     return -1;
 288   }
 289
 290   //  if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOV2CR, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 291   if (dec_instr.op_type == V3_OP_MOV2CR) {
 292     PrintDebug("MOV2CR3 (cpu_mode=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 293
 294     if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 295       PrintDebug("Old Shadow CR3=%p; Old Guest CR3=%p\n",
 296                  (void *)(addr_t)(info->ctrl_regs.cr3),
 297                  (void*)(addr_t)(info->shdw_pg_state.guest_cr3));
 298
 299
 300       // We update the guest CR3
 301       if (info->cpu_mode == LONG) {
 302         struct cr3_64 * new_cr3 = (struct cr3_64 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 303         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 304         *guest_cr3 = *new_cr3;
 305       } else {
 306         struct cr3_32 * new_cr3 = (struct cr3_32 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 307         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 308         *guest_cr3 = *new_cr3;
 309       }
 310
 311       // If Paging is enabled in the guest then we need to change the shadow page tables
 312       if (info->mem_mode == VIRTUAL_MEM) {
 313         if (v3_activate_shadow_pt(info) == -1) {
 314           PrintError("Failed to activate 32 bit shadow page table\n");
 315           return -1;
 316         }
 317       }
 318
 319       PrintDebug("New Shadow CR3=%p; New Guest CR3=%p\n",
 320                  (void *)(addr_t)(info->ctrl_regs.cr3),
 321                  (void*)(addr_t)(info->shdw_pg_state.guest_cr3));
 322
 323     } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 324
 325      // This is just a passthrough operation which we probably don't need here
 326       if (info->cpu_mode == LONG) {
 327         struct cr3_64 * new_cr3 = (struct cr3_64 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 328         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 329         *guest_cr3 = *new_cr3;
 330       } else {
 331         struct cr3_32 * new_cr3 = (struct cr3_32 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 332         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 333         *guest_cr3 = *new_cr3;
 334       }
 335
 336     }
 337   } else {
 338     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr3_write\n");
 339     return -1;
 340   }
 341
 342   info->rip += dec_instr.instr_length;
 343
 344   return 0;
 345 }
 346
 347
 348
 349 // first attempt = 156 lines
 350 // current = 36 lines
 351 int v3_handle_cr3_read(struct guest_info * info) {
 352   uchar_t instr[15];
 353   int ret;
 354   struct x86_instr dec_instr;
 355
 356   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 357     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 358   } else {
 359     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 360   }
 361
 362   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 363     PrintError("Could not decode instruction\n");
 364     return -1;
 365   }
 366
 367   //  if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOVCR2, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) == 0) {
 368   if (dec_instr.op_type == V3_OP_MOVCR2) {
 369     PrintDebug("MOVCR32 (mode=%s)\n", v3_cpu_mode_to_str(info->cpu_mode));
 370
 371     if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 372
 373       if (info->cpu_mode == LONG) {
 374         struct cr3_64 * dst_reg = (struct cr3_64 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 375         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 376         *dst_reg = *guest_cr3;
 377       } else {
 378         struct cr3_32 * dst_reg = (struct cr3_32 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 379         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->shdw_pg_state.guest_cr3);
 380         *dst_reg = *guest_cr3;
 381       }
 382
 383     } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 384
 385       // This is just a passthrough operation which we probably don't need here
 386       if (info->cpu_mode == LONG) {
 387         struct cr3_64 * dst_reg = (struct cr3_64 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 388         struct cr3_64 * guest_cr3 = (struct cr3_64 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 389         *dst_reg = *guest_cr3;
 390       } else {
 391         struct cr3_32 * dst_reg = (struct cr3_32 *)(dec_instr.dst_operand.operand);
 392         struct cr3_32 * guest_cr3 = (struct cr3_32 *)&(info->ctrl_regs.cr3);
 393         *dst_reg = *guest_cr3;
 394       }
 395     }
 396
 397   } else {
 398     PrintError("Unhandled opcode in handle_cr3_read\n");
 399     return -1;
 400   }
 401
 402   info->rip += dec_instr.instr_length;
 403
 404   return 0;
 405 }
 406
 407
 408 // We don't need to virtualize CR4, all we need is to detect the activation of PAE
 409 int v3_handle_cr4_read(struct guest_info * info) {
 410   //  PrintError("CR4 Read not handled\n");
 411   // Do nothing...
 412   return 0;
 413 }
 414
 415 int v3_handle_cr4_write(struct guest_info * info) {
 416   uchar_t instr[15];
 417   int ret;
 418   struct x86_instr dec_instr;
 419
 420   if (info->mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 421     ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 422   } else {
 423     ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 424   }
 425
 426   if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 427     PrintError("Could not decode instruction\n");
 428     return -1;
 429   }
 430
 431   //  if (v3_opcode_cmp(V3_OPCODE_MOV2CR, (const uchar_t *)(dec_instr.opcode)) != 0) {
 432   if (dec_instr.op_type != V3_OP_MOV2CR) {
 433     PrintError("Invalid opcode in write to CR4\n");
 434     return -1;
 435   }
 436
 437   if ((info->cpu_mode == PROTECTED) || (info->cpu_mode == PROTECTED_PAE)) {
 438     struct cr4_32 * new_cr4 = (struct cr4_32 *)(dec_instr.src_operand.operand);
 439     struct cr4_32 * cr4 = (struct cr4_32 *)&(info->ctrl_regs.cr4);
 440
 441     PrintDebug("OperandVal = %x, length = %d\n", *(uint_t *)new_cr4, dec_instr.src_operand.size);
 442     PrintDebug("Old CR4=%x\n", *(uint_t *)cr4);
 443
 444     if ((info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) &&
 445         (v3_get_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM)) {
 446
 447       if ((cr4->pae == 0) && (new_cr4->pae == 1)) {
 448         PrintDebug("Creating PAE passthrough tables\n");
 449
 450         // Delete the old 32 bit direct map page tables
 451         delete_page_tables_32((pde32_t *)V3_VAddr((void *)(info->direct_map_pt)));
 452
 453         // create 32 bit PAE direct map page table
 454         info->direct_map_pt = (addr_t)V3_PAddr(create_passthrough_pts_32PAE(info));
 455
 456         // reset cr3 to new page tables
 457         info->ctrl_regs.cr3 = *(addr_t*)&(info->direct_map_pt);
 458
 459       } else if ((cr4->pae == 1) && (new_cr4->pae == 0)) {
 460         // Create passthrough standard 32bit pagetables
 461         return -1;
 462       }
 463     }
 464
 465     *cr4 = *new_cr4;
 466     PrintDebug("New CR4=%x\n", *(uint_t *)cr4);
 467
 468   } else {
 469     PrintError("CR4 write not supported in CPU_MODE: %d\n", info->cpu_mode);
 470     return -1;
 471   }
 472
 473   info->rip += dec_instr.instr_length;
 474   return 0;
 475 }
 476
 477
 478 int v3_handle_efer_read(uint_t msr, struct v3_msr * dst, void * priv_data) {
 479   struct guest_info * info = (struct guest_info *)(priv_data);
 480   PrintDebug("EFER Read\n");
 481
 482   dst->value = info->guest_efer.value;
 483
 484   info->rip += 2; // WRMSR/RDMSR are two byte operands
 485   return 0;
 486 }
 487
 488
 489 int v3_handle_efer_write(uint_t msr, struct v3_msr src, void * priv_data) {
 490   struct guest_info * info = (struct guest_info *)(priv_data);
 491   struct efer_64 * new_efer = (struct efer_64 *)&(src.value);
 492   struct efer_64 * shadow_efer = (struct efer_64 *)&(info->ctrl_regs.efer);
 493   struct v3_msr * guest_efer = &(info->guest_efer);
 494
 495   PrintDebug("EFER Write\n");
 496   PrintDebug("Old EFER=%p\n", (void *)*(addr_t*)(shadow_efer));
 497
 498   // We virtualize the guests efer to hide the SVME and LMA bits
 499   guest_efer->value = src.value;
 500
 501
 502   if ((info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) &&
 503       (v3_get_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM)) {
 504
 505     if ((shadow_efer->lme == 0) && (new_efer->lme == 1)) {
 506       PrintDebug("Transition to longmode\n");
 507       PrintDebug("Creating Passthrough 64 bit page tables\n");
 508
 509       // Delete the old 32 bit direct map page tables
 510       /*
 511        * JRL BUG?
 512        * Will these page tables always be in PAE format??
 513        */
 514       PrintDebug("Deleting old PAE Page tables\n");
 515       PrintError("JRL BUG?: Will the old page tables always be in PAE format??\n");
 516       delete_page_tables_32PAE((pdpe32pae_t *)V3_VAddr((void *)(info->direct_map_pt)));
 517
 518       // create 64 bit direct map page table
 519       info->direct_map_pt = (addr_t)V3_PAddr(create_passthrough_pts_64(info));
 520
 521       // reset cr3 to new page tables
 522       info->ctrl_regs.cr3 = *(addr_t*)&(info->direct_map_pt);
 523
 524       // We mark the Long Mode active  because we have paging enabled
 525       // We do this in new_efer because we copy the msr in full below
 526       new_efer->lma = 1;
 527
 528     } else if ((shadow_efer->lme == 1) && (new_efer->lme == 0)) {
 529       // transition out of long mode
 530       //((struct efer_64 *)&(info->guest_efer.value))->lme = 0;
 531       //((struct efer_64 *)&(info->guest_efer.value))->lma = 0;
 532
 533       return -1;
 534     }
 535
 536     // accept all changes to the efer, but make sure that the SVME bit is set... (SVM specific)
 537     *shadow_efer = *new_efer;
 538     shadow_efer->svme = 1;
 539
 540
 541
 542     PrintDebug("New EFER=%p\n", (void *)*(addr_t *)(shadow_efer));
 543   } else {
 544     PrintError("Write to EFER in NESTED_PAGING or VIRTUAL_MEM mode not supported\n");
 545     // Should probably just check for a long mode transition, and bomb out if it is
 546     return -1;
 547   }
 548
 549   info->rip += 2; // WRMSR/RDMSR are two byte operands
 550
 551   return 0;
 552 }