palacios/src/palacios/vmm_mem.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/vmm_util.h>
  23 #include <palacios/vmm_emulator.h>
  24 #include <palacios/vm_guest.h>
  25
  26 #include <palacios/vmm_shadow_paging.h>
  27 #include <palacios/vmm_direct_paging.h>
  28
  29
  30
  31
  32 static int mem_offset_hypercall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * private_data) {
  33     PrintDebug("V3Vee: Memory offset hypercall (offset=%p)\n",
  34                (void *)(info->vm_info->mem_map.base_region.host_addr));
  35
  36     info->vm_regs.rbx = info->vm_info->mem_map.base_region.host_addr;
  37
  38     return 0;
  39 }
  40
  41 static int unhandled_err(struct guest_info * core, addr_t guest_va, addr_t guest_pa,
  42                          struct v3_mem_region * reg, pf_error_t access_info) {
  43
  44     PrintError("Unhandled memory access error\n");
  45
  46     v3_print_mem_map(core->vm_info);
  47
  48     v3_print_guest_state(core);
  49
  50     return -1;
  51 }
  52
  53 int v3_init_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
  54     struct v3_mem_map * map = &(vm->mem_map);
  55     addr_t mem_pages = vm->mem_size >> 12;
  56
  57     memset(&(map->base_region), 0, sizeof(struct v3_mem_region));
  58
  59     map->mem_regions.rb_node = NULL;
  60
  61     // There is an underlying region that contains all of the guest memory
  62     // PrintDebug("Mapping %d pages of memory (%u bytes)\n", (int)mem_pages, (uint_t)info->mem_size);
  63
  64     map->base_region.guest_start = 0;
  65     map->base_region.guest_end = mem_pages * PAGE_SIZE_4KB;
  66
  67 #ifdef CONFIG_ALIGNED_PG_ALLOC
  68     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocAlignedPages(mem_pages, vm->mem_align);
  69 #else
  70     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocPages(mem_pages);
  71 #endif
  72
  73     map->base_region.flags.read = 1;
  74     map->base_region.flags.write = 1;
  75     map->base_region.flags.exec = 1;
  76     map->base_region.flags.base = 1;
  77     map->base_region.flags.alloced = 1;
  78
  79     map->base_region.unhandled = unhandled_err;
  80
  81     if ((void *)map->base_region.host_addr == NULL) {
  82         PrintError("Could not allocate Guest memory\n");
  83         return -1;
  84     }
  85
  86     //memset(V3_VAddr((void *)map->base_region.host_addr), 0xffffffff, map->base_region.guest_end);
  87
  88     v3_register_hypercall(vm, MEM_OFFSET_HCALL, mem_offset_hypercall, NULL);
  89
  90     return 0;
  91 }
  92
  93
  94 void v3_delete_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
  95     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
  96     struct v3_mem_region * reg;
  97     struct rb_node * tmp_node = NULL;
  98
  99     while (node) {
 100         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 101         tmp_node = node;
 102         node = v3_rb_next(node);
 103
 104         v3_delete_mem_region(vm, reg);
 105     }
 106
 107     V3_FreePage((void *)(vm->mem_map.base_region.host_addr));
 108 }
 109
 110
 111 struct v3_mem_region * v3_create_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 112                                                addr_t guest_addr_start, addr_t guest_addr_end) {
 113
 114     struct v3_mem_region * entry = (struct v3_mem_region *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_mem_region));
 115     memset(entry, 0, sizeof(struct v3_mem_region));
 116
 117     entry->guest_start = guest_addr_start;
 118     entry->guest_end = guest_addr_end;
 119     entry->core_id = core_id;
 120     entry->unhandled = unhandled_err;
 121
 122     return entry;
 123 }
 124
 125
 126
 127
 128 int v3_add_shadow_mem( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 129                        addr_t               guest_addr_start,
 130                        addr_t               guest_addr_end,
 131                        addr_t               host_addr)
 132 {
 133     struct v3_mem_region * entry = NULL;
 134
 135     entry = v3_create_mem_region(vm, core_id,
 136                                  guest_addr_start,
 137                                  guest_addr_end);
 138
 139     entry->host_addr = host_addr;
 140
 141
 142     entry->flags.read = 1;
 143     entry->flags.write = 1;
 144     entry->flags.exec = 1;
 145     entry->flags.alloced = 1;
 146
 147     if (v3_insert_mem_region(vm, entry) == -1) {
 148         V3_Free(entry);
 149         return -1;
 150     }
 151
 152     return 0;
 153 }
 154
 155
 156
 157 static inline
 158 struct v3_mem_region * __insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm,
 159                                                  struct v3_mem_region * region) {
 160     struct rb_node ** p = &(vm->mem_map.mem_regions.rb_node);
 161     struct rb_node * parent = NULL;
 162     struct v3_mem_region * tmp_region;
 163
 164     while (*p) {
 165         parent = *p;
 166         tmp_region = rb_entry(parent, struct v3_mem_region, tree_node);
 167
 168         if (region->guest_end <= tmp_region->guest_start) {
 169             p = &(*p)->rb_left;
 170         } else if (region->guest_start >= tmp_region->guest_end) {
 171             p = &(*p)->rb_right;
 172         } else {
 173             if ((region->guest_end != tmp_region->guest_end) ||
 174                 (region->guest_start != tmp_region->guest_start)) {
 175                 PrintError("Trying to map a partial overlapped core specific page...\n");
 176                 return tmp_region; // This is ugly...
 177             } else if (region->core_id == tmp_region->core_id) {
 178                 return tmp_region;
 179             } else if (region->core_id < tmp_region->core_id) {
 180                 p = &(*p)->rb_left;
 181             } else {
 182                 p = &(*p)->rb_right;
 183             }
 184         }
 185     }
 186
 187     rb_link_node(&(region->tree_node), parent, p);
 188
 189     return NULL;
 190 }
 191
 192
 193
 194 int v3_insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * region) {
 195     struct v3_mem_region * ret;
 196     int i = 0;
 197
 198     if ((ret = __insert_mem_region(vm, region))) {
 199         return -1;
 200     }
 201
 202     v3_rb_insert_color(&(region->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 203
 204
 205
 206     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 207         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 208
 209         // flush virtual page tables
 210         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 211
 212         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 213             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 214
 215             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 216                 addr_t cur_addr;
 217
 218                 for (cur_addr = region->guest_start;
 219                      cur_addr < region->guest_end;
 220                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 221                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 222                 }
 223             } else {
 224                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 225             }
 226
 227         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 228             addr_t cur_addr;
 229
 230             for (cur_addr = region->guest_start;
 231                  cur_addr < region->guest_end;
 232                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 233
 234                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 235             }
 236         }
 237     }
 238
 239     return 0;
 240 }
 241
 242
 243
 244
 245 struct v3_mem_region * v3_get_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 246     struct rb_node * n = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 247     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 248
 249     while (n) {
 250
 251         reg = rb_entry(n, struct v3_mem_region, tree_node);
 252
 253         if (guest_addr < reg->guest_start) {
 254             n = n->rb_left;
 255         } else if (guest_addr >= reg->guest_end) {
 256             n = n->rb_right;
 257         } else {
 258             if (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) {
 259                 // found relevant region, it's available on all cores
 260                 return reg;
 261             } else if (core_id == reg->core_id) {
 262                 // found relevant region, it's available on the indicated core
 263                 return reg;
 264             } else if (core_id < reg->core_id) {
 265                 // go left, core too big
 266                 n = n->rb_left;
 267             } else if (core_id > reg->core_id) {
 268                 // go right, core too small
 269                 n = n->rb_right;
 270             } else {
 271                 PrintDebug("v3_get_mem_region: Impossible!\n");
 272                 return NULL;
 273             }
 274         }
 275     }
 276
 277
 278     // There is not registered region, so we check if its a valid address in the base region
 279
 280     if (guest_addr > vm->mem_map.base_region.guest_end) {
 281         PrintError("Guest Address Exceeds Base Memory Size (ga=0x%p), (limit=0x%p) (core=0x%x)\n",
 282                    (void *)guest_addr, (void *)vm->mem_map.base_region.guest_end, core_id);
 283         v3_print_mem_map(vm);
 284
 285         return NULL;
 286     }
 287
 288     return &(vm->mem_map.base_region);
 289 }
 290
 291
 292
 293 /* Given an address, find the successor region. If the address is within a region, return that
 294  * region. Input is an address, because the address may not have a region associated with it.
 295  *
 296  * Returns a region following or touching the given address. If address is invalid, NULL is
 297  * returned, else the base region is returned if no region exists at or after the given address.
 298  */
 299 struct v3_mem_region * v3_get_next_mem_region( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 300     struct rb_node * current_n          = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 301     struct rb_node * successor_n        = NULL; /* left-most node greater than guest_addr */
 302     struct v3_mem_region * current_r    = NULL;
 303
 304     /* current_n tries to find the region containing guest_addr, going right when smaller and left when
 305      * greater. Each time current_n becomes greater than guest_addr, update successor <- current_n.
 306      * current_n becomes successively closer to guest_addr than the previous time it was greater
 307      * than guest_addr.
 308      */
 309
 310     /* | is address, ---- is region, + is intersection */
 311     while (current_n) {
 312         current_r = rb_entry(current_n, struct v3_mem_region, tree_node);
 313         if (current_r->guest_start > guest_addr) { /* | ---- */
 314             successor_n = current_n;
 315             current_n = current_n->rb_left;
 316         } else {
 317             if (current_r->guest_end > guest_addr) {
 318                 return current_r; /* +--- or --+- */
 319             }
 320             current_n = current_n->rb_right; /* ---- | */
 321         }
 322     }
 323
 324     /* Address does not have its own region. Check if it's a valid address in the base region */
 325
 326     if (guest_addr >= vm->mem_map.base_region.guest_end) {
 327         PrintError("%s: Guest Address Exceeds Base Memory Size (ga=%p), (limit=%p)\n",
 328                 __FUNCTION__, (void *)guest_addr, (void *)vm->mem_map.base_region.guest_end);
 329         v3_print_mem_map(vm);
 330         return NULL;
 331     }
 332
 333     return &(vm->mem_map.base_region);
 334 }
 335
 336
 337
 338
 339 void v3_delete_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * reg) {
 340     int i = 0;
 341
 342     if (reg == NULL) {
 343         return;
 344     }
 345
 346     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 347         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 348
 349         // flush virtual page tables
 350         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 351
 352         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 353             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 354
 355             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 356                 addr_t cur_addr;
 357
 358                 for (cur_addr = reg->guest_start;
 359                      cur_addr < reg->guest_end;
 360                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 361                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 362                 }
 363             } else {
 364                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 365             }
 366
 367         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 368             addr_t cur_addr;
 369
 370             for (cur_addr = reg->guest_start;
 371                  cur_addr < reg->guest_end;
 372                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 373
 374                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 375             }
 376         }
 377     }
 378
 379     v3_rb_erase(&(reg->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 380
 381     V3_Free(reg);
 382
 383     // flush virtual page tables
 384     // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 385
 386 }
 387
 388 // Determine if a given address can be handled by a large page of the requested size
 389 uint32_t v3_get_max_page_size(struct guest_info * core, addr_t fault_addr, uint32_t req_size) {
 390     addr_t pg_start = 0UL, pg_end = 0UL; // large page containing the faulting addres
 391     struct v3_mem_region * pg_next_reg = NULL; // next immediate mem reg after page start addr
 392     uint32_t page_size = PAGE_SIZE_4KB;
 393
 394    /* If the guest has been configured for large pages, then we must check for hooked regions of
 395      * memory which may overlap with the large page containing the faulting address (due to
 396      * potentially differing access policies in place for e.g. i/o devices and APIC). A large page
 397      * can be used if a) no region overlaps the page [or b) a region does overlap but fully contains
 398      * the page]. The [bracketed] text pertains to the #if 0'd code below, state D. TODO modify this
 399      * note if someone decides to enable this optimization. It can be tested with the SeaStar
 400      * mapping.
 401      *
 402      * Examples: (CAPS regions are returned by v3_get_next_mem_region; state A returns the base reg)
 403      *
 404      *    |region| |region|                               2MiB mapped (state A)
 405      *                   |reg|          |REG|             2MiB mapped (state B)
 406      *   |region|     |reg|   |REG| |region|   |reg|      4KiB mapped (state C)
 407      *        |reg|  |reg|   |--REGION---|                [2MiB mapped (state D)]
 408      * |--------------------------------------------|     RAM
 409      *                             ^                      fault addr
 410      * |----|----|----|----|----|page|----|----|----|     2MB pages
 411      *                           >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>     search space
 412      */
 413
 414
 415     // guest page maps to a host page + offset (so when we shift, it aligns with a host page)
 416     switch (req_size) {
 417         case PAGE_SIZE_4KB:
 418                 return PAGE_SIZE_4KB;
 419         case PAGE_SIZE_2MB:
 420                 pg_start = PAGE_ADDR_2MB(fault_addr);
 421                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_2MB);
 422                 break;
 423         case PAGE_SIZE_4MB:
 424                 pg_start = PAGE_ADDR_4MB(fault_addr);
 425                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_4MB);
 426                 break;
 427         case PAGE_SIZE_1GB:
 428                 pg_start = PAGE_ADDR_1GB(fault_addr);
 429                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_1GB);
 430                 break;
 431         default:
 432                 PrintError("Invalid large page size requested.\n");
 433                 return -1;
 434     }
 435
 436     PrintDebug("%s: page   [%p,%p) contains address\n", __FUNCTION__, (void *)pg_start, (void *)pg_end);
 437
 438     pg_next_reg = v3_get_next_mem_region(core->vm_info, core->cpu_id, pg_start);
 439
 440     if (pg_next_reg == NULL) {
 441         PrintError("%s: Error: address not in base region, %p\n", __FUNCTION__, (void *)fault_addr);
 442         return PAGE_SIZE_4KB;
 443     }
 444
 445     if (pg_next_reg->flags.base == 1) {
 446         page_size = req_size; // State A
 447         PrintDebug("%s: base region [%p,%p) contains page.\n", __FUNCTION__,
 448                    (void *)pg_next_reg->guest_start, (void *)pg_next_reg->guest_end);
 449     } else {
 450 #if 0       // State B/C and D optimization
 451         if ((pg_next_reg->guest_end >= pg_end) &&
 452             ((pg_next_reg->guest_start >= pg_end) || (pg_next_reg->guest_start <= pg_start))) {
 453             page_size = req_size;
 454         }
 455
 456         PrintDebug("%s: region [%p,%p) %s partially overlap with page\n", __FUNCTION__,
 457                    (void *)pg_next_reg->guest_start, (void *)pg_next_reg->guest_end,
 458                    (page_size == req_size) ? "does not" : "does");
 459
 460 #else       // State B/C
 461         if (pg_next_reg->guest_start >= pg_end) {
 462
 463             page_size = req_size;
 464         }
 465
 466         PrintDebug("%s: region [%p,%p) %s overlap with page\n", __FUNCTION__,
 467                    (void *)pg_next_reg->guest_start, (void *)pg_next_reg->guest_end,
 468                    (page_size == req_size) ? "does not" : "does");
 469
 470 #endif
 471     }
 472
 473     return page_size;
 474 }
 475
 476
 477 void v3_print_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
 478     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
 479     struct v3_mem_region * reg = &(vm->mem_map.base_region);
 480     int i = 0;
 481
 482     V3_Print("Memory Layout (all cores):\n");
 483
 484
 485     V3_Print("Base Region (all cores):  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n",
 486                (void *)(reg->guest_start),
 487                (void *)(reg->guest_end - 1),
 488                (void *)(reg->host_addr));
 489
 490
 491     // If the memory map is empty, don't print it
 492     if (node == NULL) {
 493         return;
 494     }
 495
 496     do {
 497         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 498
 499         V3_Print("%d:  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n", i,
 500                    (void *)(reg->guest_start),
 501                    (void *)(reg->guest_end - 1),
 502                    (void *)(reg->host_addr));
 503
 504         V3_Print("\t(flags=0x%x) (core=0x%x) (unhandled = 0x%p)\n",
 505                  reg->flags.value,
 506                  reg->core_id,
 507                  reg->unhandled);
 508
 509         i++;
 510     } while ((node = v3_rb_next(node)));
 511 }
 512