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 #include <palacios/vmm_debug.h>
  26
  27 #include <palacios/vmm_shadow_paging.h>
  28 #include <palacios/vmm_direct_paging.h>
  29
  30
  31
  32
  33 static int mem_offset_hypercall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * private_data) {
  34     PrintDebug(info->vm_info, info,"V3Vee: Memory offset hypercall (offset=%p)\n",
  35                (void *)(info->vm_info->mem_map.base_region.host_addr));
  36
  37     info->vm_regs.rbx = info->vm_info->mem_map.base_region.host_addr;
  38
  39     return 0;
  40 }
  41
  42 static int unhandled_err(struct guest_info * core, addr_t guest_va, addr_t guest_pa,
  43                          struct v3_mem_region * reg, pf_error_t access_info) {
  44
  45     PrintError(core->vm_info, core, "Unhandled memory access error (gpa=%p, gva=%p, error_code=%d)\n",
  46                (void *)guest_pa, (void *)guest_va, *(uint32_t *)&access_info);
  47
  48     v3_print_mem_map(core->vm_info);
  49
  50     v3_print_guest_state(core);
  51
  52     return -1;
  53 }
  54
  55 int v3_init_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
  56     struct v3_mem_map * map = &(vm->mem_map);
  57     addr_t mem_pages = vm->mem_size >> 12;
  58
  59     memset(&(map->base_region), 0, sizeof(struct v3_mem_region));
  60
  61     map->mem_regions.rb_node = NULL;
  62
  63     // There is an underlying region that contains all of the guest memory
  64     // PrintDebug(info->vm_info, info, "Mapping %d pages of memory (%u bytes)\n", (int)mem_pages, (uint_t)info->mem_size);
  65
  66     // 2MB page alignment needed for 2MB hardware nested paging
  67     map->base_region.guest_start = 0;
  68     map->base_region.guest_end = mem_pages * PAGE_SIZE_4KB;
  69
  70 #ifdef V3_CONFIG_ALIGNED_PG_ALLOC
  71     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocAlignedPages(mem_pages, vm->mem_align);
  72 #else
  73     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocPages(mem_pages);
  74 #endif
  75
  76     if ((void*)map->base_region.host_addr == NULL) {
  77        PrintError(vm, VCORE_NONE,"Could not allocate guest memory\n");
  78        return -1;
  79     }
  80
  81     // Clear the memory...
  82     memset(V3_VAddr((void *)map->base_region.host_addr), 0, mem_pages * PAGE_SIZE_4KB);
  83
  84
  85     map->base_region.flags.read = 1;
  86     map->base_region.flags.write = 1;
  87     map->base_region.flags.exec = 1;
  88     map->base_region.flags.base = 1;
  89     map->base_region.flags.alloced = 1;
  90
  91     map->base_region.unhandled = unhandled_err;
  92
  93     v3_register_hypercall(vm, MEM_OFFSET_HCALL, mem_offset_hypercall, NULL);
  94
  95     return 0;
  96 }
  97
  98
  99 void v3_delete_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
 100     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
 101     struct v3_mem_region * reg;
 102     struct rb_node * tmp_node = NULL;
 103     addr_t mem_pages = vm->mem_size >> 12;
 104
 105     while (node) {
 106         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 107         tmp_node = node;
 108         node = v3_rb_next(node);
 109
 110         v3_delete_mem_region(vm, reg);
 111     }
 112
 113     V3_FreePages((void *)(vm->mem_map.base_region.host_addr), mem_pages);
 114 }
 115
 116
 117 struct v3_mem_region * v3_create_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 118                                                addr_t guest_addr_start, addr_t guest_addr_end) {
 119     struct v3_mem_region * entry = NULL;
 120
 121     if (guest_addr_start >= guest_addr_end) {
 122         PrintError(vm, VCORE_NONE, "Region start is after region end\n");
 123         return NULL;
 124     }
 125
 126     entry = (struct v3_mem_region *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_mem_region));
 127
 128     if (!entry) {
 129         PrintError(vm, VCORE_NONE, "Cannot allocate in creating a memory region\n");
 130         return NULL;
 131     }
 132
 133     memset(entry, 0, sizeof(struct v3_mem_region));
 134
 135     entry->guest_start = guest_addr_start;
 136     entry->guest_end = guest_addr_end;
 137     entry->core_id = core_id;
 138     entry->unhandled = unhandled_err;
 139
 140     return entry;
 141 }
 142
 143
 144
 145
 146 int v3_add_shadow_mem( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 147                        addr_t               guest_addr_start,
 148                        addr_t               guest_addr_end,
 149                        addr_t               host_addr)
 150 {
 151     struct v3_mem_region * entry = NULL;
 152
 153     entry = v3_create_mem_region(vm, core_id,
 154                                  guest_addr_start,
 155                                  guest_addr_end);
 156
 157     entry->host_addr = host_addr;
 158
 159     entry->flags.read = 1;
 160     entry->flags.write = 1;
 161     entry->flags.exec = 1;
 162     entry->flags.alloced = 1;
 163
 164     if (v3_insert_mem_region(vm, entry) == -1) {
 165         V3_Free(entry);
 166         return -1;
 167     }
 168
 169     return 0;
 170 }
 171
 172
 173
 174 static inline
 175 struct v3_mem_region * __insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm,
 176                                            struct v3_mem_region * region) {
 177     struct rb_node ** p = &(vm->mem_map.mem_regions.rb_node);
 178     struct rb_node * parent = NULL;
 179     struct v3_mem_region * tmp_region;
 180
 181     while (*p) {
 182         parent = *p;
 183         tmp_region = rb_entry(parent, struct v3_mem_region, tree_node);
 184
 185         if (region->guest_end <= tmp_region->guest_start) {
 186             p = &(*p)->rb_left;
 187         } else if (region->guest_start >= tmp_region->guest_end) {
 188             p = &(*p)->rb_right;
 189         } else {
 190             if ((region->guest_end != tmp_region->guest_end) ||
 191                 (region->guest_start != tmp_region->guest_start)) {
 192                 PrintError(vm, VCORE_NONE, "Trying to map a partial overlapped core specific page...\n");
 193                 return tmp_region; // This is ugly...
 194             } else if (region->core_id == tmp_region->core_id) {
 195                 return tmp_region;
 196             } else if (region->core_id < tmp_region->core_id) {
 197                 p = &(*p)->rb_left;
 198             } else {
 199                 p = &(*p)->rb_right;
 200             }
 201         }
 202     }
 203
 204     rb_link_node(&(region->tree_node), parent, p);
 205
 206     return NULL;
 207 }
 208
 209
 210
 211 int v3_insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * region) {
 212     struct v3_mem_region * ret;
 213     int i = 0;
 214
 215     if ((ret = __insert_mem_region(vm, region))) {
 216         return -1;
 217     }
 218
 219     v3_rb_insert_color(&(region->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 220
 221
 222
 223     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 224         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 225
 226         // flush virtual page tables
 227         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 228
 229         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 230             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 231
 232             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 233                 addr_t cur_addr;
 234
 235                 for (cur_addr = region->guest_start;
 236                      cur_addr < region->guest_end;
 237                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 238                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 239                 }
 240             } else {
 241                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 242             }
 243
 244         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 245             addr_t cur_addr;
 246
 247             for (cur_addr = region->guest_start;
 248                  cur_addr < region->guest_end;
 249                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 250
 251                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 252             }
 253         }
 254     }
 255
 256     return 0;
 257 }
 258
 259
 260
 261
 262 struct v3_mem_region * v3_get_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 263     struct rb_node * n = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 264     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 265
 266     while (n) {
 267
 268         reg = rb_entry(n, struct v3_mem_region, tree_node);
 269
 270         if (guest_addr < reg->guest_start) {
 271             n = n->rb_left;
 272         } else if (guest_addr >= reg->guest_end) {
 273             n = n->rb_right;
 274         } else {
 275             if (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) {
 276                 // found relevant region, it's available on all cores
 277                 return reg;
 278             } else if (core_id == reg->core_id) {
 279                 // found relevant region, it's available on the indicated core
 280                 return reg;
 281             } else if (core_id < reg->core_id) {
 282                 // go left, core too big
 283                 n = n->rb_left;
 284             } else if (core_id > reg->core_id) {
 285                 // go right, core too small
 286                 n = n->rb_right;
 287             } else {
 288                 PrintDebug(vm, VCORE_NONE, "v3_get_mem_region: Impossible!\n");
 289                 return NULL;
 290             }
 291         }
 292     }
 293
 294
 295     // There is not registered region, so we check if its a valid address in the base region
 296
 297     if (guest_addr > vm->mem_map.base_region.guest_end) {
 298         PrintError(vm, VCORE_NONE, "Guest Address Exceeds Base Memory Size (ga=0x%p), (limit=0x%p) (core=0x%x)\n",
 299                    (void *)guest_addr, (void *)vm->mem_map.base_region.guest_end, core_id);
 300         v3_print_mem_map(vm);
 301
 302         return NULL;
 303     }
 304
 305     return &(vm->mem_map.base_region);
 306 }
 307
 308
 309
 310 /* This returns the next memory region based on a given address.
 311  * If the address falls inside a sub region, that region is returned.
 312  * If the address falls outside a sub region, the next sub region is returned
 313  * NOTE that we have to be careful about core_ids here...
 314  */
 315 static struct v3_mem_region * get_next_mem_region( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 316     struct rb_node * n = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 317     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 318     struct v3_mem_region * parent = NULL;
 319
 320     if (n == NULL) {
 321         return NULL;
 322     }
 323
 324     while (n) {
 325
 326         reg = rb_entry(n, struct v3_mem_region, tree_node);
 327
 328         if (guest_addr < reg->guest_start) {
 329             n = n->rb_left;
 330         } else if (guest_addr >= reg->guest_end) {
 331             n = n->rb_right;
 332         } else {
 333             if (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) {
 334                 // found relevant region, it's available on all cores
 335                 return reg;
 336             } else if (core_id == reg->core_id) {
 337                 // found relevant region, it's available on the indicated core
 338                 return reg;
 339             } else if (core_id < reg->core_id) {
 340                 // go left, core too big
 341                 n = n->rb_left;
 342             } else if (core_id > reg->core_id) {
 343                 // go right, core too small
 344                 n = n->rb_right;
 345             } else {
 346                 PrintError(vm, VCORE_NONE, "v3_get_mem_region: Impossible!\n");
 347                 return NULL;
 348             }
 349         }
 350
 351         if ((reg->core_id == core_id) || (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY)) {
 352             parent = reg;
 353         }
 354     }
 355
 356
 357     if (parent->guest_start > guest_addr) {
 358         return parent;
 359     } else if (parent->guest_end < guest_addr) {
 360         struct rb_node * node = &(parent->tree_node);
 361
 362         while ((node = v3_rb_next(node)) != NULL) {
 363             struct v3_mem_region * next_reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 364
 365             if ((next_reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) ||
 366                 (next_reg->core_id == core_id)) {
 367
 368                 // This check is not strictly necessary, but it makes it clearer
 369                 if (next_reg->guest_start > guest_addr) {
 370                     return next_reg;
 371                 }
 372             }
 373         }
 374     }
 375
 376     return NULL;
 377 }
 378
 379
 380
 381
 382 /* Given an address region of memory, find if there are any regions that overlap with it.
 383  * This checks that the range lies in a single region, and returns that region if it does,
 384  * this can be either the base region or a sub region.
 385  * IF there are multiple regions in the range then it returns NULL
 386  */
 387 static struct v3_mem_region * get_overlapping_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 388                                                      addr_t start_gpa, addr_t end_gpa) {
 389     struct v3_mem_region * start_region = v3_get_mem_region(vm, core_id, start_gpa);
 390
 391     if (start_region == NULL) {
 392         PrintError(vm, VCORE_NONE, "Invalid memory region\n");
 393         return NULL;
 394     }
 395
 396
 397     if (start_region->guest_end < end_gpa) {
 398         // Region ends before range
 399         return NULL;
 400     } else if (start_region->flags.base == 0) {
 401         // sub region overlaps range
 402         return start_region;
 403     } else {
 404         // Base region, now we have to scan forward for the next sub region
 405         struct v3_mem_region * next_reg = get_next_mem_region(vm, core_id, start_gpa);
 406
 407         if (next_reg == NULL) {
 408             // no sub regions after start_addr, base region is ok
 409             return start_region;
 410         } else if (next_reg->guest_start >= end_gpa) {
 411             // Next sub region begins outside range
 412             return start_region;
 413         } else {
 414             return NULL;
 415         }
 416     }
 417
 418
 419     // Should never get here
 420     return NULL;
 421 }
 422
 423
 424
 425
 426
 427 void v3_delete_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * reg) {
 428     int i = 0;
 429
 430     if (reg == NULL) {
 431         return;
 432     }
 433
 434
 435     v3_rb_erase(&(reg->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 436
 437
 438
 439     // If the guest isn't running then there shouldn't be anything to invalidate.
 440     // Page tables should __always__ be created on demand during execution
 441     // NOTE: This is a sanity check, and can be removed if that assumption changes
 442     if (vm->run_state != VM_RUNNING) {
 443         V3_Free(reg);
 444         return;
 445     }
 446
 447     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 448         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 449
 450         // flush virtual page tables
 451         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 452
 453         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 454             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 455
 456             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 457                 addr_t cur_addr;
 458
 459                 for (cur_addr = reg->guest_start;
 460                      cur_addr < reg->guest_end;
 461                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 462                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 463                 }
 464             } else {
 465                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 466             }
 467
 468         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 469             addr_t cur_addr;
 470
 471             for (cur_addr = reg->guest_start;
 472                  cur_addr < reg->guest_end;
 473                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 474
 475                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 476             }
 477         }
 478     }
 479
 480     V3_Free(reg);
 481
 482     // flush virtual page tables
 483     // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 484
 485 }
 486
 487 // Determine if a given address can be handled by a large page of the requested size
 488 uint32_t v3_get_max_page_size(struct guest_info * core, addr_t page_addr, v3_cpu_mode_t mode) {
 489     addr_t pg_start = 0;
 490     addr_t pg_end = 0;
 491     uint32_t page_size = PAGE_SIZE_4KB;
 492     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 493
 494     switch (mode) {
 495         case PROTECTED:
 496             if (core->use_large_pages == 1) {
 497                 pg_start = PAGE_ADDR_4MB(page_addr);
 498                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_4MB);
 499
 500                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 501
 502                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_4MB) == 0)) {
 503                     page_size = PAGE_SIZE_4MB;
 504                 }
 505             }
 506             break;
 507         case PROTECTED_PAE:
 508             if (core->use_large_pages == 1) {
 509                 pg_start = PAGE_ADDR_2MB(page_addr);
 510                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_2MB);
 511
 512                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 513
 514                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_2MB) == 0)) {
 515                     page_size = PAGE_SIZE_2MB;
 516                 }
 517             }
 518             break;
 519         case LONG:
 520         case LONG_32_COMPAT:
 521         case LONG_16_COMPAT:
 522             if (core->use_giant_pages == 1) {
 523                 pg_start = PAGE_ADDR_1GB(page_addr);
 524                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_1GB);
 525
 526                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 527
 528                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_1GB) == 0)) {
 529                     page_size = PAGE_SIZE_1GB;
 530                     break;
 531                 }
 532             }
 533
 534             if (core->use_large_pages == 1) {
 535                 pg_start = PAGE_ADDR_2MB(page_addr);
 536                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_2MB);
 537
 538                 reg = get_overlapping_region(core->vm_info, core->vcpu_id, pg_start, pg_end);
 539
 540                 if ((reg) && ((reg->host_addr % PAGE_SIZE_2MB) == 0)) {
 541                     page_size = PAGE_SIZE_2MB;
 542                 }
 543             }
 544             break;
 545         default:
 546             PrintError(core->vm_info, core, "Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(core)));
 547             return -1;
 548     }
 549
 550     return page_size;
 551 }
 552
 553
 554
 555 void v3_print_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
 556     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
 557     struct v3_mem_region * reg = &(vm->mem_map.base_region);
 558     int i = 0;
 559
 560     V3_Print(vm, VCORE_NONE, "Memory Layout (all cores):\n");
 561
 562
 563     V3_Print(vm, VCORE_NONE, "Base Region (all cores):  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n",
 564                (void *)(reg->guest_start),
 565                (void *)(reg->guest_end - 1),
 566                (void *)(reg->host_addr));
 567
 568
 569     // If the memory map is empty, don't print it
 570     if (node == NULL) {
 571         return;
 572     }
 573
 574     do {
 575         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 576
 577         V3_Print(vm, VCORE_NONE, "%d:  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n", i,
 578                    (void *)(reg->guest_start),
 579                    (void *)(reg->guest_end - 1),
 580                    (void *)(reg->host_addr));
 581
 582         V3_Print(vm, VCORE_NONE, "\t(flags=0x%x) (core=0x%x) (unhandled = 0x%p)\n",
 583                  reg->flags.value,
 584                  reg->core_id,
 585                  reg->unhandled);
 586
 587         i++;
 588     } while ((node = v3_rb_next(node)));
 589 }
 590