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     // 2MB page alignment needed for 2MB hardware nested paging
  65     map->base_region.guest_start = 0;
  66     map->base_region.guest_end = mem_pages * PAGE_SIZE_4KB;
  67
  68 #ifdef CONFIG_ALIGNED_PG_ALLOC
  69     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocAlignedPages(mem_pages, vm->mem_align);
  70 #else
  71     map->base_region.host_addr = (addr_t)V3_AllocPages(mem_pages);
  72 #endif
  73
  74     map->base_region.flags.read = 1;
  75     map->base_region.flags.write = 1;
  76     map->base_region.flags.exec = 1;
  77     map->base_region.flags.base = 1;
  78     map->base_region.flags.alloced = 1;
  79
  80     map->base_region.unhandled = unhandled_err;
  81
  82     if ((void *)map->base_region.host_addr == NULL) {
  83         PrintError("Could not allocate Guest memory\n");
  84         return -1;
  85     }
  86
  87     //memset(V3_VAddr((void *)map->base_region.host_addr), 0xffffffff, map->base_region.guest_end);
  88
  89     v3_register_hypercall(vm, MEM_OFFSET_HCALL, mem_offset_hypercall, NULL);
  90
  91     return 0;
  92 }
  93
  94
  95 void v3_delete_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
  96     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
  97     struct v3_mem_region * reg;
  98     struct rb_node * tmp_node = NULL;
  99
 100     while (node) {
 101         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 102         tmp_node = node;
 103         node = v3_rb_next(node);
 104
 105         v3_delete_mem_region(vm, reg);
 106     }
 107
 108     V3_FreePage((void *)(vm->mem_map.base_region.host_addr));
 109 }
 110
 111
 112 struct v3_mem_region * v3_create_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 113                                                addr_t guest_addr_start, addr_t guest_addr_end) {
 114
 115     struct v3_mem_region * entry = (struct v3_mem_region *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_mem_region));
 116     memset(entry, 0, sizeof(struct v3_mem_region));
 117
 118     entry->guest_start = guest_addr_start;
 119     entry->guest_end = guest_addr_end;
 120     entry->core_id = core_id;
 121     entry->unhandled = unhandled_err;
 122
 123     return entry;
 124 }
 125
 126
 127
 128
 129 int v3_add_shadow_mem( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id,
 130                        addr_t               guest_addr_start,
 131                        addr_t               guest_addr_end,
 132                        addr_t               host_addr)
 133 {
 134     struct v3_mem_region * entry = NULL;
 135
 136     entry = v3_create_mem_region(vm, core_id,
 137                                  guest_addr_start,
 138                                  guest_addr_end);
 139
 140     entry->host_addr = host_addr;
 141
 142
 143     entry->flags.read = 1;
 144     entry->flags.write = 1;
 145     entry->flags.exec = 1;
 146     entry->flags.alloced = 1;
 147
 148     if (v3_insert_mem_region(vm, entry) == -1) {
 149         V3_Free(entry);
 150         return -1;
 151     }
 152
 153     return 0;
 154 }
 155
 156
 157
 158 static inline
 159 struct v3_mem_region * __insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm,
 160                                                  struct v3_mem_region * region) {
 161     struct rb_node ** p = &(vm->mem_map.mem_regions.rb_node);
 162     struct rb_node * parent = NULL;
 163     struct v3_mem_region * tmp_region;
 164
 165     while (*p) {
 166         parent = *p;
 167         tmp_region = rb_entry(parent, struct v3_mem_region, tree_node);
 168
 169         if (region->guest_end <= tmp_region->guest_start) {
 170             p = &(*p)->rb_left;
 171         } else if (region->guest_start >= tmp_region->guest_end) {
 172             p = &(*p)->rb_right;
 173         } else {
 174             if ((region->guest_end != tmp_region->guest_end) ||
 175                 (region->guest_start != tmp_region->guest_start)) {
 176                 PrintError("Trying to map a partial overlapped core specific page...\n");
 177                 return tmp_region; // This is ugly...
 178             } else if (region->core_id == tmp_region->core_id) {
 179                 return tmp_region;
 180             } else if (region->core_id < tmp_region->core_id) {
 181                 p = &(*p)->rb_left;
 182             } else {
 183                 p = &(*p)->rb_right;
 184             }
 185         }
 186     }
 187
 188     rb_link_node(&(region->tree_node), parent, p);
 189
 190     return NULL;
 191 }
 192
 193
 194
 195 int v3_insert_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * region) {
 196     struct v3_mem_region * ret;
 197     int i = 0;
 198
 199     if ((ret = __insert_mem_region(vm, region))) {
 200         return -1;
 201     }
 202
 203     v3_rb_insert_color(&(region->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 204
 205
 206
 207     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 208         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 209
 210         // flush virtual page tables
 211         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 212
 213         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 214             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 215
 216             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 217                 addr_t cur_addr;
 218
 219                 for (cur_addr = region->guest_start;
 220                      cur_addr < region->guest_end;
 221                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 222                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 223                 }
 224             } else {
 225                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 226             }
 227
 228         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 229             addr_t cur_addr;
 230
 231             for (cur_addr = region->guest_start;
 232                  cur_addr < region->guest_end;
 233                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 234
 235                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 236             }
 237         }
 238     }
 239
 240     return 0;
 241 }
 242
 243
 244
 245
 246 struct v3_mem_region * v3_get_mem_region(struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 247     struct rb_node * n = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 248     struct v3_mem_region * reg = NULL;
 249
 250     while (n) {
 251
 252         reg = rb_entry(n, struct v3_mem_region, tree_node);
 253
 254         if (guest_addr < reg->guest_start) {
 255             n = n->rb_left;
 256         } else if (guest_addr >= reg->guest_end) {
 257             n = n->rb_right;
 258         } else {
 259             if (reg->core_id == V3_MEM_CORE_ANY) {
 260                 // found relevant region, it's available on all cores
 261                 return reg;
 262             } else if (core_id == reg->core_id) {
 263                 // found relevant region, it's available on the indicated core
 264                 return reg;
 265             } else if (core_id < reg->core_id) {
 266                 // go left, core too big
 267                 n = n->rb_left;
 268             } else if (core_id > reg->core_id) {
 269                 // go right, core too small
 270                 n = n->rb_right;
 271             } else {
 272                 PrintDebug("v3_get_mem_region: Impossible!\n");
 273                 return NULL;
 274             }
 275         }
 276     }
 277
 278
 279     // There is not registered region, so we check if its a valid address in the base region
 280
 281     if (guest_addr > vm->mem_map.base_region.guest_end) {
 282         PrintError("Guest Address Exceeds Base Memory Size (ga=0x%p), (limit=0x%p) (core=0x%x)\n",
 283                    (void *)guest_addr, (void *)vm->mem_map.base_region.guest_end, core_id);
 284         v3_print_mem_map(vm);
 285
 286         return NULL;
 287     }
 288
 289     return &(vm->mem_map.base_region);
 290 }
 291
 292
 293
 294 /* Given an address, find the successor region. If the address is within a region, return that
 295  * region. Input is an address, because the address may not have a region associated with it.
 296  *
 297  * Returns a region following or touching the given address. If address is invalid, NULL is
 298  * returned, else the base region is returned if no region exists at or after the given address.
 299  */
 300 struct v3_mem_region * v3_get_next_mem_region( struct v3_vm_info * vm, uint16_t core_id, addr_t guest_addr) {
 301     struct rb_node * current_n          = vm->mem_map.mem_regions.rb_node;
 302     struct rb_node * successor_n        = NULL; /* left-most node greater than guest_addr */
 303     struct v3_mem_region * current_r    = NULL;
 304
 305     /* current_n tries to find the region containing guest_addr, going right when smaller and left when
 306      * greater. Each time current_n becomes greater than guest_addr, update successor <- current_n.
 307      * current_n becomes successively closer to guest_addr than the previous time it was greater
 308      * than guest_addr.
 309      */
 310
 311     /* | is address, ---- is region, + is intersection */
 312     while (current_n) {
 313         current_r = rb_entry(current_n, struct v3_mem_region, tree_node);
 314         if (current_r->guest_start > guest_addr) { /* | ---- */
 315             successor_n = current_n;
 316             current_n = current_n->rb_left;
 317         } else {
 318             if (current_r->guest_end > guest_addr) {
 319                 return current_r; /* +--- or --+- */
 320             }
 321             current_n = current_n->rb_right; /* ---- | */
 322         }
 323     }
 324
 325     /* Address does not have its own region. Check if it's a valid address in the base region */
 326
 327     if (guest_addr >= vm->mem_map.base_region.guest_end) {
 328         PrintError("%s: Guest Address Exceeds Base Memory Size (ga=%p), (limit=%p)\n",
 329                 __FUNCTION__, (void *)guest_addr, (void *)vm->mem_map.base_region.guest_end);
 330         v3_print_mem_map(vm);
 331         return NULL;
 332     }
 333
 334     return &(vm->mem_map.base_region);
 335 }
 336
 337
 338
 339
 340 void v3_delete_mem_region(struct v3_vm_info * vm, struct v3_mem_region * reg) {
 341     int i = 0;
 342
 343     if (reg == NULL) {
 344         return;
 345     }
 346
 347     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
 348         struct guest_info * info = &(vm->cores[i]);
 349
 350         // flush virtual page tables
 351         // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 352
 353         if (info->shdw_pg_mode == SHADOW_PAGING) {
 354             v3_mem_mode_t mem_mode = v3_get_vm_mem_mode(info);
 355
 356             if (mem_mode == PHYSICAL_MEM) {
 357                 addr_t cur_addr;
 358
 359                 for (cur_addr = reg->guest_start;
 360                      cur_addr < reg->guest_end;
 361                      cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 362                     v3_invalidate_passthrough_addr(info, cur_addr);
 363                 }
 364             } else {
 365                 v3_invalidate_shadow_pts(info);
 366             }
 367
 368         } else if (info->shdw_pg_mode == NESTED_PAGING) {
 369             addr_t cur_addr;
 370
 371             for (cur_addr = reg->guest_start;
 372                  cur_addr < reg->guest_end;
 373                  cur_addr += PAGE_SIZE_4KB) {
 374
 375                 v3_invalidate_nested_addr(info, cur_addr);
 376             }
 377         }
 378     }
 379
 380     v3_rb_erase(&(reg->tree_node), &(vm->mem_map.mem_regions));
 381
 382     V3_Free(reg);
 383
 384     // flush virtual page tables
 385     // 3 cases shadow, shadow passthrough, and nested
 386
 387 }
 388
 389 // Determine if a given address can be handled by a large page of the requested size
 390 uint32_t v3_get_max_page_size(struct guest_info * core, addr_t fault_addr, uint32_t req_size) {
 391     addr_t pg_start = 0UL, pg_end = 0UL; // large page containing the faulting addres
 392     struct v3_mem_region * pg_next_reg = NULL; // next immediate mem reg after page start addr
 393     uint32_t page_size = PAGE_SIZE_4KB;
 394
 395    /* If the guest has been configured for large pages, then we must check for hooked regions of
 396      * memory which may overlap with the large page containing the faulting address (due to
 397      * potentially differing access policies in place for e.g. i/o devices and APIC). A large page
 398      * can be used if a) no region overlaps the page [or b) a region does overlap but fully contains
 399      * the page]. The [bracketed] text pertains to the #if 0'd code below, state D. TODO modify this
 400      * note if someone decides to enable this optimization. It can be tested with the SeaStar
 401      * mapping.
 402      *
 403      * Examples: (CAPS regions are returned by v3_get_next_mem_region; state A returns the base reg)
 404      *
 405      *    |region| |region|                               2MiB mapped (state A)
 406      *                   |reg|          |REG|             2MiB mapped (state B)
 407      *   |region|     |reg|   |REG| |region|   |reg|      4KiB mapped (state C)
 408      *        |reg|  |reg|   |--REGION---|                [2MiB mapped (state D)]
 409      * |--------------------------------------------|     RAM
 410      *                             ^                      fault addr
 411      * |----|----|----|----|----|page|----|----|----|     2MB pages
 412      *                           >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>     search space
 413      */
 414
 415
 416     // guest page maps to a host page + offset (so when we shift, it aligns with a host page)
 417     switch (req_size) {
 418         case PAGE_SIZE_4KB:
 419                 return PAGE_SIZE_4KB;
 420         case PAGE_SIZE_2MB:
 421                 pg_start = PAGE_ADDR_2MB(fault_addr);
 422                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_2MB);
 423                 break;
 424         case PAGE_SIZE_4MB:
 425                 pg_start = PAGE_ADDR_4MB(fault_addr);
 426                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_4MB);
 427                 break;
 428         case PAGE_SIZE_1GB:
 429                 pg_start = PAGE_ADDR_1GB(fault_addr);
 430                 pg_end = (pg_start + PAGE_SIZE_1GB);
 431                 break;
 432         default:
 433                 PrintError("Invalid large page size requested.\n");
 434                 return -1;
 435     }
 436
 437     //PrintDebug("%s: page   [%p,%p) contains address\n", __FUNCTION__, (void *)pg_start, (void *)pg_end);
 438
 439     pg_next_reg = v3_get_next_mem_region(core->vm_info, core->cpu_id, pg_start);
 440
 441     if (pg_next_reg == NULL) {
 442         PrintError("%s: Error: address not in base region, %p\n", __FUNCTION__, (void *)fault_addr);
 443         return PAGE_SIZE_4KB;
 444     }
 445
 446     if (pg_next_reg->flags.base == 1) {
 447         page_size = req_size; // State A
 448         //PrintDebug("%s: base region [%p,%p) contains page.\n", __FUNCTION__,
 449         //         (void *)pg_next_reg->guest_start, (void *)pg_next_reg->guest_end);
 450     } else {
 451 #if 0       // State B/C and D optimization
 452         if ((pg_next_reg->guest_end >= pg_end) &&
 453             ((pg_next_reg->guest_start >= pg_end) || (pg_next_reg->guest_start <= pg_start))) {
 454             page_size = req_size;
 455         }
 456
 457         PrintDebug("%s: region [%p,%p) %s partially overlap with page\n", __FUNCTION__,
 458                    (void *)pg_next_reg->guest_start, (void *)pg_next_reg->guest_end,
 459                    (page_size == req_size) ? "does not" : "does");
 460
 461 #else       // State B/C
 462         if (pg_next_reg->guest_start >= pg_end) {
 463
 464             page_size = req_size;
 465         }
 466
 467         PrintDebug("%s: region [%p,%p) %s overlap with page\n", __FUNCTION__,
 468                    (void *)pg_next_reg->guest_start, (void *)pg_next_reg->guest_end,
 469                    (page_size == req_size) ? "does not" : "does");
 470
 471 #endif
 472     }
 473
 474     return page_size;
 475 }
 476
 477 // For an address on a page of size page_size, compute the actual alignment
 478 // of the physical page it maps to
 479 uint32_t v3_compute_page_alignment(addr_t page_addr)
 480 {
 481     if (PAGE_OFFSET_1GB(page_addr) == 0) {
 482          return PAGE_SIZE_1GB;
 483     } else if (PAGE_OFFSET_4MB(page_addr) == 0) {
 484          return PAGE_SIZE_4MB;
 485     } else if (PAGE_OFFSET_2MB(page_addr) == 0) {
 486         return PAGE_SIZE_2MB;
 487     } else if (PAGE_OFFSET_4KB(page_addr) == 0) {
 488         return PAGE_SIZE_4KB;
 489     } else {
 490         PrintError("Non-page aligned address passed to %s.\n", __FUNCTION__);
 491         return 0;
 492     }
 493 }
 494
 495 void v3_print_mem_map(struct v3_vm_info * vm) {
 496     struct rb_node * node = v3_rb_first(&(vm->mem_map.mem_regions));
 497     struct v3_mem_region * reg = &(vm->mem_map.base_region);
 498     int i = 0;
 499
 500     V3_Print("Memory Layout (all cores):\n");
 501
 502
 503     V3_Print("Base Region (all cores):  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n",
 504                (void *)(reg->guest_start),
 505                (void *)(reg->guest_end - 1),
 506                (void *)(reg->host_addr));
 507
 508
 509     // If the memory map is empty, don't print it
 510     if (node == NULL) {
 511         return;
 512     }
 513
 514     do {
 515         reg = rb_entry(node, struct v3_mem_region, tree_node);
 516
 517         V3_Print("%d:  0x%p - 0x%p -> 0x%p\n", i,
 518                    (void *)(reg->guest_start),
 519                    (void *)(reg->guest_end - 1),
 520                    (void *)(reg->host_addr));
 521
 522         V3_Print("\t(flags=0x%x) (core=0x%x) (unhandled = 0x%p)\n",
 523                  reg->flags.value,
 524                  reg->core_id,
 525                  reg->unhandled);
 526
 527         i++;
 528     } while ((node = v3_rb_next(node)));
 529 }
 530