palacios/src/palacios/vmm_shadow_paging.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
  21 #include <palacios/vmm_shadow_paging.h>
  22
  23
  24 #include <palacios/vmm.h>
  25 #include <palacios/vm_guest_mem.h>
  26 #include <palacios/vmm_decoder.h>
  27 #include <palacios/vmm_ctrl_regs.h>
  28
  29 #include <palacios/vmm_hashtable.h>
  30
  31 #include <palacios/vmm_direct_paging.h>
  32
  33
  34 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
  35 #include <palacios/vmm_telemetry.h>
  36 #endif
  37
  38 #ifdef CONFIG_SYMBIOTIC_SWAP
  39 #include <palacios/vmm_sym_swap.h>
  40 #endif
  41
  42 #ifndef CONFIG_DEBUG_SHADOW_PAGING
  43 #undef PrintDebug
  44 #define PrintDebug(fmt, args...)
  45 #endif
  46
  47
  48 /***
  49  ***  There be dragons
  50  ***/
  51
  52
  53 struct shadow_page_data {
  54     v3_reg_t cr3;
  55     addr_t page_pa;
  56
  57     struct list_head page_list_node;
  58 };
  59
  60
  61
  62 static struct shadow_page_data * create_new_shadow_pt(struct guest_info * info);
  63 static int inject_guest_pf(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code);
  64 static int is_guest_pf(pt_access_status_t guest_access, pt_access_status_t shadow_access);
  65
  66
  67 #include "vmm_shadow_paging_32.h"
  68 #include "vmm_shadow_paging_32pae.h"
  69 #include "vmm_shadow_paging_64.h"
  70
  71
  72
  73 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
  74 static void telemetry_cb(struct guest_info * info, void * private_data, char * hdr) {
  75     V3_Print("%s Guest Page faults: %d\n", hdr, info->shdw_pg_state.guest_faults);
  76 }
  77 #endif
  78
  79
  80
  81 int v3_init_shadow_page_state(struct guest_info * info) {
  82     struct shadow_page_state * state = &(info->shdw_pg_state);
  83
  84     state->guest_cr3 = 0;
  85     state->guest_cr0 = 0;
  86     state->guest_efer.value = 0x0LL;
  87
  88     INIT_LIST_HEAD(&(state->page_list));
  89
  90 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
  91     if (info->enable_telemetry) {
  92         v3_add_telemetry_cb(info, telemetry_cb, NULL);
  93     }
  94 #endif
  95
  96     return 0;
  97 }
  98
  99
 100
 101 // Reads the guest CR3 register
 102 // creates new shadow page tables
 103 // updates the shadow CR3 register to point to the new pts
 104 int v3_activate_shadow_pt(struct guest_info * info) {
 105     switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 106
 107         case PROTECTED:
 108             return activate_shadow_pt_32(info);
 109         case PROTECTED_PAE:
 110             return activate_shadow_pt_32pae(info);
 111         case LONG:
 112         case LONG_32_COMPAT:
 113         case LONG_16_COMPAT:
 114             return activate_shadow_pt_64(info);
 115         default:
 116             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 117             return -1;
 118     }
 119
 120     return 0;
 121 }
 122
 123
 124
 125 // This must flush any caches
 126 // and reset the cr3 value to the correct value
 127 int v3_invalidate_shadow_pts(struct guest_info * info) {
 128     return v3_activate_shadow_pt(info);
 129 }
 130
 131
 132 int v3_handle_shadow_pagefault(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code) {
 133
 134     if (v3_get_vm_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM) {
 135         // If paging is not turned on we need to handle the special cases
 136         return v3_handle_passthrough_pagefault(info, fault_addr, error_code);
 137     } else if (v3_get_vm_mem_mode(info) == VIRTUAL_MEM) {
 138
 139         switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 140             case PROTECTED:
 141                 return handle_shadow_pagefault_32(info, fault_addr, error_code);
 142                 break;
 143             case PROTECTED_PAE:
 144                 return handle_shadow_pagefault_32pae(info, fault_addr, error_code);
 145             case LONG:
 146             case LONG_32_COMPAT:
 147             case LONG_16_COMPAT:
 148                 return handle_shadow_pagefault_64(info, fault_addr, error_code);
 149                 break;
 150             default:
 151                 PrintError("Unhandled CPU Mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 152                 return -1;
 153         }
 154     } else {
 155         PrintError("Invalid Memory mode\n");
 156         return -1;
 157     }
 158 }
 159
 160
 161 int v3_handle_shadow_invlpg(struct guest_info * info) {
 162     uchar_t instr[15];
 163     struct x86_instr dec_instr;
 164     int ret = 0;
 165     addr_t vaddr = 0;
 166
 167     if (v3_get_vm_mem_mode(info) != VIRTUAL_MEM) {
 168         // Paging must be turned on...
 169         // should handle with some sort of fault I think
 170         PrintError("ERROR: INVLPG called in non paged mode\n");
 171         return -1;
 172     }
 173
 174     if (v3_get_vm_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM) {
 175         ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 176     } else {
 177         ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 178     }
 179
 180     if (ret == -1) {
 181         PrintError("Could not read instruction into buffer\n");
 182         return -1;
 183     }
 184
 185     if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 186         PrintError("Decoding Error\n");
 187         return -1;
 188     }
 189
 190     if ((dec_instr.op_type != V3_OP_INVLPG) ||
 191         (dec_instr.num_operands != 1) ||
 192         (dec_instr.dst_operand.type != MEM_OPERAND)) {
 193         PrintError("Decoder Error: Not a valid INVLPG instruction...\n");
 194         return -1;
 195     }
 196
 197     vaddr = dec_instr.dst_operand.operand;
 198
 199     info->rip += dec_instr.instr_length;
 200
 201     switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 202         case PROTECTED:
 203             return handle_shadow_invlpg_32(info, vaddr);
 204         case PROTECTED_PAE:
 205             return handle_shadow_invlpg_32pae(info, vaddr);
 206         case LONG:
 207         case LONG_32_COMPAT:
 208         case LONG_16_COMPAT:
 209             return handle_shadow_invlpg_64(info, vaddr);
 210         default:
 211             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 212             return -1;
 213     }
 214 }
 215
 216
 217
 218
 219 static struct shadow_page_data * create_new_shadow_pt(struct guest_info * info) {
 220     struct shadow_page_state * state = &(info->shdw_pg_state);
 221     v3_reg_t cur_cr3 = info->ctrl_regs.cr3;
 222     struct shadow_page_data * page_tail = NULL;
 223     addr_t shdw_page = 0;
 224
 225     if (!list_empty(&(state->page_list))) {
 226         page_tail = list_tail_entry(&(state->page_list), struct shadow_page_data, page_list_node);
 227
 228         if (page_tail->cr3 != cur_cr3) {
 229             PrintDebug("Reusing old shadow Page: %p (cur_CR3=%p)(page_cr3=%p) \n",
 230                        (void *)(addr_t)page_tail->page_pa,
 231                        (void *)(addr_t)cur_cr3,
 232                        (void *)(addr_t)(page_tail->cr3));
 233
 234             list_move(&(page_tail->page_list_node), &(state->page_list));
 235
 236             memset(V3_VAddr((void *)(page_tail->page_pa)), 0, PAGE_SIZE_4KB);
 237
 238
 239             return page_tail;
 240         }
 241     }
 242
 243     // else
 244
 245     page_tail = (struct shadow_page_data *)V3_Malloc(sizeof(struct shadow_page_data));
 246     page_tail->page_pa = (addr_t)V3_AllocPages(1);
 247
 248     PrintDebug("Allocating new shadow Page: %p (cur_cr3=%p)\n",
 249                (void *)(addr_t)page_tail->page_pa,
 250                (void *)(addr_t)cur_cr3);
 251
 252     page_tail->cr3 = cur_cr3;
 253     list_add(&(page_tail->page_list_node), &(state->page_list));
 254
 255     shdw_page = (addr_t)V3_VAddr((void *)(page_tail->page_pa));
 256     memset((void *)shdw_page, 0, PAGE_SIZE_4KB);
 257
 258     return page_tail;
 259 }
 260
 261
 262 static int inject_guest_pf(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code) {
 263     info->ctrl_regs.cr2 = fault_addr;
 264
 265 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
 266     info->shdw_pg_state.guest_faults++;
 267 #endif
 268
 269     return v3_raise_exception_with_error(info, PF_EXCEPTION, *(uint_t *)&error_code);
 270 }
 271
 272
 273 static int is_guest_pf(pt_access_status_t guest_access, pt_access_status_t shadow_access) {
 274     /* basically the reasoning is that there can be multiple reasons for a page fault:
 275        If there is a permissions failure for a page present in the guest _BUT_
 276        the reason for the fault was that the page is not present in the shadow,
 277        _THEN_ we have to map the shadow page in and reexecute, this will generate
 278        a permissions fault which is _THEN_ valid to send to the guest
 279        _UNLESS_ both the guest and shadow have marked the page as not present
 280
 281        whew...
 282     */
 283     if (guest_access != PT_ACCESS_OK) {
 284         // Guest Access Error
 285
 286         if ((shadow_access != PT_ACCESS_NOT_PRESENT) &&
 287             (guest_access != PT_ACCESS_NOT_PRESENT)) {
 288             // aka (guest permission error)
 289             return 1;
 290         }
 291
 292         /*
 293           if ((shadow_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT) &&
 294           (guest_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT)) {
 295           // Page tables completely blank, handle guest first
 296           return 1;
 297           }
 298         */
 299
 300         if (guest_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT) {
 301             // Page tables completely blank, handle guest first
 302             return 1;
 303         }
 304
 305         // Otherwise we'll handle the guest fault later...?
 306     }
 307
 308     return 0;
 309 }
 310
 311