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->prev_guest_cr3 = 0;
  85
  86     state->guest_cr3 = 0;
  87     state->guest_cr0 = 0;
  88     state->guest_efer.value = 0x0LL;
  89
  90     INIT_LIST_HEAD(&(state->page_list));
  91
  92 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
  93     if (info->enable_telemetry) {
  94         v3_add_telemetry_cb(info, telemetry_cb, NULL);
  95     }
  96 #endif
  97
  98     return 0;
  99 }
 100
 101
 102
 103 // Reads the guest CR3 register
 104 // creates new shadow page tables
 105 // updates the shadow CR3 register to point to the new pts
 106 int v3_activate_shadow_pt(struct guest_info * info) {
 107     switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 108
 109         case PROTECTED:
 110             return activate_shadow_pt_32(info);
 111         case PROTECTED_PAE:
 112             return activate_shadow_pt_32pae(info);
 113         case LONG:
 114         case LONG_32_COMPAT:
 115         case LONG_16_COMPAT:
 116             return activate_shadow_pt_64(info);
 117         default:
 118             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 119             return -1;
 120     }
 121
 122     return 0;
 123 }
 124
 125
 126
 127 // This must flush any caches
 128 // and reset the cr3 value to the correct value
 129 int v3_invalidate_shadow_pts(struct guest_info * info) {
 130     return v3_activate_shadow_pt(info);
 131 }
 132
 133
 134 int v3_handle_shadow_pagefault(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code) {
 135
 136     if (v3_get_vm_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM) {
 137         // If paging is not turned on we need to handle the special cases
 138         return v3_handle_passthrough_pagefault(info, fault_addr, error_code);
 139     } else if (v3_get_vm_mem_mode(info) == VIRTUAL_MEM) {
 140
 141         switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 142             case PROTECTED:
 143                 return handle_shadow_pagefault_32(info, fault_addr, error_code);
 144                 break;
 145             case PROTECTED_PAE:
 146                 return handle_shadow_pagefault_32pae(info, fault_addr, error_code);
 147             case LONG:
 148             case LONG_32_COMPAT:
 149             case LONG_16_COMPAT:
 150                 return handle_shadow_pagefault_64(info, fault_addr, error_code);
 151                 break;
 152             default:
 153                 PrintError("Unhandled CPU Mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 154                 return -1;
 155         }
 156     } else {
 157         PrintError("Invalid Memory mode\n");
 158         return -1;
 159     }
 160 }
 161
 162
 163 int v3_handle_shadow_invlpg(struct guest_info * info) {
 164     uchar_t instr[15];
 165     struct x86_instr dec_instr;
 166     int ret = 0;
 167     addr_t vaddr = 0;
 168
 169     if (v3_get_vm_mem_mode(info) != VIRTUAL_MEM) {
 170         // Paging must be turned on...
 171         // should handle with some sort of fault I think
 172         PrintError("ERROR: INVLPG called in non paged mode\n");
 173         return -1;
 174     }
 175
 176     if (v3_get_vm_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM) {
 177         ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 178     } else {
 179         ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 180     }
 181
 182     if (ret == -1) {
 183         PrintError("Could not read instruction into buffer\n");
 184         return -1;
 185     }
 186
 187     if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 188         PrintError("Decoding Error\n");
 189         return -1;
 190     }
 191
 192     if ((dec_instr.op_type != V3_OP_INVLPG) ||
 193         (dec_instr.num_operands != 1) ||
 194         (dec_instr.dst_operand.type != MEM_OPERAND)) {
 195         PrintError("Decoder Error: Not a valid INVLPG instruction...\n");
 196         return -1;
 197     }
 198
 199     vaddr = dec_instr.dst_operand.operand;
 200
 201     info->rip += dec_instr.instr_length;
 202
 203     switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 204         case PROTECTED:
 205             return handle_shadow_invlpg_32(info, vaddr);
 206         case PROTECTED_PAE:
 207             return handle_shadow_invlpg_32pae(info, vaddr);
 208         case LONG:
 209         case LONG_32_COMPAT:
 210         case LONG_16_COMPAT:
 211             return handle_shadow_invlpg_64(info, vaddr);
 212         default:
 213             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 214             return -1;
 215     }
 216 }
 217
 218
 219
 220
 221 static struct shadow_page_data * create_new_shadow_pt(struct guest_info * info) {
 222     struct shadow_page_state * state = &(info->shdw_pg_state);
 223     v3_reg_t cur_cr3 = info->ctrl_regs.cr3;
 224     struct shadow_page_data * page_tail = NULL;
 225     addr_t shdw_page = 0;
 226
 227     if (!list_empty(&(state->page_list))) {
 228         page_tail = list_tail_entry(&(state->page_list), struct shadow_page_data, page_list_node);
 229
 230         if (page_tail->cr3 != cur_cr3) {
 231             PrintDebug("Reusing old shadow Page: %p (cur_CR3=%p)(page_cr3=%p) \n",
 232                        (void *)(addr_t)page_tail->page_pa,
 233                        (void *)(addr_t)cur_cr3,
 234                        (void *)(addr_t)(page_tail->cr3));
 235
 236             list_move(&(page_tail->page_list_node), &(state->page_list));
 237
 238             memset(V3_VAddr((void *)(page_tail->page_pa)), 0, PAGE_SIZE_4KB);
 239
 240
 241             return page_tail;
 242         }
 243     }
 244
 245     // else
 246
 247     page_tail = (struct shadow_page_data *)V3_Malloc(sizeof(struct shadow_page_data));
 248     page_tail->page_pa = (addr_t)V3_AllocPages(1);
 249
 250     PrintDebug("Allocating new shadow Page: %p (cur_cr3=%p)\n",
 251                (void *)(addr_t)page_tail->page_pa,
 252                (void *)(addr_t)cur_cr3);
 253
 254     page_tail->cr3 = cur_cr3;
 255     list_add(&(page_tail->page_list_node), &(state->page_list));
 256
 257     shdw_page = (addr_t)V3_VAddr((void *)(page_tail->page_pa));
 258     memset((void *)shdw_page, 0, PAGE_SIZE_4KB);
 259
 260     return page_tail;
 261 }
 262
 263
 264 static int inject_guest_pf(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code) {
 265     info->ctrl_regs.cr2 = fault_addr;
 266
 267 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
 268     info->shdw_pg_state.guest_faults++;
 269 #endif
 270
 271     return v3_raise_exception_with_error(info, PF_EXCEPTION, *(uint_t *)&error_code);
 272 }
 273
 274
 275 static int is_guest_pf(pt_access_status_t guest_access, pt_access_status_t shadow_access) {
 276     /* basically the reasoning is that there can be multiple reasons for a page fault:
 277        If there is a permissions failure for a page present in the guest _BUT_
 278        the reason for the fault was that the page is not present in the shadow,
 279        _THEN_ we have to map the shadow page in and reexecute, this will generate
 280        a permissions fault which is _THEN_ valid to send to the guest
 281        _UNLESS_ both the guest and shadow have marked the page as not present
 282
 283        whew...
 284     */
 285     if (guest_access != PT_ACCESS_OK) {
 286         // Guest Access Error
 287
 288         if ((shadow_access != PT_ACCESS_NOT_PRESENT) &&
 289             (guest_access != PT_ACCESS_NOT_PRESENT)) {
 290             // aka (guest permission error)
 291             return 1;
 292         }
 293
 294         /*
 295           if ((shadow_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT) &&
 296           (guest_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT)) {
 297           // Page tables completely blank, handle guest first
 298           return 1;
 299           }
 300         */
 301
 302         if (guest_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT) {
 303             // Page tables completely blank, handle guest first
 304             return 1;
 305         }
 306
 307         // Otherwise we'll handle the guest fault later...?
 308     }
 309
 310     return 0;
 311 }
 312
 313