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 v3_vm_info * vm, void * private_data, char * hdr) {
  75     int i = 0;
  76     for (i = 0; i < vm->num_cores; i++) {
  77         struct guest_info * core = &(vm->cores[i]);
  78
  79         V3_Print("%s Guest Page faults: %d\n", hdr, core->shdw_pg_state.guest_faults);
  80     }
  81 }
  82 #endif
  83
  84
  85
  86 int v3_init_shadow_page_state(struct guest_info * info) {
  87     struct shadow_page_state * state = &(info->shdw_pg_state);
  88
  89     state->guest_cr3 = 0;
  90     state->guest_cr0 = 0;
  91     state->guest_efer.value = 0x0LL;
  92
  93     INIT_LIST_HEAD(&(state->page_list));
  94
  95 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
  96     v3_add_telemetry_cb(info->vm_info, telemetry_cb, NULL);
  97 #endif
  98
  99     return 0;
 100 }
 101
 102
 103
 104 // Reads the guest CR3 register
 105 // creates new shadow page tables
 106 // updates the shadow CR3 register to point to the new pts
 107 int v3_activate_shadow_pt(struct guest_info * info) {
 108     switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 109
 110         case PROTECTED:
 111             return activate_shadow_pt_32(info);
 112         case PROTECTED_PAE:
 113             return activate_shadow_pt_32pae(info);
 114         case LONG:
 115         case LONG_32_COMPAT:
 116         case LONG_16_COMPAT:
 117             return activate_shadow_pt_64(info);
 118         default:
 119             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 120             return -1;
 121     }
 122
 123     return 0;
 124 }
 125
 126
 127
 128 // This must flush any caches
 129 // and reset the cr3 value to the correct value
 130 int v3_invalidate_shadow_pts(struct guest_info * info) {
 131     return v3_activate_shadow_pt(info);
 132 }
 133
 134
 135 int v3_handle_shadow_pagefault(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code) {
 136
 137     if (v3_get_vm_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM) {
 138         // If paging is not turned on we need to handle the special cases
 139         return v3_handle_passthrough_pagefault(info, fault_addr, error_code);
 140     } else if (v3_get_vm_mem_mode(info) == VIRTUAL_MEM) {
 141
 142         switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 143             case PROTECTED:
 144                 return handle_shadow_pagefault_32(info, fault_addr, error_code);
 145                 break;
 146             case PROTECTED_PAE:
 147                 return handle_shadow_pagefault_32pae(info, fault_addr, error_code);
 148             case LONG:
 149             case LONG_32_COMPAT:
 150             case LONG_16_COMPAT:
 151                 return handle_shadow_pagefault_64(info, fault_addr, error_code);
 152                 break;
 153             default:
 154                 PrintError("Unhandled CPU Mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 155                 return -1;
 156         }
 157     } else {
 158         PrintError("Invalid Memory mode\n");
 159         return -1;
 160     }
 161 }
 162
 163
 164 int v3_handle_shadow_invlpg(struct guest_info * info) {
 165     uchar_t instr[15];
 166     struct x86_instr dec_instr;
 167     int ret = 0;
 168     addr_t vaddr = 0;
 169
 170     if (v3_get_vm_mem_mode(info) != VIRTUAL_MEM) {
 171         // Paging must be turned on...
 172         // should handle with some sort of fault I think
 173         PrintError("ERROR: INVLPG called in non paged mode\n");
 174         return -1;
 175     }
 176
 177     if (v3_get_vm_mem_mode(info) == PHYSICAL_MEM) {
 178         ret = read_guest_pa_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 179     } else {
 180         ret = read_guest_va_memory(info, get_addr_linear(info, info->rip, &(info->segments.cs)), 15, instr);
 181     }
 182
 183     if (ret == -1) {
 184         PrintError("Could not read instruction into buffer\n");
 185         return -1;
 186     }
 187
 188     if (v3_decode(info, (addr_t)instr, &dec_instr) == -1) {
 189         PrintError("Decoding Error\n");
 190         return -1;
 191     }
 192
 193     if ((dec_instr.op_type != V3_OP_INVLPG) ||
 194         (dec_instr.num_operands != 1) ||
 195         (dec_instr.dst_operand.type != MEM_OPERAND)) {
 196         PrintError("Decoder Error: Not a valid INVLPG instruction...\n");
 197         return -1;
 198     }
 199
 200     vaddr = dec_instr.dst_operand.operand;
 201
 202     info->rip += dec_instr.instr_length;
 203
 204     switch (v3_get_vm_cpu_mode(info)) {
 205         case PROTECTED:
 206             return handle_shadow_invlpg_32(info, vaddr);
 207         case PROTECTED_PAE:
 208             return handle_shadow_invlpg_32pae(info, vaddr);
 209         case LONG:
 210         case LONG_32_COMPAT:
 211         case LONG_16_COMPAT:
 212             return handle_shadow_invlpg_64(info, vaddr);
 213         default:
 214             PrintError("Invalid CPU mode: %s\n", v3_cpu_mode_to_str(v3_get_vm_cpu_mode(info)));
 215             return -1;
 216     }
 217 }
 218
 219
 220
 221
 222 static struct shadow_page_data * create_new_shadow_pt(struct guest_info * info) {
 223     struct shadow_page_state * state = &(info->shdw_pg_state);
 224     v3_reg_t cur_cr3 = info->ctrl_regs.cr3;
 225     struct shadow_page_data * page_tail = NULL;
 226     addr_t shdw_page = 0;
 227
 228     if (!list_empty(&(state->page_list))) {
 229         page_tail = list_tail_entry(&(state->page_list), struct shadow_page_data, page_list_node);
 230
 231         if (page_tail->cr3 != cur_cr3) {
 232             PrintDebug("Reusing old shadow Page: %p (cur_CR3=%p)(page_cr3=%p) \n",
 233                        (void *)(addr_t)page_tail->page_pa,
 234                        (void *)(addr_t)cur_cr3,
 235                        (void *)(addr_t)(page_tail->cr3));
 236
 237             list_move(&(page_tail->page_list_node), &(state->page_list));
 238
 239             memset(V3_VAddr((void *)(page_tail->page_pa)), 0, PAGE_SIZE_4KB);
 240
 241
 242             return page_tail;
 243         }
 244     }
 245
 246     // else
 247
 248     page_tail = (struct shadow_page_data *)V3_Malloc(sizeof(struct shadow_page_data));
 249     page_tail->page_pa = (addr_t)V3_AllocPages(1);
 250
 251     PrintDebug("Allocating new shadow Page: %p (cur_cr3=%p)\n",
 252                (void *)(addr_t)page_tail->page_pa,
 253                (void *)(addr_t)cur_cr3);
 254
 255     page_tail->cr3 = cur_cr3;
 256     list_add(&(page_tail->page_list_node), &(state->page_list));
 257
 258     shdw_page = (addr_t)V3_VAddr((void *)(page_tail->page_pa));
 259     memset((void *)shdw_page, 0, PAGE_SIZE_4KB);
 260
 261     return page_tail;
 262 }
 263
 264
 265 static int inject_guest_pf(struct guest_info * info, addr_t fault_addr, pf_error_t error_code) {
 266     info->ctrl_regs.cr2 = fault_addr;
 267
 268 #ifdef CONFIG_SHADOW_PAGING_TELEMETRY
 269     info->shdw_pg_state.guest_faults++;
 270 #endif
 271
 272     return v3_raise_exception_with_error(info, PF_EXCEPTION, *(uint_t *)&error_code);
 273 }
 274
 275
 276 static int is_guest_pf(pt_access_status_t guest_access, pt_access_status_t shadow_access) {
 277     /* basically the reasoning is that there can be multiple reasons for a page fault:
 278        If there is a permissions failure for a page present in the guest _BUT_
 279        the reason for the fault was that the page is not present in the shadow,
 280        _THEN_ we have to map the shadow page in and reexecute, this will generate
 281        a permissions fault which is _THEN_ valid to send to the guest
 282        _UNLESS_ both the guest and shadow have marked the page as not present
 283
 284        whew...
 285     */
 286     if (guest_access != PT_ACCESS_OK) {
 287         // Guest Access Error
 288
 289         if ((shadow_access != PT_ACCESS_NOT_PRESENT) &&
 290             (guest_access != PT_ACCESS_NOT_PRESENT)) {
 291             // aka (guest permission error)
 292             return 1;
 293         }
 294
 295         /*
 296           if ((shadow_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT) &&
 297           (guest_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT)) {
 298           // Page tables completely blank, handle guest first
 299           return 1;
 300           }
 301         */
 302
 303         if (guest_access == PT_ACCESS_NOT_PRESENT) {
 304             // Page tables completely blank, handle guest first
 305             return 1;
 306         }
 307
 308         // Otherwise we'll handle the guest fault later...?
 309     }
 310
 311     return 0;
 312 }
 313
 314