- Update to 2.6.25-rc3.
[linux-flexiantxendom0-3.2.10.git] / arch / x86 / lguest / boot.c
1 /*P:010
2  * A hypervisor allows multiple Operating Systems to run on a single machine.
3  * To quote David Wheeler: "Any problem in computer science can be solved with
4  * another layer of indirection."
5  *
6  * We keep things simple in two ways.  First, we start with a normal Linux
7  * kernel and insert a module (lg.ko) which allows us to run other Linux
8  * kernels the same way we'd run processes.  We call the first kernel the Host,
9  * and the others the Guests.  The program which sets up and configures Guests
10  * (such as the example in Documentation/lguest/lguest.c) is called the
11  * Launcher.
12  *
13  * Secondly, we only run specially modified Guests, not normal kernels.  When
14  * you set CONFIG_LGUEST to 'y' or 'm', this automatically sets
15  * CONFIG_LGUEST_GUEST=y, which compiles this file into the kernel so it knows
16  * how to be a Guest.  This means that you can use the same kernel you boot
17  * normally (ie. as a Host) as a Guest.
18  *
19  * These Guests know that they cannot do privileged operations, such as disable
20  * interrupts, and that they have to ask the Host to do such things explicitly.
21  * This file consists of all the replacements for such low-level native
22  * hardware operations: these special Guest versions call the Host.
23  *
24  * So how does the kernel know it's a Guest?  The Guest starts at a special
25  * entry point marked with a magic string, which sets up a few things then
26  * calls here.  We replace the native functions various "paravirt" structures
27  * with our Guest versions, then boot like normal. :*/
28
29 /*
30  * Copyright (C) 2006, Rusty Russell <rusty@rustcorp.com.au> IBM Corporation.
31  *
32  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
33  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
34  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
35  * (at your option) any later version.
36  *
37  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
38  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
39  * MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, GOOD TITLE or
40  * NON INFRINGEMENT.  See the GNU General Public License for more
41  * details.
42  *
43  * You should have received a copy of the GNU General Public License
44  * along with this program; if not, write to the Free Software
45  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
46  */
47 #include <linux/kernel.h>
48 #include <linux/start_kernel.h>
49 #include <linux/string.h>
50 #include <linux/console.h>
51 #include <linux/screen_info.h>
52 #include <linux/irq.h>
53 #include <linux/interrupt.h>
54 #include <linux/clocksource.h>
55 #include <linux/clockchips.h>
56 #include <linux/lguest.h>
57 #include <linux/lguest_launcher.h>
58 #include <linux/virtio_console.h>
59 #include <linux/pm.h>
60 #include <asm/paravirt.h>
61 #include <asm/param.h>
62 #include <asm/page.h>
63 #include <asm/pgtable.h>
64 #include <asm/desc.h>
65 #include <asm/setup.h>
66 #include <asm/e820.h>
67 #include <asm/mce.h>
68 #include <asm/io.h>
69 #include <asm/i387.h>
70 #include <asm/reboot.h>         /* for struct machine_ops */
71
72 /*G:010 Welcome to the Guest!
73  *
74  * The Guest in our tale is a simple creature: identical to the Host but
75  * behaving in simplified but equivalent ways.  In particular, the Guest is the
76  * same kernel as the Host (or at least, built from the same source code). :*/
77
78 /* Declarations for definitions in lguest_guest.S */
79 extern char lguest_noirq_start[], lguest_noirq_end[];
80 extern const char lgstart_cli[], lgend_cli[];
81 extern const char lgstart_sti[], lgend_sti[];
82 extern const char lgstart_popf[], lgend_popf[];
83 extern const char lgstart_pushf[], lgend_pushf[];
84 extern const char lgstart_iret[], lgend_iret[];
85 extern void lguest_iret(void);
86
87 struct lguest_data lguest_data = {
88         .hcall_status = { [0 ... LHCALL_RING_SIZE-1] = 0xFF },
89         .noirq_start = (u32)lguest_noirq_start,
90         .noirq_end = (u32)lguest_noirq_end,
91         .kernel_address = PAGE_OFFSET,
92         .blocked_interrupts = { 1 }, /* Block timer interrupts */
93         .syscall_vec = SYSCALL_VECTOR,
94 };
95 static cycle_t clock_base;
96
97 /*G:037 async_hcall() is pretty simple: I'm quite proud of it really.  We have a
98  * ring buffer of stored hypercalls which the Host will run though next time we
99  * do a normal hypercall.  Each entry in the ring has 4 slots for the hypercall
100  * arguments, and a "hcall_status" word which is 0 if the call is ready to go,
101  * and 255 once the Host has finished with it.
102  *
103  * If we come around to a slot which hasn't been finished, then the table is
104  * full and we just make the hypercall directly.  This has the nice side
105  * effect of causing the Host to run all the stored calls in the ring buffer
106  * which empties it for next time! */
107 static void async_hcall(unsigned long call, unsigned long arg1,
108                         unsigned long arg2, unsigned long arg3)
109 {
110         /* Note: This code assumes we're uniprocessor. */
111         static unsigned int next_call;
112         unsigned long flags;
113
114         /* Disable interrupts if not already disabled: we don't want an
115          * interrupt handler making a hypercall while we're already doing
116          * one! */
117         local_irq_save(flags);
118         if (lguest_data.hcall_status[next_call] != 0xFF) {
119                 /* Table full, so do normal hcall which will flush table. */
120                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
121         } else {
122                 lguest_data.hcalls[next_call].arg0 = call;
123                 lguest_data.hcalls[next_call].arg1 = arg1;
124                 lguest_data.hcalls[next_call].arg2 = arg2;
125                 lguest_data.hcalls[next_call].arg3 = arg3;
126                 /* Arguments must all be written before we mark it to go */
127                 wmb();
128                 lguest_data.hcall_status[next_call] = 0;
129                 if (++next_call == LHCALL_RING_SIZE)
130                         next_call = 0;
131         }
132         local_irq_restore(flags);
133 }
134
135 /*G:035 Notice the lazy_hcall() above, rather than hcall().  This is our first
136  * real optimization trick!
137  *
138  * When lazy_mode is set, it means we're allowed to defer all hypercalls and do
139  * them as a batch when lazy_mode is eventually turned off.  Because hypercalls
140  * are reasonably expensive, batching them up makes sense.  For example, a
141  * large munmap might update dozens of page table entries: that code calls
142  * paravirt_enter_lazy_mmu(), does the dozen updates, then calls
143  * lguest_leave_lazy_mode().
144  *
145  * So, when we're in lazy mode, we call async_hcall() to store the call for
146  * future processing. */
147 static void lazy_hcall(unsigned long call,
148                        unsigned long arg1,
149                        unsigned long arg2,
150                        unsigned long arg3)
151 {
152         if (paravirt_get_lazy_mode() == PARAVIRT_LAZY_NONE)
153                 hcall(call, arg1, arg2, arg3);
154         else
155                 async_hcall(call, arg1, arg2, arg3);
156 }
157
158 /* When lazy mode is turned off reset the per-cpu lazy mode variable and then
159  * issue a hypercall to flush any stored calls. */
160 static void lguest_leave_lazy_mode(void)
161 {
162         paravirt_leave_lazy(paravirt_get_lazy_mode());
163         hcall(LHCALL_FLUSH_ASYNC, 0, 0, 0);
164 }
165
166 /*G:033
167  * After that diversion we return to our first native-instruction
168  * replacements: four functions for interrupt control.
169  *
170  * The simplest way of implementing these would be to have "turn interrupts
171  * off" and "turn interrupts on" hypercalls.  Unfortunately, this is too slow:
172  * these are by far the most commonly called functions of those we override.
173  *
174  * So instead we keep an "irq_enabled" field inside our "struct lguest_data",
175  * which the Guest can update with a single instruction.  The Host knows to
176  * check there when it wants to deliver an interrupt.
177  */
178
179 /* save_flags() is expected to return the processor state (ie. "flags").  The
180  * flags word contains all kind of stuff, but in practice Linux only cares
181  * about the interrupt flag.  Our "save_flags()" just returns that. */
182 static unsigned long save_fl(void)
183 {
184         return lguest_data.irq_enabled;
185 }
186
187 /* restore_flags() just sets the flags back to the value given. */
188 static void restore_fl(unsigned long flags)
189 {
190         lguest_data.irq_enabled = flags;
191 }
192
193 /* Interrupts go off... */
194 static void irq_disable(void)
195 {
196         lguest_data.irq_enabled = 0;
197 }
198
199 /* Interrupts go on... */
200 static void irq_enable(void)
201 {
202         lguest_data.irq_enabled = X86_EFLAGS_IF;
203 }
204 /*:*/
205 /*M:003 Note that we don't check for outstanding interrupts when we re-enable
206  * them (or when we unmask an interrupt).  This seems to work for the moment,
207  * since interrupts are rare and we'll just get the interrupt on the next timer
208  * tick, but when we turn on CONFIG_NO_HZ, we should revisit this.  One way
209  * would be to put the "irq_enabled" field in a page by itself, and have the
210  * Host write-protect it when an interrupt comes in when irqs are disabled.
211  * There will then be a page fault as soon as interrupts are re-enabled. :*/
212
213 /*G:034
214  * The Interrupt Descriptor Table (IDT).
215  *
216  * The IDT tells the processor what to do when an interrupt comes in.  Each
217  * entry in the table is a 64-bit descriptor: this holds the privilege level,
218  * address of the handler, and... well, who cares?  The Guest just asks the
219  * Host to make the change anyway, because the Host controls the real IDT.
220  */
221 static void lguest_write_idt_entry(gate_desc *dt,
222                                    int entrynum, const gate_desc *g)
223 {
224         u32 *desc = (u32 *)g;
225         /* Keep the local copy up to date. */
226         native_write_idt_entry(dt, entrynum, g);
227         /* Tell Host about this new entry. */
228         hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, entrynum, desc[0], desc[1]);
229 }
230
231 /* Changing to a different IDT is very rare: we keep the IDT up-to-date every
232  * time it is written, so we can simply loop through all entries and tell the
233  * Host about them. */
234 static void lguest_load_idt(const struct desc_ptr *desc)
235 {
236         unsigned int i;
237         struct desc_struct *idt = (void *)desc->address;
238
239         for (i = 0; i < (desc->size+1)/8; i++)
240                 hcall(LHCALL_LOAD_IDT_ENTRY, i, idt[i].a, idt[i].b);
241 }
242
243 /*
244  * The Global Descriptor Table.
245  *
246  * The Intel architecture defines another table, called the Global Descriptor
247  * Table (GDT).  You tell the CPU where it is (and its size) using the "lgdt"
248  * instruction, and then several other instructions refer to entries in the
249  * table.  There are three entries which the Switcher needs, so the Host simply
250  * controls the entire thing and the Guest asks it to make changes using the
251  * LOAD_GDT hypercall.
252  *
253  * This is the opposite of the IDT code where we have a LOAD_IDT_ENTRY
254  * hypercall and use that repeatedly to load a new IDT.  I don't think it
255  * really matters, but wouldn't it be nice if they were the same?
256  */
257 static void lguest_load_gdt(const struct desc_ptr *desc)
258 {
259         BUG_ON((desc->size+1)/8 != GDT_ENTRIES);
260         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(desc->address), GDT_ENTRIES, 0);
261 }
262
263 /* For a single GDT entry which changes, we do the lazy thing: alter our GDT,
264  * then tell the Host to reload the entire thing.  This operation is so rare
265  * that this naive implementation is reasonable. */
266 static void lguest_write_gdt_entry(struct desc_struct *dt, int entrynum,
267                                    const void *desc, int type)
268 {
269         native_write_gdt_entry(dt, entrynum, desc, type);
270         hcall(LHCALL_LOAD_GDT, __pa(dt), GDT_ENTRIES, 0);
271 }
272
273 /* OK, I lied.  There are three "thread local storage" GDT entries which change
274  * on every context switch (these three entries are how glibc implements
275  * __thread variables).  So we have a hypercall specifically for this case. */
276 static void lguest_load_tls(struct thread_struct *t, unsigned int cpu)
277 {
278         /* There's one problem which normal hardware doesn't have: the Host
279          * can't handle us removing entries we're currently using.  So we clear
280          * the GS register here: if it's needed it'll be reloaded anyway. */
281         loadsegment(gs, 0);
282         lazy_hcall(LHCALL_LOAD_TLS, __pa(&t->tls_array), cpu, 0);
283 }
284
285 /*G:038 That's enough excitement for now, back to ploughing through each of
286  * the different pv_ops structures (we're about 1/3 of the way through).
287  *
288  * This is the Local Descriptor Table, another weird Intel thingy.  Linux only
289  * uses this for some strange applications like Wine.  We don't do anything
290  * here, so they'll get an informative and friendly Segmentation Fault. */
291 static void lguest_set_ldt(const void *addr, unsigned entries)
292 {
293 }
294
295 /* This loads a GDT entry into the "Task Register": that entry points to a
296  * structure called the Task State Segment.  Some comments scattered though the
297  * kernel code indicate that this used for task switching in ages past, along
298  * with blood sacrifice and astrology.
299  *
300  * Now there's nothing interesting in here that we don't get told elsewhere.
301  * But the native version uses the "ltr" instruction, which makes the Host
302  * complain to the Guest about a Segmentation Fault and it'll oops.  So we
303  * override the native version with a do-nothing version. */
304 static void lguest_load_tr_desc(void)
305 {
306 }
307
308 /* The "cpuid" instruction is a way of querying both the CPU identity
309  * (manufacturer, model, etc) and its features.  It was introduced before the
310  * Pentium in 1993 and keeps getting extended by both Intel and AMD.  As you
311  * might imagine, after a decade and a half this treatment, it is now a giant
312  * ball of hair.  Its entry in the current Intel manual runs to 28 pages.
313  *
314  * This instruction even it has its own Wikipedia entry.  The Wikipedia entry
315  * has been translated into 4 languages.  I am not making this up!
316  *
317  * We could get funky here and identify ourselves as "GenuineLguest", but
318  * instead we just use the real "cpuid" instruction.  Then I pretty much turned
319  * off feature bits until the Guest booted.  (Don't say that: you'll damage
320  * lguest sales!)  Shut up, inner voice!  (Hey, just pointing out that this is
321  * hardly future proof.)  Noone's listening!  They don't like you anyway,
322  * parenthetic weirdo!
323  *
324  * Replacing the cpuid so we can turn features off is great for the kernel, but
325  * anyone (including userspace) can just use the raw "cpuid" instruction and
326  * the Host won't even notice since it isn't privileged.  So we try not to get
327  * too worked up about it. */
328 static void lguest_cpuid(unsigned int *ax, unsigned int *bx,
329                          unsigned int *cx, unsigned int *dx)
330 {
331         int function = *ax;
332
333         native_cpuid(ax, bx, cx, dx);
334         switch (function) {
335         case 1: /* Basic feature request. */
336                 /* We only allow kernel to see SSE3, CMPXCHG16B and SSSE3 */
337                 *cx &= 0x00002201;
338                 /* SSE, SSE2, FXSR, MMX, CMOV, CMPXCHG8B, FPU. */
339                 *dx &= 0x07808101;
340                 /* The Host can do a nice optimization if it knows that the
341                  * kernel mappings (addresses above 0xC0000000 or whatever
342                  * PAGE_OFFSET is set to) haven't changed.  But Linux calls
343                  * flush_tlb_user() for both user and kernel mappings unless
344                  * the Page Global Enable (PGE) feature bit is set. */
345                 *dx |= 0x00002000;
346                 break;
347         case 0x80000000:
348                 /* Futureproof this a little: if they ask how much extended
349                  * processor information there is, limit it to known fields. */
350                 if (*ax > 0x80000008)
351                         *ax = 0x80000008;
352                 break;
353         }
354 }
355
356 /* Intel has four control registers, imaginatively named cr0, cr2, cr3 and cr4.
357  * I assume there's a cr1, but it hasn't bothered us yet, so we'll not bother
358  * it.  The Host needs to know when the Guest wants to change them, so we have
359  * a whole series of functions like read_cr0() and write_cr0().
360  *
361  * We start with cr0.  cr0 allows you to turn on and off all kinds of basic
362  * features, but Linux only really cares about one: the horrifically-named Task
363  * Switched (TS) bit at bit 3 (ie. 8)
364  *
365  * What does the TS bit do?  Well, it causes the CPU to trap (interrupt 7) if
366  * the floating point unit is used.  Which allows us to restore FPU state
367  * lazily after a task switch, and Linux uses that gratefully, but wouldn't a
368  * name like "FPUTRAP bit" be a little less cryptic?
369  *
370  * We store cr0 (and cr3) locally, because the Host never changes it.  The
371  * Guest sometimes wants to read it and we'd prefer not to bother the Host
372  * unnecessarily. */
373 static unsigned long current_cr0, current_cr3;
374 static void lguest_write_cr0(unsigned long val)
375 {
376         lazy_hcall(LHCALL_TS, val & X86_CR0_TS, 0, 0);
377         current_cr0 = val;
378 }
379
380 static unsigned long lguest_read_cr0(void)
381 {
382         return current_cr0;
383 }
384
385 /* Intel provided a special instruction to clear the TS bit for people too cool
386  * to use write_cr0() to do it.  This "clts" instruction is faster, because all
387  * the vowels have been optimized out. */
388 static void lguest_clts(void)
389 {
390         lazy_hcall(LHCALL_TS, 0, 0, 0);
391         current_cr0 &= ~X86_CR0_TS;
392 }
393
394 /* cr2 is the virtual address of the last page fault, which the Guest only ever
395  * reads.  The Host kindly writes this into our "struct lguest_data", so we
396  * just read it out of there. */
397 static unsigned long lguest_read_cr2(void)
398 {
399         return lguest_data.cr2;
400 }
401
402 /* cr3 is the current toplevel pagetable page: the principle is the same as
403  * cr0.  Keep a local copy, and tell the Host when it changes. */
404 static void lguest_write_cr3(unsigned long cr3)
405 {
406         lazy_hcall(LHCALL_NEW_PGTABLE, cr3, 0, 0);
407         current_cr3 = cr3;
408 }
409
410 static unsigned long lguest_read_cr3(void)
411 {
412         return current_cr3;
413 }
414
415 /* cr4 is used to enable and disable PGE, but we don't care. */
416 static unsigned long lguest_read_cr4(void)
417 {
418         return 0;
419 }
420
421 static void lguest_write_cr4(unsigned long val)
422 {
423 }
424
425 /*
426  * Page Table Handling.
427  *
428  * Now would be a good time to take a rest and grab a coffee or similarly
429  * relaxing stimulant.  The easy parts are behind us, and the trek gradually
430  * winds uphill from here.
431  *
432  * Quick refresher: memory is divided into "pages" of 4096 bytes each.  The CPU
433  * maps virtual addresses to physical addresses using "page tables".  We could
434  * use one huge index of 1 million entries: each address is 4 bytes, so that's
435  * 1024 pages just to hold the page tables.   But since most virtual addresses
436  * are unused, we use a two level index which saves space.  The cr3 register
437  * contains the physical address of the top level "page directory" page, which
438  * contains physical addresses of up to 1024 second-level pages.  Each of these
439  * second level pages contains up to 1024 physical addresses of actual pages,
440  * or Page Table Entries (PTEs).
441  *
442  * Here's a diagram, where arrows indicate physical addresses:
443  *
444  * cr3 ---> +---------+
445  *          |      --------->+---------+
446  *          |         |      | PADDR1  |
447  *        Top-level   |      | PADDR2  |
448  *        (PMD) page  |      |         |
449  *          |         |    Lower-level |
450  *          |         |    (PTE) page  |
451  *          |         |      |         |
452  *            ....               ....
453  *
454  * So to convert a virtual address to a physical address, we look up the top
455  * level, which points us to the second level, which gives us the physical
456  * address of that page.  If the top level entry was not present, or the second
457  * level entry was not present, then the virtual address is invalid (we
458  * say "the page was not mapped").
459  *
460  * Put another way, a 32-bit virtual address is divided up like so:
461  *
462  *  1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
463  * |<---- 10 bits ---->|<---- 10 bits ---->|<------ 12 bits ------>|
464  *    Index into top     Index into second      Offset within page
465  *  page directory page    pagetable page
466  *
467  * The kernel spends a lot of time changing both the top-level page directory
468  * and lower-level pagetable pages.  The Guest doesn't know physical addresses,
469  * so while it maintains these page tables exactly like normal, it also needs
470  * to keep the Host informed whenever it makes a change: the Host will create
471  * the real page tables based on the Guests'.
472  */
473
474 /* The Guest calls this to set a second-level entry (pte), ie. to map a page
475  * into a process' address space.  We set the entry then tell the Host the
476  * toplevel and address this corresponds to.  The Guest uses one pagetable per
477  * process, so we need to tell the Host which one we're changing (mm->pgd). */
478 static void lguest_set_pte_at(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
479                               pte_t *ptep, pte_t pteval)
480 {
481         *ptep = pteval;
482         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, __pa(mm->pgd), addr, pteval.pte_low);
483 }
484
485 /* The Guest calls this to set a top-level entry.  Again, we set the entry then
486  * tell the Host which top-level page we changed, and the index of the entry we
487  * changed. */
488 static void lguest_set_pmd(pmd_t *pmdp, pmd_t pmdval)
489 {
490         *pmdp = pmdval;
491         lazy_hcall(LHCALL_SET_PMD, __pa(pmdp)&PAGE_MASK,
492                    (__pa(pmdp)&(PAGE_SIZE-1))/4, 0);
493 }
494
495 /* There are a couple of legacy places where the kernel sets a PTE, but we
496  * don't know the top level any more.  This is useless for us, since we don't
497  * know which pagetable is changing or what address, so we just tell the Host
498  * to forget all of them.  Fortunately, this is very rare.
499  *
500  * ... except in early boot when the kernel sets up the initial pagetables,
501  * which makes booting astonishingly slow.  So we don't even tell the Host
502  * anything changed until we've done the first page table switch. */
503 static void lguest_set_pte(pte_t *ptep, pte_t pteval)
504 {
505         *ptep = pteval;
506         /* Don't bother with hypercall before initial setup. */
507         if (current_cr3)
508                 lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
509 }
510
511 /* Unfortunately for Lguest, the pv_mmu_ops for page tables were based on
512  * native page table operations.  On native hardware you can set a new page
513  * table entry whenever you want, but if you want to remove one you have to do
514  * a TLB flush (a TLB is a little cache of page table entries kept by the CPU).
515  *
516  * So the lguest_set_pte_at() and lguest_set_pmd() functions above are only
517  * called when a valid entry is written, not when it's removed (ie. marked not
518  * present).  Instead, this is where we come when the Guest wants to remove a
519  * page table entry: we tell the Host to set that entry to 0 (ie. the present
520  * bit is zero). */
521 static void lguest_flush_tlb_single(unsigned long addr)
522 {
523         /* Simply set it to zero: if it was not, it will fault back in. */
524         lazy_hcall(LHCALL_SET_PTE, current_cr3, addr, 0);
525 }
526
527 /* This is what happens after the Guest has removed a large number of entries.
528  * This tells the Host that any of the page table entries for userspace might
529  * have changed, ie. virtual addresses below PAGE_OFFSET. */
530 static void lguest_flush_tlb_user(void)
531 {
532         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 0, 0, 0);
533 }
534
535 /* This is called when the kernel page tables have changed.  That's not very
536  * common (unless the Guest is using highmem, which makes the Guest extremely
537  * slow), so it's worth separating this from the user flushing above. */
538 static void lguest_flush_tlb_kernel(void)
539 {
540         lazy_hcall(LHCALL_FLUSH_TLB, 1, 0, 0);
541 }
542
543 /*
544  * The Unadvanced Programmable Interrupt Controller.
545  *
546  * This is an attempt to implement the simplest possible interrupt controller.
547  * I spent some time looking though routines like set_irq_chip_and_handler,
548  * set_irq_chip_and_handler_name, set_irq_chip_data and set_phasers_to_stun and
549  * I *think* this is as simple as it gets.
550  *
551  * We can tell the Host what interrupts we want blocked ready for using the
552  * lguest_data.interrupts bitmap, so disabling (aka "masking") them is as
553  * simple as setting a bit.  We don't actually "ack" interrupts as such, we
554  * just mask and unmask them.  I wonder if we should be cleverer?
555  */
556 static void disable_lguest_irq(unsigned int irq)
557 {
558         set_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
559 }
560
561 static void enable_lguest_irq(unsigned int irq)
562 {
563         clear_bit(irq, lguest_data.blocked_interrupts);
564 }
565
566 /* This structure describes the lguest IRQ controller. */
567 static struct irq_chip lguest_irq_controller = {
568         .name           = "lguest",
569         .mask           = disable_lguest_irq,
570         .mask_ack       = disable_lguest_irq,
571         .unmask         = enable_lguest_irq,
572 };
573
574 /* This sets up the Interrupt Descriptor Table (IDT) entry for each hardware
575  * interrupt (except 128, which is used for system calls), and then tells the
576  * Linux infrastructure that each interrupt is controlled by our level-based
577  * lguest interrupt controller. */
578 static void __init lguest_init_IRQ(void)
579 {
580         unsigned int i;
581
582         for (i = 0; i < LGUEST_IRQS; i++) {
583                 int vector = FIRST_EXTERNAL_VECTOR + i;
584                 if (vector != SYSCALL_VECTOR) {
585                         set_intr_gate(vector, interrupt[i]);
586                         set_irq_chip_and_handler(i, &lguest_irq_controller,
587                                                  handle_level_irq);
588                 }
589         }
590         /* This call is required to set up for 4k stacks, where we have
591          * separate stacks for hard and soft interrupts. */
592         irq_ctx_init(smp_processor_id());
593 }
594
595 /*
596  * Time.
597  *
598  * It would be far better for everyone if the Guest had its own clock, but
599  * until then the Host gives us the time on every interrupt.
600  */
601 static unsigned long lguest_get_wallclock(void)
602 {
603         return lguest_data.time.tv_sec;
604 }
605
606 static cycle_t lguest_clock_read(void)
607 {
608         unsigned long sec, nsec;
609
610         /* If the Host tells the TSC speed, we can trust that. */
611         if (lguest_data.tsc_khz)
612                 return native_read_tsc();
613
614         /* If we can't use the TSC, we read the time value written by the Host.
615          * Since it's in two parts (seconds and nanoseconds), we risk reading
616          * it just as it's changing from 99 & 0.999999999 to 100 and 0, and
617          * getting 99 and 0.  As Linux tends to come apart under the stress of
618          * time travel, we must be careful: */
619         do {
620                 /* First we read the seconds part. */
621                 sec = lguest_data.time.tv_sec;
622                 /* This read memory barrier tells the compiler and the CPU that
623                  * this can't be reordered: we have to complete the above
624                  * before going on. */
625                 rmb();
626                 /* Now we read the nanoseconds part. */
627                 nsec = lguest_data.time.tv_nsec;
628                 /* Make sure we've done that. */
629                 rmb();
630                 /* Now if the seconds part has changed, try again. */
631         } while (unlikely(lguest_data.time.tv_sec != sec));
632
633         /* Our non-TSC clock is in real nanoseconds. */
634         return sec*1000000000ULL + nsec;
635 }
636
637 /* This is what we tell the kernel is our clocksource.  */
638 static struct clocksource lguest_clock = {
639         .name           = "lguest",
640         .rating         = 400,
641         .read           = lguest_clock_read,
642         .mask           = CLOCKSOURCE_MASK(64),
643         .mult           = 1 << 22,
644         .shift          = 22,
645         .flags          = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
646 };
647
648 /* The "scheduler clock" is just our real clock, adjusted to start at zero */
649 static unsigned long long lguest_sched_clock(void)
650 {
651         return cyc2ns(&lguest_clock, lguest_clock_read() - clock_base);
652 }
653
654 /* We also need a "struct clock_event_device": Linux asks us to set it to go
655  * off some time in the future.  Actually, James Morris figured all this out, I
656  * just applied the patch. */
657 static int lguest_clockevent_set_next_event(unsigned long delta,
658                                            struct clock_event_device *evt)
659 {
660         if (delta < LG_CLOCK_MIN_DELTA) {
661                 if (printk_ratelimit())
662                         printk(KERN_DEBUG "%s: small delta %lu ns\n",
663                                __FUNCTION__, delta);
664                 return -ETIME;
665         }
666         hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, delta, 0, 0);
667         return 0;
668 }
669
670 static void lguest_clockevent_set_mode(enum clock_event_mode mode,
671                                       struct clock_event_device *evt)
672 {
673         switch (mode) {
674         case CLOCK_EVT_MODE_UNUSED:
675         case CLOCK_EVT_MODE_SHUTDOWN:
676                 /* A 0 argument shuts the clock down. */
677                 hcall(LHCALL_SET_CLOCKEVENT, 0, 0, 0);
678                 break;
679         case CLOCK_EVT_MODE_ONESHOT:
680                 /* This is what we expect. */
681                 break;
682         case CLOCK_EVT_MODE_PERIODIC:
683                 BUG();
684         case CLOCK_EVT_MODE_RESUME:
685                 break;
686         }
687 }
688
689 /* This describes our primitive timer chip. */
690 static struct clock_event_device lguest_clockevent = {
691         .name                   = "lguest",
692         .features               = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT,
693         .set_next_event         = lguest_clockevent_set_next_event,
694         .set_mode               = lguest_clockevent_set_mode,
695         .rating                 = INT_MAX,
696         .mult                   = 1,
697         .shift                  = 0,
698         .min_delta_ns           = LG_CLOCK_MIN_DELTA,
699         .max_delta_ns           = LG_CLOCK_MAX_DELTA,
700 };
701
702 /* This is the Guest timer interrupt handler (hardware interrupt 0).  We just
703  * call the clockevent infrastructure and it does whatever needs doing. */
704 static void lguest_time_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
705 {
706         unsigned long flags;
707
708         /* Don't interrupt us while this is running. */
709         local_irq_save(flags);
710         lguest_clockevent.event_handler(&lguest_clockevent);
711         local_irq_restore(flags);
712 }
713
714 /* At some point in the boot process, we get asked to set up our timing
715  * infrastructure.  The kernel doesn't expect timer interrupts before this, but
716  * we cleverly initialized the "blocked_interrupts" field of "struct
717  * lguest_data" so that timer interrupts were blocked until now. */
718 static void lguest_time_init(void)
719 {
720         /* Set up the timer interrupt (0) to go to our simple timer routine */
721         set_irq_handler(0, lguest_time_irq);
722
723         /* Our clock structure looks like arch/x86/kernel/tsc_32.c if we can
724          * use the TSC, otherwise it's a dumb nanosecond-resolution clock.
725          * Either way, the "rating" is set so high that it's always chosen over
726          * any other clocksource. */
727         if (lguest_data.tsc_khz)
728                 lguest_clock.mult = clocksource_khz2mult(lguest_data.tsc_khz,
729                                                          lguest_clock.shift);
730         clock_base = lguest_clock_read();
731         clocksource_register(&lguest_clock);
732
733         /* Now we've set up our clock, we can use it as the scheduler clock */
734         pv_time_ops.sched_clock = lguest_sched_clock;
735
736         /* We can't set cpumask in the initializer: damn C limitations!  Set it
737          * here and register our timer device. */
738         lguest_clockevent.cpumask = cpumask_of_cpu(0);
739         clockevents_register_device(&lguest_clockevent);
740
741         /* Finally, we unblock the timer interrupt. */
742         enable_lguest_irq(0);
743 }
744
745 /*
746  * Miscellaneous bits and pieces.
747  *
748  * Here is an oddball collection of functions which the Guest needs for things
749  * to work.  They're pretty simple.
750  */
751
752 /* The Guest needs to tell the Host what stack it expects traps to use.  For
753  * native hardware, this is part of the Task State Segment mentioned above in
754  * lguest_load_tr_desc(), but to help hypervisors there's this special call.
755  *
756  * We tell the Host the segment we want to use (__KERNEL_DS is the kernel data
757  * segment), the privilege level (we're privilege level 1, the Host is 0 and
758  * will not tolerate us trying to use that), the stack pointer, and the number
759  * of pages in the stack. */
760 static void lguest_load_sp0(struct tss_struct *tss,
761                                      struct thread_struct *thread)
762 {
763         lazy_hcall(LHCALL_SET_STACK, __KERNEL_DS|0x1, thread->sp0,
764                    THREAD_SIZE/PAGE_SIZE);
765 }
766
767 /* Let's just say, I wouldn't do debugging under a Guest. */
768 static void lguest_set_debugreg(int regno, unsigned long value)
769 {
770         /* FIXME: Implement */
771 }
772
773 /* There are times when the kernel wants to make sure that no memory writes are
774  * caught in the cache (that they've all reached real hardware devices).  This
775  * doesn't matter for the Guest which has virtual hardware.
776  *
777  * On the Pentium 4 and above, cpuid() indicates that the Cache Line Flush
778  * (clflush) instruction is available and the kernel uses that.  Otherwise, it
779  * uses the older "Write Back and Invalidate Cache" (wbinvd) instruction.
780  * Unlike clflush, wbinvd can only be run at privilege level 0.  So we can
781  * ignore clflush, but replace wbinvd.
782  */
783 static void lguest_wbinvd(void)
784 {
785 }
786
787 /* If the Guest expects to have an Advanced Programmable Interrupt Controller,
788  * we play dumb by ignoring writes and returning 0 for reads.  So it's no
789  * longer Programmable nor Controlling anything, and I don't think 8 lines of
790  * code qualifies for Advanced.  It will also never interrupt anything.  It
791  * does, however, allow us to get through the Linux boot code. */
792 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
793 static void lguest_apic_write(unsigned long reg, u32 v)
794 {
795 }
796
797 static u32 lguest_apic_read(unsigned long reg)
798 {
799         return 0;
800 }
801 #endif
802
803 /* STOP!  Until an interrupt comes in. */
804 static void lguest_safe_halt(void)
805 {
806         hcall(LHCALL_HALT, 0, 0, 0);
807 }
808
809 /* Perhaps CRASH isn't the best name for this hypercall, but we use it to get a
810  * message out when we're crashing as well as elegant termination like powering
811  * off.
812  *
813  * Note that the Host always prefers that the Guest speak in physical addresses
814  * rather than virtual addresses, so we use __pa() here. */
815 static void lguest_power_off(void)
816 {
817         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa("Power down"), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0);
818 }
819
820 /*
821  * Panicing.
822  *
823  * Don't.  But if you did, this is what happens.
824  */
825 static int lguest_panic(struct notifier_block *nb, unsigned long l, void *p)
826 {
827         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(p), LGUEST_SHUTDOWN_POWEROFF, 0);
828         /* The hcall won't return, but to keep gcc happy, we're "done". */
829         return NOTIFY_DONE;
830 }
831
832 static struct notifier_block paniced = {
833         .notifier_call = lguest_panic
834 };
835
836 /* Setting up memory is fairly easy. */
837 static __init char *lguest_memory_setup(void)
838 {
839         /* We do this here and not earlier because lockcheck barfs if we do it
840          * before start_kernel() */
841         atomic_notifier_chain_register(&panic_notifier_list, &paniced);
842
843         /* The Linux bootloader header contains an "e820" memory map: the
844          * Launcher populated the first entry with our memory limit. */
845         add_memory_region(boot_params.e820_map[0].addr,
846                           boot_params.e820_map[0].size,
847                           boot_params.e820_map[0].type);
848
849         /* This string is for the boot messages. */
850         return "LGUEST";
851 }
852
853 /* We will eventually use the virtio console device to produce console output,
854  * but before that is set up we use LHCALL_NOTIFY on normal memory to produce
855  * console output. */
856 static __init int early_put_chars(u32 vtermno, const char *buf, int count)
857 {
858         char scratch[17];
859         unsigned int len = count;
860
861         /* We use a nul-terminated string, so we have to make a copy.  Icky,
862          * huh? */
863         if (len > sizeof(scratch) - 1)
864                 len = sizeof(scratch) - 1;
865         scratch[len] = '\0';
866         memcpy(scratch, buf, len);
867         hcall(LHCALL_NOTIFY, __pa(scratch), 0, 0);
868
869         /* This routine returns the number of bytes actually written. */
870         return len;
871 }
872
873 /*G:050
874  * Patching (Powerfully Placating Performance Pedants)
875  *
876  * We have already seen that pv_ops structures let us replace simple
877  * native instructions with calls to the appropriate back end all throughout
878  * the kernel.  This allows the same kernel to run as a Guest and as a native
879  * kernel, but it's slow because of all the indirect branches.
880  *
881  * Remember that David Wheeler quote about "Any problem in computer science can
882  * be solved with another layer of indirection"?  The rest of that quote is
883  * "... But that usually will create another problem."  This is the first of
884  * those problems.
885  *
886  * Our current solution is to allow the paravirt back end to optionally patch
887  * over the indirect calls to replace them with something more efficient.  We
888  * patch the four most commonly called functions: disable interrupts, enable
889  * interrupts, restore interrupts and save interrupts.  We usually have 6 or 10
890  * bytes to patch into: the Guest versions of these operations are small enough
891  * that we can fit comfortably.
892  *
893  * First we need assembly templates of each of the patchable Guest operations,
894  * and these are in lguest_asm.S. */
895
896 /*G:060 We construct a table from the assembler templates: */
897 static const struct lguest_insns
898 {
899         const char *start, *end;
900 } lguest_insns[] = {
901         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_disable)] = { lgstart_cli, lgend_cli },
902         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.irq_enable)] = { lgstart_sti, lgend_sti },
903         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.restore_fl)] = { lgstart_popf, lgend_popf },
904         [PARAVIRT_PATCH(pv_irq_ops.save_fl)] = { lgstart_pushf, lgend_pushf },
905 };
906
907 /* Now our patch routine is fairly simple (based on the native one in
908  * paravirt.c).  If we have a replacement, we copy it in and return how much of
909  * the available space we used. */
910 static unsigned lguest_patch(u8 type, u16 clobber, void *ibuf,
911                              unsigned long addr, unsigned len)
912 {
913         unsigned int insn_len;
914
915         /* Don't do anything special if we don't have a replacement */
916         if (type >= ARRAY_SIZE(lguest_insns) || !lguest_insns[type].start)
917                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
918
919         insn_len = lguest_insns[type].end - lguest_insns[type].start;
920
921         /* Similarly if we can't fit replacement (shouldn't happen, but let's
922          * be thorough). */
923         if (len < insn_len)
924                 return paravirt_patch_default(type, clobber, ibuf, addr, len);
925
926         /* Copy in our instructions. */
927         memcpy(ibuf, lguest_insns[type].start, insn_len);
928         return insn_len;
929 }
930
931 static void lguest_restart(char *reason)
932 {
933         hcall(LHCALL_SHUTDOWN, __pa(reason), LGUEST_SHUTDOWN_RESTART, 0);
934 }
935
936 /*G:030 Once we get to lguest_init(), we know we're a Guest.  The pv_ops
937  * structures in the kernel provide points for (almost) every routine we have
938  * to override to avoid privileged instructions. */
939 __init void lguest_init(void)
940 {
941         /* We're under lguest, paravirt is enabled, and we're running at
942          * privilege level 1, not 0 as normal. */
943         pv_info.name = "lguest";
944         pv_info.paravirt_enabled = 1;
945         pv_info.kernel_rpl = 1;
946
947         /* We set up all the lguest overrides for sensitive operations.  These
948          * are detailed with the operations themselves. */
949
950         /* interrupt-related operations */
951         pv_irq_ops.init_IRQ = lguest_init_IRQ;
952         pv_irq_ops.save_fl = save_fl;
953         pv_irq_ops.restore_fl = restore_fl;
954         pv_irq_ops.irq_disable = irq_disable;
955         pv_irq_ops.irq_enable = irq_enable;
956         pv_irq_ops.safe_halt = lguest_safe_halt;
957
958         /* init-time operations */
959         pv_init_ops.memory_setup = lguest_memory_setup;
960         pv_init_ops.patch = lguest_patch;
961
962         /* Intercepts of various cpu instructions */
963         pv_cpu_ops.load_gdt = lguest_load_gdt;
964         pv_cpu_ops.cpuid = lguest_cpuid;
965         pv_cpu_ops.load_idt = lguest_load_idt;
966         pv_cpu_ops.iret = lguest_iret;
967         pv_cpu_ops.load_sp0 = lguest_load_sp0;
968         pv_cpu_ops.load_tr_desc = lguest_load_tr_desc;
969         pv_cpu_ops.set_ldt = lguest_set_ldt;
970         pv_cpu_ops.load_tls = lguest_load_tls;
971         pv_cpu_ops.set_debugreg = lguest_set_debugreg;
972         pv_cpu_ops.clts = lguest_clts;
973         pv_cpu_ops.read_cr0 = lguest_read_cr0;
974         pv_cpu_ops.write_cr0 = lguest_write_cr0;
975         pv_cpu_ops.read_cr4 = lguest_read_cr4;
976         pv_cpu_ops.write_cr4 = lguest_write_cr4;
977         pv_cpu_ops.write_gdt_entry = lguest_write_gdt_entry;
978         pv_cpu_ops.write_idt_entry = lguest_write_idt_entry;
979         pv_cpu_ops.wbinvd = lguest_wbinvd;
980         pv_cpu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_cpu;
981         pv_cpu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
982
983         /* pagetable management */
984         pv_mmu_ops.write_cr3 = lguest_write_cr3;
985         pv_mmu_ops.flush_tlb_user = lguest_flush_tlb_user;
986         pv_mmu_ops.flush_tlb_single = lguest_flush_tlb_single;
987         pv_mmu_ops.flush_tlb_kernel = lguest_flush_tlb_kernel;
988         pv_mmu_ops.set_pte = lguest_set_pte;
989         pv_mmu_ops.set_pte_at = lguest_set_pte_at;
990         pv_mmu_ops.set_pmd = lguest_set_pmd;
991         pv_mmu_ops.read_cr2 = lguest_read_cr2;
992         pv_mmu_ops.read_cr3 = lguest_read_cr3;
993         pv_mmu_ops.lazy_mode.enter = paravirt_enter_lazy_mmu;
994         pv_mmu_ops.lazy_mode.leave = lguest_leave_lazy_mode;
995
996 #ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
997         /* apic read/write intercepts */
998         pv_apic_ops.apic_write = lguest_apic_write;
999         pv_apic_ops.apic_write_atomic = lguest_apic_write;
1000         pv_apic_ops.apic_read = lguest_apic_read;
1001 #endif
1002
1003         /* time operations */
1004         pv_time_ops.get_wallclock = lguest_get_wallclock;
1005         pv_time_ops.time_init = lguest_time_init;
1006
1007         /* Now is a good time to look at the implementations of these functions
1008          * before returning to the rest of lguest_init(). */
1009
1010         /*G:070 Now we've seen all the paravirt_ops, we return to
1011          * lguest_init() where the rest of the fairly chaotic boot setup
1012          * occurs. */
1013
1014         /* The native boot code sets up initial page tables immediately after
1015          * the kernel itself, and sets init_pg_tables_end so they're not
1016          * clobbered.  The Launcher places our initial pagetables somewhere at
1017          * the top of our physical memory, so we don't need extra space: set
1018          * init_pg_tables_end to the end of the kernel. */
1019         init_pg_tables_end = __pa(pg0);
1020
1021         /* Load the %fs segment register (the per-cpu segment register) with
1022          * the normal data segment to get through booting. */
1023         asm volatile ("mov %0, %%fs" : : "r" (__KERNEL_DS) : "memory");
1024
1025         /* The Host uses the top of the Guest's virtual address space for the
1026          * Host<->Guest Switcher, and it tells us how big that is in
1027          * lguest_data.reserve_mem, set up on the LGUEST_INIT hypercall. */
1028         reserve_top_address(lguest_data.reserve_mem);
1029
1030         /* If we don't initialize the lock dependency checker now, it crashes
1031          * paravirt_disable_iospace. */
1032         lockdep_init();
1033
1034         /* The IDE code spends about 3 seconds probing for disks: if we reserve
1035          * all the I/O ports up front it can't get them and so doesn't probe.
1036          * Other device drivers are similar (but less severe).  This cuts the
1037          * kernel boot time on my machine from 4.1 seconds to 0.45 seconds. */
1038         paravirt_disable_iospace();
1039
1040         /* This is messy CPU setup stuff which the native boot code does before
1041          * start_kernel, so we have to do, too: */
1042         cpu_detect(&new_cpu_data);
1043         /* head.S usually sets up the first capability word, so do it here. */
1044         new_cpu_data.x86_capability[0] = cpuid_edx(1);
1045
1046         /* Math is always hard! */
1047         new_cpu_data.hard_math = 1;
1048
1049 #ifdef CONFIG_X86_MCE
1050         mce_disabled = 1;
1051 #endif
1052 #ifdef CONFIG_ACPI
1053         acpi_disabled = 1;
1054         acpi_ht = 0;
1055 #endif
1056
1057         /* We set the perferred console to "hvc".  This is the "hypervisor
1058          * virtual console" driver written by the PowerPC people, which we also
1059          * adapted for lguest's use. */
1060         add_preferred_console("hvc", 0, NULL);
1061
1062         /* Register our very early console. */
1063         virtio_cons_early_init(early_put_chars);
1064
1065         /* Last of all, we set the power management poweroff hook to point to
1066          * the Guest routine to power off. */
1067         pm_power_off = lguest_power_off;
1068
1069         machine_ops.restart = lguest_restart;
1070         /* Now we're set up, call start_kernel() in init/main.c and we proceed
1071          * to boot as normal.  It never returns. */
1072         start_kernel();
1073 }
1074 /*
1075  * This marks the end of stage II of our journey, The Guest.
1076  *
1077  * It is now time for us to explore the layer of virtual drivers and complete
1078  * our understanding of the Guest in "make Drivers".
1079  */