Quelle  mmu.c   Sprache: C

/*
 * This file is subject to the terms and conditions of the GNU General Public
 * License.  See the file "COPYING" in the main directory of this archive
 * for more details.
 *
 * KVM/MIPS MMU handling in the KVM module.
 *
 * Copyright (C) 2012  MIPS Technologies, Inc.  All rights reserved.
 * Authors: Sanjay Lal <sanjayl@kymasys.com>
 */

#include <linux/highmem.h>
#include <linux/kvm_host.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <asm/mmu_context.h>
#include <asm/pgalloc.h>

/*
 * KVM_MMU_CACHE_MIN_PAGES is the number of GPA page table translation levels
 * for which pages need to be cached.
 */
#if defined(__PAGETABLE_PMD_FOLDED)
#define KVM_MMU_CACHE_MIN_PAGES 1
#else
#define KVM_MMU_CACHE_MIN_PAGES 2
#endif

void kvm_mmu_free_memory_caches(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
 kvm_mmu_free_memory_cache(&vcpu->arch.mmu_page_cache);
}

/**
 * kvm_pgd_init() - Initialise KVM GPA page directory.
 * @page: Pointer to page directory (PGD) for KVM GPA.
 *
 * Initialise a KVM GPA page directory with pointers to the invalid table, i.e.
 * representing no mappings. This is similar to pgd_init(), however it
 * initialises all the page directory pointers, not just the ones corresponding
 * to the userland address space (since it is for the guest physical address
 * space rather than a virtual address space).
 */
static void kvm_pgd_init(void *page)
{
 unsigned long *p, *end;
 unsigned long entry;

#ifdef __PAGETABLE_PMD_FOLDED
 entry = (unsigned long)invalid_pte_table;
#else
 entry = (unsigned long)invalid_pmd_table;
#endif

 p = (unsigned long *)page;
 end = p + PTRS_PER_PGD;

 do {
  p[0] = entry;
  p[1] = entry;
  p[2] = entry;
  p[3] = entry;
  p[4] = entry;
  p += 8;
  p[-3] = entry;
  p[-2] = entry;
  p[-1] = entry;
 } while (p != end);
}

/**
 * kvm_pgd_alloc() - Allocate and initialise a KVM GPA page directory.
 *
 * Allocate a blank KVM GPA page directory (PGD) for representing guest physical
 * to host physical page mappings.
 *
 * Returns: Pointer to new KVM GPA page directory.
 * NULL on allocation failure.
 */
pgd_t *kvm_pgd_alloc(void)
{
 pgd_t *ret;

 ret = (pgd_t *)__get_free_pages(GFP_KERNEL, PGD_TABLE_ORDER);
 if (ret)
  kvm_pgd_init(ret);

 return ret;
}

/**
 * kvm_mips_walk_pgd() - Walk page table with optional allocation.
 * @pgd: Page directory pointer.
 * @addr: Address to index page table using.
 * @cache: MMU page cache to allocate new page tables from, or NULL.
 *
 * Walk the page tables pointed to by @pgd to find the PTE corresponding to the
 * address @addr. If page tables don't exist for @addr, they will be created
 * from the MMU cache if @cache is not NULL.
 *
 * Returns: Pointer to pte_t corresponding to @addr.
 * NULL if a page table doesn't exist for @addr and !@cache.
 * NULL if a page table allocation failed.
 */
static pte_t *kvm_mips_walk_pgd(pgd_t *pgd, struct kvm_mmu_memory_cache *cache,
    unsigned long addr)
{
 p4d_t *p4d;
 pud_t *pud;
 pmd_t *pmd;

 pgd += pgd_index(addr);
 if (pgd_none(*pgd)) {
  /* Not used on MIPS yet */
  BUG();
  return NULL;
 }
 p4d = p4d_offset(pgd, addr);
 pud = pud_offset(p4d, addr);
 if (pud_none(*pud)) {
  pmd_t *new_pmd;

  if (!cache)
   return NULL;
  new_pmd = kvm_mmu_memory_cache_alloc(cache);
  pmd_init(new_pmd);
  pud_populate(NULL, pud, new_pmd);
 }
 pmd = pmd_offset(pud, addr);
 if (pmd_none(*pmd)) {
  pte_t *new_pte;

  if (!cache)
   return NULL;
  new_pte = kvm_mmu_memory_cache_alloc(cache);
  clear_page(new_pte);
  pmd_populate_kernel(NULL, pmd, new_pte);
 }
 return pte_offset_kernel(pmd, addr);
}

/* Caller must hold kvm->mm_lock */
static pte_t *kvm_mips_pte_for_gpa(struct kvm *kvm,
       struct kvm_mmu_memory_cache *cache,
       unsigned long addr)
{
 return kvm_mips_walk_pgd(kvm->arch.gpa_mm.pgd, cache, addr);
}

/*
 * kvm_mips_flush_gpa_{pte,pmd,pud,pgd,pt}.
 * Flush a range of guest physical address space from the VM's GPA page tables.
 */

static bool kvm_mips_flush_gpa_pte(pte_t *pte, unsigned long start_gpa,
       unsigned long end_gpa)
{
 int i_min = pte_index(start_gpa);
 int i_max = pte_index(end_gpa);
 bool safe_to_remove = (i_min == 0 && i_max == PTRS_PER_PTE - 1);
 int i;

 for (i = i_min; i <= i_max; ++i) {
  if (!pte_present(pte[i]))
   continue;

  set_pte(pte + i, __pte(0));
 }
 return safe_to_remove;
}

static bool kvm_mips_flush_gpa_pmd(pmd_t *pmd, unsigned long start_gpa,
       unsigned long end_gpa)
{
 pte_t *pte;
 unsigned long end = ~0ul;
 int i_min = pmd_index(start_gpa);
 int i_max = pmd_index(end_gpa);
 bool safe_to_remove = (i_min == 0 && i_max == PTRS_PER_PMD - 1);
 int i;

 for (i = i_min; i <= i_max; ++i, start_gpa = 0) {
  if (!pmd_present(pmd[i]))
   continue;

  pte = pte_offset_kernel(pmd + i, 0);
  if (i == i_max)
   end = end_gpa;

  if (kvm_mips_flush_gpa_pte(pte, start_gpa, end)) {
   pmd_clear(pmd + i);
   pte_free_kernel(NULL, pte);
  } else {
   safe_to_remove = false;
  }
 }
 return safe_to_remove;
}

static bool kvm_mips_flush_gpa_pud(pud_t *pud, unsigned long start_gpa,
       unsigned long end_gpa)
{
 pmd_t *pmd;
 unsigned long end = ~0ul;
 int i_min = pud_index(start_gpa);
 int i_max = pud_index(end_gpa);
 bool safe_to_remove = (i_min == 0 && i_max == PTRS_PER_PUD - 1);
 int i;

 for (i = i_min; i <= i_max; ++i, start_gpa = 0) {
  if (!pud_present(pud[i]))
   continue;

  pmd = pmd_offset(pud + i, 0);
  if (i == i_max)
   end = end_gpa;

  if (kvm_mips_flush_gpa_pmd(pmd, start_gpa, end)) {
   pud_clear(pud + i);
   pmd_free(NULL, pmd);
  } else {
   safe_to_remove = false;
  }
 }
 return safe_to_remove;
}

static bool kvm_mips_flush_gpa_pgd(pgd_t *pgd, unsigned long start_gpa,
       unsigned long end_gpa)
{
 p4d_t *p4d;
 pud_t *pud;
 unsigned long end = ~0ul;
 int i_min = pgd_index(start_gpa);
 int i_max = pgd_index(end_gpa);
 bool safe_to_remove = (i_min == 0 && i_max == PTRS_PER_PGD - 1);
 int i;

 for (i = i_min; i <= i_max; ++i, start_gpa = 0) {
  if (!pgd_present(pgd[i]))
   continue;

  p4d = p4d_offset(pgd, 0);
  pud = pud_offset(p4d + i, 0);
  if (i == i_max)
   end = end_gpa;

  if (kvm_mips_flush_gpa_pud(pud, start_gpa, end)) {
   pgd_clear(pgd + i);
   pud_free(NULL, pud);
  } else {
   safe_to_remove = false;
  }
 }
 return safe_to_remove;
}

/**
 * kvm_mips_flush_gpa_pt() - Flush a range of guest physical addresses.
 * @kvm: KVM pointer.
 * @start_gfn: Guest frame number of first page in GPA range to flush.
 * @end_gfn: Guest frame number of last page in GPA range to flush.
 *
 * Flushes a range of GPA mappings from the GPA page tables.
 *
 * The caller must hold the @kvm->mmu_lock spinlock.
 *
 * Returns: Whether its safe to remove the top level page directory because
 * all lower levels have been removed.
 */
bool kvm_mips_flush_gpa_pt(struct kvm *kvm, gfn_t start_gfn, gfn_t end_gfn)
{
 return kvm_mips_flush_gpa_pgd(kvm->arch.gpa_mm.pgd,
          start_gfn << PAGE_SHIFT,
          end_gfn << PAGE_SHIFT);
}

#define BUILD_PTE_RANGE_OP(name, op)     \
static int kvm_mips_##name##_pte(pte_t *pte, unsigned long start, \
     unsigned long end)   \
{         \
 int ret = 0;       \
 int i_min = pte_index(start);    \
 int i_max = pte_index(end);     \
 int i;        \
 pte_t old, new;       \
         \
 for (i = i_min; i <= i_max; ++i) {    \
  if (!pte_present(pte[i]))    \
   continue;     \
         \
  old = pte[i];      \
  new = op(old);      \
  if (pte_val(new) == pte_val(old))   \
   continue;     \
  set_pte(pte + i, new);     \
  ret = 1;      \
 }        \
 return ret;       \
}         \
         \
/* returns true if anything was done */ \
static int kvm_mips_##name##_pmd(pmd_t *pmd, unsigned long start, \
     unsigned long end)   \
{         \
 int ret = 0;       \
 pte_t *pte;       \
 unsigned long cur_end = ~0ul;     \
 int i_min = pmd_index(start);    \
 int i_max = pmd_index(end);     \
 int i;        \
         \
 for (i = i_min; i <= i_max; ++i, start = 0) {   \
  if (!pmd_present(pmd[i]))    \
   continue;     \
         \
  pte = pte_offset_kernel(pmd + i, 0);    \
  if (i == i_max)      \
   cur_end = end;     \
         \
  ret |= kvm_mips_##name##_pte(pte, start, cur_end); \
 }        \
 return ret;       \
}         \
         \
static int kvm_mips_##name##_pud(pud_t *pud, unsigned long start, \
     unsigned long end)   \
{         \
 int ret = 0;       \
 pmd_t *pmd;       \
 unsigned long cur_end = ~0ul;     \
 int i_min = pud_index(start);    \
 int i_max = pud_index(end);     \
 int i;        \
         \
 for (i = i_min; i <= i_max; ++i, start = 0) {   \
  if (!pud_present(pud[i]))    \
   continue;     \
         \
  pmd = pmd_offset(pud + i, 0);    \
  if (i == i_max)      \
   cur_end = end;     \
         \
  ret |= kvm_mips_##name##_pmd(pmd, start, cur_end); \
 }        \
 return ret;       \
}         \
         \
static int kvm_mips_##name##_pgd(pgd_t *pgd, unsigned long start, \
     unsigned long end)   \
{         \
 int ret = 0;       \
 p4d_t *p4d;       \
 pud_t *pud;       \
 unsigned long cur_end = ~0ul;     \
 int i_min = pgd_index(start);     \
 int i_max = pgd_index(end);     \
 int i;        \
         \
 for (i = i_min; i <= i_max; ++i, start = 0) {   \
  if (!pgd_present(pgd[i]))    \
   continue;     \
         \
  p4d = p4d_offset(pgd, 0);    \
  pud = pud_offset(p4d + i, 0);    \
  if (i == i_max)      \
   cur_end = end;     \
         \
  ret |= kvm_mips_##name##_pud(pud, start, cur_end); \
 }        \
 return ret;       \
}

/*
 * kvm_mips_mkclean_gpa_pt.
 * Mark a range of guest physical address space clean (writes fault) in the VM's
 * GPA page table to allow dirty page tracking.
 */

BUILD_PTE_RANGE_OP(mkclean, pte_mkclean)

/**
 * kvm_mips_mkclean_gpa_pt() - Make a range of guest physical addresses clean.
 * @kvm: KVM pointer.
 * @start_gfn: Guest frame number of first page in GPA range to flush.
 * @end_gfn: Guest frame number of last page in GPA range to flush.
 *
 * Make a range of GPA mappings clean so that guest writes will fault and
 * trigger dirty page logging.
 *
 * The caller must hold the @kvm->mmu_lock spinlock.
 *
 * Returns: Whether any GPA mappings were modified, which would require
 * derived mappings (GVA page tables & TLB enties) to be
 * invalidated.
 */
int kvm_mips_mkclean_gpa_pt(struct kvm *kvm, gfn_t start_gfn, gfn_t end_gfn)
{
 return kvm_mips_mkclean_pgd(kvm->arch.gpa_mm.pgd,
        start_gfn << PAGE_SHIFT,
        end_gfn << PAGE_SHIFT);
}

/**
 * kvm_arch_mmu_enable_log_dirty_pt_masked() - write protect dirty pages
 * @kvm: The KVM pointer
 * @slot: The memory slot associated with mask
 * @gfn_offset: The gfn offset in memory slot
 * @mask: The mask of dirty pages at offset 'gfn_offset' in this memory
 * slot to be write protected
 *
 * Walks bits set in mask write protects the associated pte's. Caller must
 * acquire @kvm->mmu_lock.
 */
void kvm_arch_mmu_enable_log_dirty_pt_masked(struct kvm *kvm,
  struct kvm_memory_slot *slot,
  gfn_t gfn_offset, unsigned long mask)
{
 gfn_t base_gfn = slot->base_gfn + gfn_offset;
 gfn_t start = base_gfn +  __ffs(mask);
 gfn_t end = base_gfn + __fls(mask);

 kvm_mips_mkclean_gpa_pt(kvm, start, end);
}

/*
 * kvm_mips_mkold_gpa_pt.
 * Mark a range of guest physical address space old (all accesses fault) in the
 * VM's GPA page table to allow detection of commonly used pages.
 */

BUILD_PTE_RANGE_OP(mkold, pte_mkold)

static int kvm_mips_mkold_gpa_pt(struct kvm *kvm, gfn_t start_gfn,
     gfn_t end_gfn)
{
 return kvm_mips_mkold_pgd(kvm->arch.gpa_mm.pgd,
      start_gfn << PAGE_SHIFT,
      end_gfn << PAGE_SHIFT);
}

bool kvm_unmap_gfn_range(struct kvm *kvm, struct kvm_gfn_range *range)
{
 kvm_mips_flush_gpa_pt(kvm, range->start, range->end);
 return true;
}

bool kvm_age_gfn(struct kvm *kvm, struct kvm_gfn_range *range)
{
 return kvm_mips_mkold_gpa_pt(kvm, range->start, range->end);
}

bool kvm_test_age_gfn(struct kvm *kvm, struct kvm_gfn_range *range)
{
 gpa_t gpa = range->start << PAGE_SHIFT;
 pte_t *gpa_pte = kvm_mips_pte_for_gpa(kvm, NULL, gpa);

 if (!gpa_pte)
  return false;
 return pte_young(*gpa_pte);
}

/**
 * _kvm_mips_map_page_fast() - Fast path GPA fault handler.
 * @vcpu: VCPU pointer.
 * @gpa: Guest physical address of fault.
 * @write_fault: Whether the fault was due to a write.
 * @out_entry: New PTE for @gpa (written on success unless NULL).
 * @out_buddy: New PTE for @gpa's buddy (written on success unless
 * NULL).
 *
 * Perform fast path GPA fault handling, doing all that can be done without
 * calling into KVM. This handles marking old pages young (for idle page
 * tracking), and dirtying of clean pages (for dirty page logging).
 *
 * Returns: 0 on success, in which case we can update derived mappings and
 * resume guest execution.
 * -EFAULT on failure due to absent GPA mapping or write to
 * read-only page, in which case KVM must be consulted.
 */
static int _kvm_mips_map_page_fast(struct kvm_vcpu *vcpu, unsigned long gpa,
       bool write_fault,
       pte_t *out_entry, pte_t *out_buddy)
{
 struct kvm *kvm = vcpu->kvm;
 gfn_t gfn = gpa >> PAGE_SHIFT;
 pte_t *ptep;
 int ret = 0;

 spin_lock(&kvm->mmu_lock);

 /* Fast path - just check GPA page table for an existing entry */
 ptep = kvm_mips_pte_for_gpa(kvm, NULL, gpa);
 if (!ptep || !pte_present(*ptep)) {
  ret = -EFAULT;
  goto out;
 }

 /* Track access to pages marked old */
 if (!pte_young(*ptep))
  set_pte(ptep, pte_mkyoung(*ptep));

 if (write_fault && !pte_dirty(*ptep)) {
  if (!pte_write(*ptep)) {
   ret = -EFAULT;
   goto out;
  }

  /* Track dirtying of writeable pages */
  set_pte(ptep, pte_mkdirty(*ptep));
  mark_page_dirty(kvm, gfn);
 }

 if (out_entry)
  *out_entry = *ptep;
 if (out_buddy)
  *out_buddy = *ptep_buddy(ptep);

out:
 spin_unlock(&kvm->mmu_lock);
 return ret;
}

/**
 * kvm_mips_map_page() - Map a guest physical page.
 * @vcpu: VCPU pointer.
 * @gpa: Guest physical address of fault.
 * @write_fault: Whether the fault was due to a write.
 * @out_entry: New PTE for @gpa (written on success unless NULL).
 * @out_buddy: New PTE for @gpa's buddy (written on success unless
 * NULL).
 *
 * Handle GPA faults by creating a new GPA mapping (or updating an existing
 * one).
 *
 * This takes care of marking pages young or dirty (idle/dirty page tracking),
 * asking KVM for the corresponding PFN, and creating a mapping in the GPA page
 * tables. Derived mappings (GVA page tables and TLBs) must be handled by the
 * caller.
 *
 * Returns: 0 on success, in which case the caller may use the @out_entry
 * and @out_buddy PTEs to update derived mappings and resume guest
 * execution.
 * -EFAULT if there is no memory region at @gpa or a write was
 * attempted to a read-only memory region. This is usually handled
 * as an MMIO access.
 */
static int kvm_mips_map_page(struct kvm_vcpu *vcpu, unsigned long gpa,
        bool write_fault,
        pte_t *out_entry, pte_t *out_buddy)
{
 struct kvm *kvm = vcpu->kvm;
 struct kvm_mmu_memory_cache *memcache = &vcpu->arch.mmu_page_cache;
 gfn_t gfn = gpa >> PAGE_SHIFT;
 int srcu_idx, err;
 kvm_pfn_t pfn;
 pte_t *ptep, entry;
 bool writeable;
 unsigned long prot_bits;
 unsigned long mmu_seq;
 struct page *page;

 /* Try the fast path to handle old / clean pages */
 srcu_idx = srcu_read_lock(&kvm->srcu);
 err = _kvm_mips_map_page_fast(vcpu, gpa, write_fault, out_entry,
          out_buddy);
 if (!err)
  goto out;

 /* We need a minimum of cached pages ready for page table creation */
 err = kvm_mmu_topup_memory_cache(memcache, KVM_MMU_CACHE_MIN_PAGES);
 if (err)
  goto out;

retry:
 /*
 * Used to check for invalidations in progress, of the pfn that is
 * returned by pfn_to_pfn_prot below.
 */
 mmu_seq = kvm->mmu_invalidate_seq;
 /*
 * Ensure the read of mmu_invalidate_seq isn't reordered with PTE reads
 * in kvm_faultin_pfn() (which calls get_user_pages()), so that we don't
 * risk the page we get a reference to getting unmapped before we have a
 * chance to grab the mmu_lock without mmu_invalidate_retry() noticing.
 *
 * This smp_rmb() pairs with the effective smp_wmb() of the combination
 * of the pte_unmap_unlock() after the PTE is zapped, and the
 * spin_lock() in kvm_mmu_notifier_invalidate_<page|range_end>() before
 * mmu_invalidate_seq is incremented.
 */
 smp_rmb();

 /* Slow path - ask KVM core whether we can access this GPA */
 pfn = kvm_faultin_pfn(vcpu, gfn, write_fault, &writeable, &page);
 if (is_error_noslot_pfn(pfn)) {
  err = -EFAULT;
  goto out;
 }

 spin_lock(&kvm->mmu_lock);
 /* Check if an invalidation has taken place since we got pfn */
 if (mmu_invalidate_retry(kvm, mmu_seq)) {
  /*
 * This can happen when mappings are changed asynchronously, but
 * also synchronously if a COW is triggered by
 * kvm_faultin_pfn().
 */
  spin_unlock(&kvm->mmu_lock);
  kvm_release_page_unused(page);
  goto retry;
 }

 /* Ensure page tables are allocated */
 ptep = kvm_mips_pte_for_gpa(kvm, memcache, gpa);

 /* Set up the PTE */
 prot_bits = _PAGE_PRESENT | __READABLE | _page_cachable_default;
 if (writeable) {
  prot_bits |= _PAGE_WRITE;
  if (write_fault) {
   prot_bits |= __WRITEABLE;
   mark_page_dirty(kvm, gfn);
  }
 }
 entry = pfn_pte(pfn, __pgprot(prot_bits));

 /* Write the PTE */
 set_pte(ptep, entry);

 err = 0;
 if (out_entry)
  *out_entry = *ptep;
 if (out_buddy)
  *out_buddy = *ptep_buddy(ptep);

 kvm_release_faultin_page(kvm, page, false, writeable);
 spin_unlock(&kvm->mmu_lock);
out:
 srcu_read_unlock(&kvm->srcu, srcu_idx);
 return err;
}

int kvm_mips_handle_vz_root_tlb_fault(unsigned long badvaddr,
          struct kvm_vcpu *vcpu,
          bool write_fault)
{
 int ret;

 ret = kvm_mips_map_page(vcpu, badvaddr, write_fault, NULL, NULL);
 if (ret)
  return ret;

 /* Invalidate this entry in the TLB */
 return kvm_vz_host_tlb_inv(vcpu, badvaddr);
}

/**
 * kvm_mips_migrate_count() - Migrate timer.
 * @vcpu: Virtual CPU.
 *
 * Migrate CP0_Count hrtimer to the current CPU by cancelling and restarting it
 * if it was running prior to being cancelled.
 *
 * Must be called when the VCPU is migrated to a different CPU to ensure that
 * timer expiry during guest execution interrupts the guest and causes the
 * interrupt to be delivered in a timely manner.
 */
static void kvm_mips_migrate_count(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
 if (hrtimer_cancel(&vcpu->arch.comparecount_timer))
  hrtimer_restart(&vcpu->arch.comparecount_timer);
}

/* Restore ASID once we are scheduled back after preemption */
void kvm_arch_vcpu_load(struct kvm_vcpu *vcpu, int cpu)
{
 unsigned long flags;

 kvm_debug("%s: vcpu %p, cpu: %d\n", __func__, vcpu, cpu);

 local_irq_save(flags);

 vcpu->cpu = cpu;
 if (vcpu->arch.last_sched_cpu != cpu) {
  kvm_debug("[%d->%d]KVM VCPU[%d] switch\n",
     vcpu->arch.last_sched_cpu, cpu, vcpu->vcpu_id);
  /*
 * Migrate the timer interrupt to the current CPU so that it
 * always interrupts the guest and synchronously triggers a
 * guest timer interrupt.
 */
  kvm_mips_migrate_count(vcpu);
 }

 /* restore guest state to registers */
 kvm_mips_callbacks->vcpu_load(vcpu, cpu);

 local_irq_restore(flags);
}

/* ASID can change if another task is scheduled during preemption */
void kvm_arch_vcpu_put(struct kvm_vcpu *vcpu)
{
 unsigned long flags;
 int cpu;

 local_irq_save(flags);

 cpu = smp_processor_id();
 vcpu->arch.last_sched_cpu = cpu;
 vcpu->cpu = -1;

 /* save guest state in registers */
 kvm_mips_callbacks->vcpu_put(vcpu, cpu);

 local_irq_restore(flags);
}