x86: 64 bit pmap code
[akaros.git] / kern / arch / x86 / pmap32.c
1 #ifdef __SHARC__
2 #pragma nosharc
3 #define SINIT(x) x
4 #endif
5
6 /* See COPYRIGHT for copyright information. */
7 #include <arch/x86.h>
8 #include <arch/arch.h>
9 #include <arch/mmu.h>
10 #include <arch/apic.h>
11
12 #include <error.h>
13 #include <sys/queue.h>
14
15 #include <atomic.h>
16 #include <string.h>
17 #include <assert.h>
18 #include <pmap.h>
19 #include <kclock.h>
20 #include <env.h>
21 #include <stdio.h>
22 #include <kmalloc.h>
23 #include <page_alloc.h>
24
25 // These variables are set in i386_vm_init()
26 pde_t* boot_pgdir;              // Virtual address of boot time page directory
27 physaddr_t RO boot_cr3;         // Physical address of boot time page directory
28
29 // Global descriptor table.
30 //
31 // The kernel and user segments are identical (except for the DPL).
32 // To load the SS register, the CPL must equal the DPL.  Thus,
33 // we must duplicate the segments for the user and the kernel.
34 //
35 segdesc_t gdt_in_c[] =
36 {
37         // 0x0 - unused (always faults -- for trapping NULL far pointers)
38         SEG_NULL,
39
40         // 0x8 - kernel code segment
41         [GD_KT >> 3] = SEG(STA_X | STA_R, 0x0, 0xffffffff, 0),
42
43         // 0x10 - kernel data segment
44         [GD_KD >> 3] = SEG(STA_W, 0x0, 0xffffffff, 0),
45
46         // 0x18 - user code segment
47         [GD_UT >> 3] = SEG(STA_X | STA_R, 0x0, 0xffffffff, 3),
48
49         // 0x20 - user data segment
50         [GD_UD >> 3] = SEG(STA_W, 0x0, 0xffffffff, 3),
51
52         // 0x28 - tss, initialized in idt_init()
53         [GD_TSS >> 3] = SEG_NULL,
54
55         // 0x30 - LDT, set per-process
56         [GD_LDT >> 3] = SEG_NULL
57 };
58
59 /* Want gdt to be a pointer, not an array type (can replace it more easily) */
60 segdesc_t *gdt = gdt_in_c;
61
62 pseudodesc_t gdt_pd = {
63         sizeof(gdt_in_c) - 1, (unsigned long) gdt_in_c
64 };
65
66 // --------------------------------------------------------------
67 // Set up initial memory mappings and turn on MMU.
68 // --------------------------------------------------------------
69
70 static void check_boot_pgdir(bool pse);
71
72 //
73 // Map [la, la+size) of linear address space to physical [pa, pa+size)
74 // in the page table rooted at pgdir.  Size is a multiple of PGSIZE.
75 // Use permission bits perm|PTE_P for the entries.
76 //
77 // To map with Jumbos, set PTE_PS in perm
78 static void
79 boot_map_segment(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t la, size_t size, physaddr_t pa, int perm)
80 {
81         uintptr_t i;
82         pte_t *pte;
83         // la can be page unaligned, but weird things will happen
84         // unless pa has the same offset.  pa always truncates any
85         // possible offset.  will warn.  size can be weird too. 
86         if (PGOFF(la)) {
87                 warn("la not page aligned in boot_map_segment!");
88                 size += PGOFF(la);
89         }
90         if (perm & PTE_PS) {
91                 if (JPGOFF(la) || JPGOFF(pa))
92                         panic("Tried to map a Jumbo page at an unaligned address!");
93                 // need to index with i instead of la + size, in case of wrap-around
94                 for (i = 0; i < size; i += JPGSIZE, la += JPGSIZE, pa += JPGSIZE) {
95                         pte = pgdir_walk(pgdir, (void*)la, 2);
96                         assert(pte);
97                         *pte = PTE_ADDR(pa) | PTE_P | perm;
98                 }
99         } else {
100                 for (i = 0; i < size; i += PGSIZE, la += PGSIZE, pa += PGSIZE) {
101                         pte = pgdir_walk(pgdir, (void*)la, 1);
102                         assert(pte);
103                         if (*pte & PTE_PS)
104                                 // if we start using the extra flag for PAT, which we aren't,
105                                 // this will warn, since PTE_PS and PTE_PAT are the same....
106                                 warn("Possibly attempting to map a regular page into a Jumbo PDE");
107                         *pte = PTE_ADDR(pa) | PTE_P | perm;
108                 }
109         }
110 }
111
112 // Set up a two-level page table:
113 //    boot_pgdir is its linear (virtual) address of the root
114 //    boot_cr3 is the physical adresss of the root
115 // Then turn on paging.  Then effectively turn off segmentation.
116 // (i.e., the segment base addrs are set to zero).
117 // 
118 // This function only sets up the kernel part of the address space
119 // (ie. addresses >= ULIM).  The user part of the address space
120 // will be setup later.
121 //
122 // From UWLIM to ULIM, the user is allowed to read but not write.
123 // Above ULIM the user cannot read (or write). 
124 void
125 vm_init(void)
126 {
127         pde_t* pgdir;
128         uint32_t cr0, edx;
129         size_t n;
130         bool pse;
131
132         pse = enable_pse();
133         if (pse)
134                 cprintf("PSE capability detected.\n");
135
136         // we paniced earlier if we don't support PGE.  turn it on now.
137         // it's used in boot_map_segment, which covers all of the mappings that are
138         // the same for all address spaces.  and also for the VPT mapping below.
139         lcr4(rcr4() | CR4_PGE);
140
141         // set up mtrr's for core0.  other cores will do the same later
142         setup_default_mtrrs(0);
143
144         /*
145          * PSE status: 
146          * - can walk and set up boot_map_segments with jumbos but can't
147          *   insert yet.  need to look at the page_dir and friends.
148          * - anything related to a single struct page still can't handle 
149          *   jumbos.  will need to think about and adjust Page functions
150          * - do we want to store info like this in the struct page?  or just check
151          *   by walking the PTE
152          * - when we alloc a page, and we want it to be 4MB, we'll need
153          *   to have contiguous memory, etc
154          * - there's a difference between having 4MB page table entries
155          *   and having 4MB Page tracking structs.  changing the latter will
156          *   break a lot of things
157          * - showmapping and friends work on a 4KB granularity, but map to the
158          *   correct entries
159          * - need to not insert / boot_map a single page into an area that is 
160          *   already holding a jumbo page.  will need to break the jumbo up so that
161          *   we can then insert the lone page.  currently warns.
162          * - some inherent issues with the pgdir_walks returning a PTE, and we
163          *   don't know whether it is a jumbo (PDE) or a regular PTE.
164          */
165
166         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
167         // create initial page directory.
168         pgdir = kpage_zalloc_addr();
169         assert(pgdir);
170         boot_pgdir = pgdir;
171         boot_cr3 = PADDR(pgdir);
172         // helpful if you want to manually walk with kvm / bochs
173         //printk("pgdir va = %p, pgdir pa = %p\n\n", pgdir, PADDR(pgdir));
174
175         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
176         // Recursively insert PD in itself as a page table, to form
177         // a virtual page table at virtual address VPT.
178         // (For now, you don't have understand the greater purpose of the
179         // following two lines.  Unless you are eagle-eyed, in which case you
180         // should already know.)
181
182         // Permissions: kernel RW, user NONE, Global Page
183         pgdir[PDX(VPT)] = PADDR(pgdir) | PTE_W | PTE_P | PTE_G;
184
185         // same for UVPT
186         // Permissions: kernel R, user R, Global Page
187         pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(pgdir) | PTE_U | PTE_P | PTE_G;
188
189         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
190         // Map all of physical memory at KERNBASE. 
191         // Ie.  the VA range [KERNBASE, 2^32) should map to
192         //      the PA range [0, 2^32 - KERNBASE)
193         // We might not have 2^32 - KERNBASE bytes of physical memory, but
194         // we just set up the mapping anyway.
195         // Permissions: kernel RW, user NONE
196         // Your code goes here: 
197         
198         // this maps all of the possible phys memory
199         // note the use of unsigned underflow to get size = 0x40000000
200         //boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, -KERNBASE, 0, PTE_W);
201         // but this only maps what is available, and saves memory.  every 4MB of
202         // mapped memory requires a 2nd level page: 2^10 entries, each covering 2^12
203         // need to modify tests below to account for this
204         if (pse) {
205                 // map the first 4MB as regular entries, to support different MTRRs
206                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, JPGSIZE, 0, PTE_W | PTE_G);
207                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE + JPGSIZE, max_paddr - JPGSIZE, JPGSIZE,
208                                  PTE_W | PTE_G | PTE_PS);
209         } else
210                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, max_paddr, 0, PTE_W | PTE_G);
211
212         // APIC mapping: using PAT (but not *the* PAT flag) to make these type UC
213         // IOAPIC
214         boot_map_segment(pgdir, IOAPIC_BASE, PGSIZE, IOAPIC_PBASE, 
215                          PTE_PCD | PTE_PWT | PTE_W | PTE_G);
216         // Local APIC
217         boot_map_segment(pgdir, LAPIC_BASE, PGSIZE, LAPIC_PBASE,
218                          PTE_PCD | PTE_PWT | PTE_W | PTE_G);
219
220         // Check that the initial page directory has been set up correctly.
221         check_boot_pgdir(pse);
222
223         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
224         // On x86, segmentation maps a VA to a LA (linear addr) and
225         // paging maps the LA to a PA.  I.e. VA => LA => PA.  If paging is
226         // turned off the LA is used as the PA.  Note: there is no way to
227         // turn off segmentation.  The closest thing is to set the base
228         // address to 0, so the VA => LA mapping is the identity.
229
230         // Current mapping: VA KERNBASE+x => PA x.
231         //     (segmentation base=-KERNBASE and paging is off)
232
233         // From here on down we must maintain this VA KERNBASE + x => PA x
234         // mapping, even though we are turning on paging and reconfiguring
235         // segmentation.
236
237         // Map VA 0:4MB same as VA KERNBASE, i.e. to PA 0:4MB.
238         // (Limits our kernel to <4MB)
239         /* They mean linear address 0:4MB, and the kernel < 4MB is only until 
240          * segmentation is turned off.
241          * once we turn on paging, segmentation is still on, so references to
242          * KERNBASE+x will get mapped to linear address x, which we need to make 
243          * sure can map to phys addr x, until we can turn off segmentation and
244          * KERNBASE+x maps to LA KERNBASE+x, which maps to PA x, via paging
245          */
246         pgdir[0] = pgdir[PDX(KERNBASE)];
247
248         // Install page table.
249         lcr3(boot_cr3);
250
251         // Turn on paging.
252         cr0 = rcr0();
253         // CD and NW should already be on, but just in case these turn on caching
254         cr0 |= CR0_PE|CR0_PG|CR0_AM|CR0_WP|CR0_NE|CR0_MP;
255         cr0 &= ~(CR0_TS|CR0_EM|CR0_CD|CR0_NW);
256         lcr0(cr0);
257
258         // Current mapping: KERNBASE+x => x => x.
259         // (x < 4MB so uses paging pgdir[0])
260
261         // Reload all segment registers.
262         asm volatile("lgdt gdt_pd");
263         asm volatile("movw %%ax,%%gs" :: "a" (GD_UD|3));
264         asm volatile("movw %%ax,%%fs" :: "a" (GD_UD|3));
265         asm volatile("movw %%ax,%%es" :: "a" (GD_KD));
266         asm volatile("movw %%ax,%%ds" :: "a" (GD_KD));
267         asm volatile("movw %%ax,%%ss" :: "a" (GD_KD));
268         asm volatile("ljmp %0,$1f\n 1:\n" :: "i" (GD_KT));  // reload cs
269         asm volatile("lldt %%ax" :: "a" (0));
270
271         // Final mapping: KERNBASE+x => KERNBASE+x => x.
272
273         // This mapping was only used after paging was turned on but
274         // before the segment registers were reloaded.
275         pgdir[0] = 0;
276
277         // Flush the TLB for good measure, to kill the pgdir[0] mapping.
278         tlb_flush_global();
279 }
280
281 //
282 // Checks that the kernel part of virtual address space
283 // has been setup roughly correctly(by i386_vm_init()).
284 //
285 // This function doesn't test every corner case,
286 // in fact it doesn't test the permission bits at all,
287 // but it is a pretty good sanity check. 
288 //
289 static physaddr_t check_va2pa(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t va);
290
291 static void
292 check_boot_pgdir(bool pse)
293 {
294         uint32_t i, n;
295         pde_t *pgdir, pte;
296
297         pgdir = boot_pgdir;
298
299         // check phys mem
300         //for (i = 0; KERNBASE + i != 0; i += PGSIZE)
301         // adjusted check to account for only mapping avail mem
302         if (pse)
303                 for (i = 0; i < max_paddr; i += JPGSIZE)
304                         assert(check_va2pa(pgdir, KERNBASE + i) == i);
305         else
306                 for (i = 0; i < max_paddr; i += PGSIZE)
307                         assert(check_va2pa(pgdir, KERNBASE + i) == i);
308
309         // check for zero/non-zero in PDEs
310         for (i = 0; i < NPDENTRIES; i++) {
311                 switch (i) {
312                 case PDX(VPT):
313                 case PDX(UVPT):
314                 case PDX(LAPIC_BASE): // LAPIC mapping.  TODO: remove when MTRRs are up
315                         assert(pgdir[i]);
316                         break;
317                 default:
318                         //if (i >= PDX(KERNBASE))
319                         // adjusted check to account for only mapping avail mem
320                         // and you can't KADDR maxpa (just above legal range)
321                         // max_paddr can be up to maxpa, so assume the worst
322                         if (i >= PDX(KERNBASE) && i <= PDX(KADDR(max_paddr-1)))
323                                 assert(pgdir[i]);
324                         else
325                                 assert(pgdir[i] == 0);
326                         break;
327                 }
328         }
329
330         /* check permissions
331          * user read-only.  check for user and write, should be only user
332          * eagle-eyed viewers should be able to explain the extra cases.
333          * for the mongoose-eyed, remember that weird shit happens when you loop
334          * through UVPT.  Specifically, you can't loop once, then look at a jumbo
335          * page that is kernel only.  That's the end of the page table for you, so
336          * having a U on the entry doesn't make sense.  Thus we check for a jumbo
337          * page, and special case it.  This will happen at 0xbf701000.  Why is this
338          * magical?  Get your eagle glasses and figure it out. */
339         for (i = UWLIM; i < ULIM; i+=PGSIZE) {
340                 pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(i));
341                 if (pte & PTE_P) {
342                         if (i == UVPT+(VPT >> 10))
343                                 continue;
344                         if (*pgdir_walk(pgdir, (void*SAFE)TC(i), 0) & PTE_PS) {
345                                 assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
346                                 assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
347                         } else {
348                                 assert((pte & PTE_U) == PTE_U);
349                                 assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
350                         }
351                 }
352         }
353         // kernel read-write.
354         for (i = ULIM; i <= KERNBASE + max_paddr - PGSIZE; i+=PGSIZE) {
355                 pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(i));
356                 if ((pte & PTE_P) && (i != VPT+(UVPT>>10))) {
357                         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
358                         assert((pte & PTE_W) == PTE_W);
359                 }
360         }
361         // special mappings
362         pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(UVPT+(VPT>>10)));
363         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
364         assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
365
366         // note this means the kernel cannot directly manipulate this virtual address
367         // convince yourself this isn't a big deal, eagle-eyes!
368         pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(VPT+(UVPT>>10)));
369         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
370         assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
371
372         cprintf("check_boot_pgdir() succeeded!\n");
373 }
374
375 // This function returns the physical address of the page containing 'va',
376 // defined by the page directory 'pgdir'.  The hardware normally performs
377 // this functionality for us!  We define our own version to help check
378 // the check_boot_pgdir() function; it shouldn't be used elsewhere.
379
380 static physaddr_t
381 check_va2pa(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) _pgdir, uintptr_t va)
382 {
383         pte_t *COUNT(NPTENTRIES) p;
384         pde_t *COUNT(1) pgdir;
385
386         pgdir = &_pgdir[PDX(va)];
387         if (!(*pgdir & PTE_P))
388                 return ~0;
389         if (*pgdir & PTE_PS)
390                 return PTE_ADDR(*pgdir);
391         p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES)) KADDR(PTE_ADDR(*pgdir));
392         if (!(p[PTX(va)] & PTE_P))
393                 return ~0;
394         return PTE_ADDR(p[PTX(va)]);
395 }
396
397 /* 
398  * Remove the second level page table associated with virtual address va.
399  * Will 0 out the PDE for that page table.
400  * Panics if the page table has any present entries.
401  * This should be called rarely and with good cause.
402  * Currently errors if the PDE is jumbo or not present.
403  */
404 error_t pagetable_remove(pde_t *pgdir, void *va)
405 {
406         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(va)];
407
408         if (!(*the_pde & PTE_P) || (*the_pde & PTE_PS))
409                 return -EFAULT;
410         pte_t* page_table = (pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde));
411         for (int i = 0; i < NPTENTRIES; i++) 
412                 if (page_table[i] & PTE_P)
413                         panic("Page table not empty during attempted removal!");
414         *the_pde = 0;
415         page_decref(pa2page(PADDR(page_table)));
416         return 0;
417 }
418
419 // Given 'pgdir', a pointer to a page directory, pgdir_walk returns
420 // a pointer to the page table entry (PTE) for linear address 'va'.
421 // This requires walking the two-level page table structure.
422 //
423 // If the relevant page table doesn't exist in the page directory, then:
424 //    - If create == 0, pgdir_walk returns NULL.
425 //    - Otherwise, pgdir_walk tries to allocate a new page table
426 //      with page_alloc.  If this fails, pgdir_walk returns NULL.
427 //    - Otherwise, pgdir_walk returns a pointer into the new page table.
428 //
429 // Hint: you can turn a Page * into the physical address of the
430 // page it refers to with page2pa() from kern/pmap.h.
431 //
432 // Supports returning jumbo (4MB PSE) PTEs.  To create with a jumbo, pass in 2.
433 pte_t*
434 pgdir_walk(pde_t *pgdir, const void *SNT va, int create)
435 {
436         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(va)];
437         page_t *new_table;
438
439         if (*the_pde & PTE_P) {
440                 if (*the_pde & PTE_PS)
441                         return (pte_t*)the_pde;
442                 return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(va)];
443         }
444         if (!create)
445                 return NULL;
446         if (create == 2) {
447                 if (JPGOFF(va))
448                         panic("Attempting to find a Jumbo PTE at an unaligned VA!");
449                 *the_pde = PTE_PS | PTE_P;
450                 return (pte_t*)the_pde;
451         }
452         if (kpage_alloc(&new_table))
453                 return NULL;
454         memset(page2kva(new_table), 0, PGSIZE);
455         /* storing our ref to new_table in the PTE */
456         *the_pde = (pde_t)page2pa(new_table) | PTE_P | PTE_W | PTE_U;
457         return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(va)];
458 }
459
460 /* Returns the effective permissions for PTE_U, PTE_W, and PTE_P on a given
461  * virtual address.  Note we need to consider the composition of every PTE in
462  * the page table walk. */
463 int get_va_perms(pde_t *pgdir, const void *SNT va)
464 {
465         pde_t the_pde = pgdir[PDX(va)];
466         pte_t the_pte;
467
468         if (!(the_pde & PTE_P))
469                 return 0;
470         if (the_pde & PTE_PS)
471                 return the_pde & (PTE_U | PTE_W | PTE_P);
472         the_pte = ((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(the_pde)))[PTX(va)];
473         if (!(the_pte & PTE_P))
474                 return 0;
475         return the_pte & the_pde & (PTE_U | PTE_W | PTE_P);
476 }
477
478 void
479 page_check(void)
480 {
481         page_t *pp, *pp0, *pp1, *pp2;
482         page_list_t fl[1024];
483         pte_t *ptep;
484
485         // should be able to allocate three pages
486         pp0 = pp1 = pp2 = 0;
487         assert(kpage_alloc(&pp0) == 0);
488         assert(kpage_alloc(&pp1) == 0);
489         assert(kpage_alloc(&pp2) == 0);
490
491         assert(pp0);
492         assert(pp1 && pp1 != pp0);
493         assert(pp2 && pp2 != pp1 && pp2 != pp0);
494
495         // temporarily steal the rest of the free pages
496         for(int i=0; i<llc_cache->num_colors; i++) {
497                 fl[i] = colored_page_free_list[i];
498                 LIST_INIT(&colored_page_free_list[i]);
499         }
500
501         // should be no free memory
502         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
503
504         // Fill pp1 with bogus data and check for invalid tlb entries
505         memset(page2kva(pp1), 0xFFFFFFFF, PGSIZE);
506
507         // there is no page allocated at address 0
508         assert(page_lookup(boot_pgdir, (void *) 0x0, &ptep) == NULL);
509
510         // there is no free memory, so we can't allocate a page table 
511         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, 0x0, 0) < 0);
512
513         // free pp0 and try again: pp0 should be used for page table
514         page_decref(pp0);
515         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, 0x0, 0) == 0);
516         tlb_invalidate(boot_pgdir, 0x0);
517         // DEP Should have shot down invalid TLB entry - let's check
518         { TRUSTEDBLOCK
519           int *x = 0x0;
520           assert(*x == 0xFFFFFFFF);
521         }
522         assert(PTE_ADDR(boot_pgdir[0]) == page2pa(pp0));
523         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == page2pa(pp1));
524         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 2);
525         assert(kref_refcnt(&pp0->pg_kref) == 1);
526
527         // should be able to map pp2 at PGSIZE because pp0 is already allocated for page table
528         assert(page_insert(boot_pgdir, pp2, (void*SNT) PGSIZE, 0) == 0);
529         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp2));
530         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 2);
531
532         // Make sure that pgdir_walk returns a pointer to the pte and
533         // not the table or some other garbage
534         {
535           pte_t *p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(boot_pgdir[PDX(PGSIZE)]));
536           assert(pgdir_walk(boot_pgdir, (void *SNT)PGSIZE, 0) == &p[PTX(PGSIZE)]);
537         }
538
539         // should be no free memory
540         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
541
542         // should be able to map pp2 at PGSIZE because it's already there
543         assert(page_insert(boot_pgdir, pp2, (void*SNT) PGSIZE, PTE_U) == 0);
544         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp2));
545         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 2);
546
547         // Make sure that we actually changed the permission on pp2 when we re-mapped it
548         {
549           pte_t *p = pgdir_walk(boot_pgdir, (void*SNT)PGSIZE, 0);
550           assert(((*p) & PTE_U) == PTE_U);
551         }
552
553         // pp2 should NOT be on the free list
554         // could happen if ref counts are handled sloppily in page_insert
555         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
556
557         // should not be able to map at PTSIZE because need free page for page table
558         assert(page_insert(boot_pgdir, pp0, (void*SNT) PTSIZE, 0) < 0);
559
560         // insert pp1 at PGSIZE (replacing pp2)
561         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, (void*SNT) PGSIZE, 0) == 0);
562
563         // should have pp1 at both 0 and PGSIZE, pp2 nowhere, ...
564         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0) == page2pa(pp1));
565         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp1));
566         // ... and ref counts should reflect this
567         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 3);
568         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
569
570         // pp2 should be returned by page_alloc
571         page_decref(pp2);       /* should free it */
572         assert(kpage_alloc(&pp) == 0 && pp == pp2);
573
574         // unmapping pp1 at 0 should keep pp1 at PGSIZE
575         page_remove(boot_pgdir, 0x0);
576         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == ~0);
577         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp1));
578         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 2);
579         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
580
581         // unmapping pp1 at PGSIZE should free it
582         page_remove(boot_pgdir, (void*SNT) PGSIZE);
583         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == ~0);
584         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == ~0);
585         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 1);
586         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
587         page_decref(pp1);
588
589         // so it should be returned by page_alloc
590         assert(kpage_alloc(&pp) == 0 && pp == pp1);
591
592         // should be no free memory
593         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
594
595         // forcibly take pp0 back
596         assert(PTE_ADDR(boot_pgdir[0]) == page2pa(pp0));
597         boot_pgdir[0] = 0;
598         assert(kref_refcnt(&pp0->pg_kref) == 1);
599
600         // Catch invalid pointer addition in pgdir_walk - i.e. pgdir + PDX(va)
601         {
602           // Give back pp0 for a bit
603           page_decref(pp0);
604
605           void *SNT va = (void *SNT)((PGSIZE * NPDENTRIES) + PGSIZE);
606           pte_t *p2 = pgdir_walk(boot_pgdir, va, 1);
607           pte_t *p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(boot_pgdir[PDX(va)]));
608           assert(p2 == &p[PTX(va)]);
609
610           // Clean up again
611           boot_pgdir[PDX(va)] = 0;
612         }
613
614         // give free list back
615         for(int i=0; i<llc_cache->num_colors; i++)
616                 colored_page_free_list[i] = fl[i];
617
618         // free the pages we took
619         page_decref(pp0);
620         page_decref(pp1);
621         page_decref(pp2);
622         assert(!kref_refcnt(&pp0->pg_kref));
623         assert(!kref_refcnt(&pp1->pg_kref));
624         assert(!kref_refcnt(&pp2->pg_kref));
625
626         cprintf("page_check() succeeded!\n");
627 }
628
629 /* Walks len bytes from start, executing 'callback' on every PTE, passing it a
630  * specific VA and whatever arg is passed in.  Note, this cannot handle jumbo
631  * pages. */
632 int env_user_mem_walk(env_t* e, void* start, size_t len,
633                       mem_walk_callback_t callback, void* arg)
634 {
635         pte_t *pt;
636         uint32_t pdeno, pteno;
637         physaddr_t pa;
638
639         assert((uintptr_t)start % PGSIZE == 0 && len % PGSIZE == 0);
640         void* end = (char*)start+len;
641         uint32_t pdeno_start = PDX(start);
642         uint32_t pdeno_end = PDX(ROUNDUP(end,PTSIZE));
643         /* concerned about overflow.  this should catch it for now, given the above
644          * assert. */
645         assert((len == 0) || (pdeno_start < pdeno_end));
646
647         for (pdeno = pdeno_start; pdeno < pdeno_end; pdeno++) {
648                 if (!(e->env_pgdir[pdeno] & PTE_P))
649                         continue;
650                 /* find the pa and a pointer to the page table */
651                 pa = PTE_ADDR(e->env_pgdir[pdeno]);
652                 pt = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES)) KADDR(pa);
653                 /* figure out where we start and end within the page table */
654                 uint32_t pteno_start = (pdeno == pdeno_start ? PTX(start) : 0);
655                 uint32_t pteno_end = (pdeno == pdeno_end - 1 && PTX(end) != 0 ?
656                                       PTX(end) : NPTENTRIES );
657                 int ret;
658                 for (pteno = pteno_start; pteno < pteno_end; pteno++) {
659                         if (!PAGE_UNMAPPED(pt[pteno]))
660                                 if((ret = callback(e, &pt[pteno], PGADDR(pdeno, pteno, 0), arg)))
661                                         return ret;
662                 }
663         }
664         return 0;
665 }
666
667 /* Frees (decrefs) all pages of the process's page table, including the page
668  * directory.  Does not free the memory that is actually mapped. */
669 void env_pagetable_free(env_t* e)
670 {
671         static_assert(UVPT % PTSIZE == 0);
672         assert(e->env_cr3 != rcr3());
673         for(uint32_t pdeno = 0; pdeno < PDX(UVPT); pdeno++)
674         {
675                 // only look at mapped page tables
676                 if (!(e->env_pgdir[pdeno] & PTE_P))
677                         continue;
678
679                 // find the pa and va of the page table
680                 physaddr_t pa = PTE_ADDR(e->env_pgdir[pdeno]);
681
682                 // free the page table itself
683                 e->env_pgdir[pdeno] = 0;
684                 page_decref(pa2page(pa));
685         }
686
687         // free the page directory
688         physaddr_t pa = e->env_cr3;
689         e->env_cr3 = 0;
690         page_decref(pa2page(pa));
691         tlbflush();
692 }