Physical memory init uses multiboot info
[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[] =
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 pseudodesc_t gdt_pd = {
60         sizeof(gdt) - 1, (unsigned long) gdt
61 };
62
63 // --------------------------------------------------------------
64 // Set up initial memory mappings and turn on MMU.
65 // --------------------------------------------------------------
66
67 static void check_boot_pgdir(bool pse);
68
69 //
70 // Given pgdir, a pointer to a page directory,
71 // walk the 2-level page table structure to find
72 // the page table entry (PTE) for linear address la.
73 // Return a pointer to this PTE.
74 //
75 // If the relevant page table doesn't exist in the page directory:
76 //      - If create == 0, return 0.
77 //      - Otherwise allocate a new page table, install it into pgdir,
78 //        and return a pointer into it.
79 //        (Questions: What data should the new page table contain?
80 //        And what permissions should the new pgdir entry have?
81 //        Note that we use the 486-only "WP" feature of %cr0, which
82 //        affects the way supervisor-mode writes are checked.)
83 //
84 // This function abstracts away the 2-level nature of
85 // the page directory by allocating new page tables
86 // as needed.
87 // 
88 // boot_pgdir_walk may ONLY be used during initialization,
89 // before the page_free_list has been set up.
90 // It should panic on failure.  (Note that boot_alloc already panics
91 // on failure.)
92 //
93 // Supports returning jumbo (4MB PSE) PTEs.  To create with a jumbo, pass in 2.
94 // 
95 // Maps non-PSE PDEs as U/W.  W so the kernel can, U so the user can read via
96 // UVPT.  UVPT security comes from the UVPT mapping (U/R).  All other kernel pages
97 // protected at the second layer
98 static pte_t*
99 boot_pgdir_walk(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t la, int create)
100 {
101         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(la)];
102         void* new_table;
103
104         if (*the_pde & PTE_P) {
105                 if (*the_pde & PTE_PS)
106                         return (pte_t*)the_pde;
107                 return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(la)];
108         }
109         if (!create)
110                 return NULL;
111         if (create == 2) {
112                 if (JPGOFF(la))
113                         panic("Attempting to find a Jumbo PTE at an unaligned VA!");
114                 *the_pde = PTE_PS | PTE_P;
115                 return (pte_t*)the_pde;
116         }
117         new_table = boot_alloc(PGSIZE, PGSIZE);
118         memset(new_table, 0, PGSIZE);
119         *the_pde = (pde_t)PADDR(new_table) | PTE_P | PTE_W | PTE_U | PTE_G;
120         return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(la)];
121 }
122
123 //
124 // Map [la, la+size) of linear address space to physical [pa, pa+size)
125 // in the page table rooted at pgdir.  Size is a multiple of PGSIZE.
126 // Use permission bits perm|PTE_P for the entries.
127 //
128 // This function may ONLY be used during initialization,
129 // before the page_free_list has been set up.
130 //
131 // To map with Jumbos, set PTE_PS in perm
132 static void
133 boot_map_segment(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t la, size_t size, physaddr_t pa, int perm)
134 {
135         uintptr_t i;
136         pte_t *pte;
137         // la can be page unaligned, but weird things will happen
138         // unless pa has the same offset.  pa always truncates any
139         // possible offset.  will warn.  size can be weird too. 
140         if (PGOFF(la)) {
141                 warn("la not page aligned in boot_map_segment!");
142                 size += PGOFF(la);
143         }
144         if (perm & PTE_PS) {
145                 if (JPGOFF(la) || JPGOFF(pa))
146                         panic("Tried to map a Jumbo page at an unaligned address!");
147                 // need to index with i instead of la + size, in case of wrap-around
148                 for (i = 0; i < size; i += JPGSIZE, la += JPGSIZE, pa += JPGSIZE) {
149                         pte = boot_pgdir_walk(pgdir, la, 2);
150                         *pte = PTE_ADDR(pa) | PTE_P | perm;
151                 }
152         } else {
153                 for (i = 0; i < size; i += PGSIZE, la += PGSIZE, pa += PGSIZE) {
154                         pte = boot_pgdir_walk(pgdir, la, 1);
155                         if (*pte & PTE_PS)
156                                 // if we start using the extra flag for PAT, which we aren't,
157                                 // this will warn, since PTE_PS and PTE_PAT are the same....
158                                 warn("Possibly attempting to map a regular page into a Jumbo PDE");
159                         *pte = PTE_ADDR(pa) | PTE_P | perm;
160                 }
161         }
162 }
163
164 // Set up a two-level page table:
165 //    boot_pgdir is its linear (virtual) address of the root
166 //    boot_cr3 is the physical adresss of the root
167 // Then turn on paging.  Then effectively turn off segmentation.
168 // (i.e., the segment base addrs are set to zero).
169 // 
170 // This function only sets up the kernel part of the address space
171 // (ie. addresses >= ULIM).  The user part of the address space
172 // will be setup later.
173 //
174 // From UWLIM to ULIM, the user is allowed to read but not write.
175 // Above ULIM the user cannot read (or write). 
176 void
177 vm_init(void)
178 {
179         pde_t* pgdir;
180         uint32_t cr0, edx;
181         size_t n;
182         bool pse;
183
184         pse = enable_pse();
185         if (pse)
186                 cprintf("PSE capability detected.\n");
187
188         // we paniced earlier if we don't support PGE.  turn it on now.
189         // it's used in boot_map_segment, which covers all of the mappings that are
190         // the same for all address spaces.  and also for the VPT mapping below.
191         lcr4(rcr4() | CR4_PGE);
192
193         // set up mtrr's for core0.  other cores will do the same later
194         setup_default_mtrrs(0);
195
196         /*
197          * PSE status: 
198          * - can walk and set up boot_map_segments with jumbos but can't
199          *   insert yet.  need to look at the page_dir and friends.
200          * - anything related to a single struct page still can't handle 
201          *   jumbos.  will need to think about and adjust Page functions
202          * - do we want to store info like this in the struct page?  or just check
203          *   by walking the PTE
204          * - when we alloc a page, and we want it to be 4MB, we'll need
205          *   to have contiguous memory, etc
206          * - there's a difference between having 4MB page table entries
207          *   and having 4MB Page tracking structs.  changing the latter will
208          *   break a lot of things
209          * - showmapping and friends work on a 4KB granularity, but map to the
210          *   correct entries
211          * - need to not insert / boot_map a single page into an area that is 
212          *   already holding a jumbo page.  will need to break the jumbo up so that
213          *   we can then insert the lone page.  currently warns.
214          * - some inherent issues with the pgdir_walks returning a PTE, and we
215          *   don't know whether it is a jumbo (PDE) or a regular PTE.
216          */
217
218         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
219         // create initial page directory.
220         pgdir = boot_alloc(PGSIZE, PGSIZE);
221         memset(pgdir, 0, PGSIZE);
222         boot_pgdir = pgdir;
223         boot_cr3 = PADDR(pgdir);
224         // helpful if you want to manually walk with kvm / bochs
225         //printk("pgdir va = %p, pgdir pa = %p\n\n", pgdir, PADDR(pgdir));
226
227         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
228         // Recursively insert PD in itself as a page table, to form
229         // a virtual page table at virtual address VPT.
230         // (For now, you don't have understand the greater purpose of the
231         // following two lines.  Unless you are eagle-eyed, in which case you
232         // should already know.)
233
234         // Permissions: kernel RW, user NONE, Global Page
235         pgdir[PDX(VPT)] = PADDR(pgdir) | PTE_W | PTE_P | PTE_G;
236
237         // same for UVPT
238         // Permissions: kernel R, user R, Global Page
239         pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(pgdir) | PTE_U | PTE_P | PTE_G;
240
241         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
242         // Map all of physical memory at KERNBASE. 
243         // Ie.  the VA range [KERNBASE, 2^32) should map to
244         //      the PA range [0, 2^32 - KERNBASE)
245         // We might not have 2^32 - KERNBASE bytes of physical memory, but
246         // we just set up the mapping anyway.
247         // Permissions: kernel RW, user NONE
248         // Your code goes here: 
249         
250         // this maps all of the possible phys memory
251         // note the use of unsigned underflow to get size = 0x40000000
252         //boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, -KERNBASE, 0, PTE_W);
253         // but this only maps what is available, and saves memory.  every 4MB of
254         // mapped memory requires a 2nd level page: 2^10 entries, each covering 2^12
255         // need to modify tests below to account for this
256         if (pse) {
257                 // map the first 4MB as regular entries, to support different MTRRs
258                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, JPGSIZE, 0, PTE_W | PTE_G);
259                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE + JPGSIZE, max_paddr - JPGSIZE, JPGSIZE,
260                                  PTE_W | PTE_G | PTE_PS);
261         } else
262                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, max_paddr, 0, PTE_W | PTE_G);
263
264         // APIC mapping: using PAT (but not *the* PAT flag) to make these type UC
265         // IOAPIC
266         boot_map_segment(pgdir, IOAPIC_BASE, PGSIZE, IOAPIC_PBASE, 
267                          PTE_PCD | PTE_PWT | PTE_W | PTE_G);
268         // Local APIC
269         boot_map_segment(pgdir, LAPIC_BASE, PGSIZE, LAPIC_PBASE,
270                          PTE_PCD | PTE_PWT | PTE_W | PTE_G);
271
272         // Check that the initial page directory has been set up correctly.
273         check_boot_pgdir(pse);
274
275         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
276         // On x86, segmentation maps a VA to a LA (linear addr) and
277         // paging maps the LA to a PA.  I.e. VA => LA => PA.  If paging is
278         // turned off the LA is used as the PA.  Note: there is no way to
279         // turn off segmentation.  The closest thing is to set the base
280         // address to 0, so the VA => LA mapping is the identity.
281
282         // Current mapping: VA KERNBASE+x => PA x.
283         //     (segmentation base=-KERNBASE and paging is off)
284
285         // From here on down we must maintain this VA KERNBASE + x => PA x
286         // mapping, even though we are turning on paging and reconfiguring
287         // segmentation.
288
289         // Map VA 0:4MB same as VA KERNBASE, i.e. to PA 0:4MB.
290         // (Limits our kernel to <4MB)
291         /* They mean linear address 0:4MB, and the kernel < 4MB is only until 
292          * segmentation is turned off.
293          * once we turn on paging, segmentation is still on, so references to
294          * KERNBASE+x will get mapped to linear address x, which we need to make 
295          * sure can map to phys addr x, until we can turn off segmentation and
296          * KERNBASE+x maps to LA KERNBASE+x, which maps to PA x, via paging
297          */
298         pgdir[0] = pgdir[PDX(KERNBASE)];
299
300         // Install page table.
301         lcr3(boot_cr3);
302
303         // Turn on paging.
304         cr0 = rcr0();
305         // CD and NW should already be on, but just in case these turn on caching
306         cr0 |= CR0_PE|CR0_PG|CR0_AM|CR0_WP|CR0_NE|CR0_MP;
307         cr0 &= ~(CR0_TS|CR0_EM|CR0_CD|CR0_NW);
308         lcr0(cr0);
309
310         // Current mapping: KERNBASE+x => x => x.
311         // (x < 4MB so uses paging pgdir[0])
312
313         // Reload all segment registers.
314         asm volatile("lgdt gdt_pd");
315         asm volatile("movw %%ax,%%gs" :: "a" (GD_UD|3));
316         asm volatile("movw %%ax,%%fs" :: "a" (GD_UD|3));
317         asm volatile("movw %%ax,%%es" :: "a" (GD_KD));
318         asm volatile("movw %%ax,%%ds" :: "a" (GD_KD));
319         asm volatile("movw %%ax,%%ss" :: "a" (GD_KD));
320         asm volatile("ljmp %0,$1f\n 1:\n" :: "i" (GD_KT));  // reload cs
321         asm volatile("lldt %%ax" :: "a" (0));
322
323         // Final mapping: KERNBASE+x => KERNBASE+x => x.
324
325         // This mapping was only used after paging was turned on but
326         // before the segment registers were reloaded.
327         pgdir[0] = 0;
328
329         // Flush the TLB for good measure, to kill the pgdir[0] mapping.
330         tlb_flush_global();
331 }
332
333 //
334 // Checks that the kernel part of virtual address space
335 // has been setup roughly correctly(by i386_vm_init()).
336 //
337 // This function doesn't test every corner case,
338 // in fact it doesn't test the permission bits at all,
339 // but it is a pretty good sanity check. 
340 //
341 static physaddr_t check_va2pa(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t va);
342
343 static void
344 check_boot_pgdir(bool pse)
345 {
346         uint32_t i, n;
347         pde_t *pgdir, pte;
348
349         pgdir = boot_pgdir;
350
351         // check phys mem
352         //for (i = 0; KERNBASE + i != 0; i += PGSIZE)
353         // adjusted check to account for only mapping avail mem
354         if (pse)
355                 for (i = 0; i < max_paddr; i += JPGSIZE)
356                         assert(check_va2pa(pgdir, KERNBASE + i) == i);
357         else
358                 for (i = 0; i < max_paddr; i += PGSIZE)
359                         assert(check_va2pa(pgdir, KERNBASE + i) == i);
360
361         // check for zero/non-zero in PDEs
362         for (i = 0; i < NPDENTRIES; i++) {
363                 switch (i) {
364                 case PDX(VPT):
365                 case PDX(UVPT):
366                 case PDX(LAPIC_BASE): // LAPIC mapping.  TODO: remove when MTRRs are up
367                         assert(pgdir[i]);
368                         break;
369                 default:
370                         //if (i >= PDX(KERNBASE))
371                         // adjusted check to account for only mapping avail mem
372                         // and you can't KADDR maxpa (just above legal range)
373                         // max_paddr can be up to maxpa, so assume the worst
374                         if (i >= PDX(KERNBASE) && i <= PDX(KADDR(max_paddr-1)))
375                                 assert(pgdir[i]);
376                         else
377                                 assert(pgdir[i] == 0);
378                         break;
379                 }
380         }
381
382         /* check permissions
383          * user read-only.  check for user and write, should be only user
384          * eagle-eyed viewers should be able to explain the extra cases.
385          * for the mongoose-eyed, remember that weird shit happens when you loop
386          * through UVPT.  Specifically, you can't loop once, then look at a jumbo
387          * page that is kernel only.  That's the end of the page table for you, so
388          * having a U on the entry doesn't make sense.  Thus we check for a jumbo
389          * page, and special case it.  This will happen at 0xbf701000.  Why is this
390          * magical?  Get your eagle glasses and figure it out. */
391         for (i = UWLIM; i < ULIM; i+=PGSIZE) {
392                 pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(i));
393                 if (pte & PTE_P) {
394                         if (i == UVPT+(VPT >> 10))
395                                 continue;
396                         if (*pgdir_walk(pgdir, (void*SAFE)TC(i), 0) & PTE_PS) {
397                                 assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
398                                 assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
399                         } else {
400                                 assert((pte & PTE_U) == PTE_U);
401                                 assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
402                         }
403                 }
404         }
405         // kernel read-write.
406         for (i = ULIM; i <= KERNBASE + max_paddr - PGSIZE; i+=PGSIZE) {
407                 pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(i));
408                 if ((pte & PTE_P) && (i != VPT+(UVPT>>10))) {
409                         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
410                         assert((pte & PTE_W) == PTE_W);
411                 }
412         }
413         // special mappings
414         pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(UVPT+(VPT>>10)));
415         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
416         assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
417
418         // note this means the kernel cannot directly manipulate this virtual address
419         // convince yourself this isn't a big deal, eagle-eyes!
420         pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(VPT+(UVPT>>10)));
421         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
422         assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
423
424         cprintf("check_boot_pgdir() succeeded!\n");
425 }
426
427 // This function returns the physical address of the page containing 'va',
428 // defined by the page directory 'pgdir'.  The hardware normally performs
429 // this functionality for us!  We define our own version to help check
430 // the check_boot_pgdir() function; it shouldn't be used elsewhere.
431
432 static physaddr_t
433 check_va2pa(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) _pgdir, uintptr_t va)
434 {
435         pte_t *COUNT(NPTENTRIES) p;
436         pde_t *COUNT(1) pgdir;
437
438         pgdir = &_pgdir[PDX(va)];
439         if (!(*pgdir & PTE_P))
440                 return ~0;
441         if (*pgdir & PTE_PS)
442                 return PTE_ADDR(*pgdir);
443         p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES)) KADDR(PTE_ADDR(*pgdir));
444         if (!(p[PTX(va)] & PTE_P))
445                 return ~0;
446         return PTE_ADDR(p[PTX(va)]);
447 }
448
449 /* 
450  * Remove the second level page table associated with virtual address va.
451  * Will 0 out the PDE for that page table.
452  * Panics if the page table has any present entries.
453  * This should be called rarely and with good cause.
454  * Currently errors if the PDE is jumbo or not present.
455  */
456 error_t pagetable_remove(pde_t *pgdir, void *va)
457 {
458         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(va)];
459
460         if (!(*the_pde & PTE_P) || (*the_pde & PTE_PS))
461                 return -EFAULT;
462         pte_t* page_table = (pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde));
463         for (int i = 0; i < NPTENTRIES; i++) 
464                 if (page_table[i] & PTE_P)
465                         panic("Page table not empty during attempted removal!");
466         *the_pde = 0;
467         page_decref(pa2page(PADDR(page_table)));
468         return 0;
469 }
470
471 // Given 'pgdir', a pointer to a page directory, pgdir_walk returns
472 // a pointer to the page table entry (PTE) for linear address 'va'.
473 // This requires walking the two-level page table structure.
474 //
475 // If the relevant page table doesn't exist in the page directory, then:
476 //    - If create == 0, pgdir_walk returns NULL.
477 //    - Otherwise, pgdir_walk tries to allocate a new page table
478 //      with page_alloc.  If this fails, pgdir_walk returns NULL.
479 //    - Otherwise, pgdir_walk returns a pointer into the new page table.
480 //
481 // This is boot_pgdir_walk, but using page_alloc() instead of boot_alloc().
482 // Unlike boot_pgdir_walk, pgdir_walk can fail.
483 //
484 // Hint: you can turn a Page * into the physical address of the
485 // page it refers to with page2pa() from kern/pmap.h.
486 //
487 // Supports returning jumbo (4MB PSE) PTEs.  To create with a jumbo, pass in 2.
488 pte_t*
489 pgdir_walk(pde_t *pgdir, const void *SNT va, int create)
490 {
491         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(va)];
492         page_t *new_table;
493
494         if (*the_pde & PTE_P) {
495                 if (*the_pde & PTE_PS)
496                         return (pte_t*)the_pde;
497                 return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(va)];
498         }
499         if (!create)
500                 return NULL;
501         if (create == 2) {
502                 if (JPGOFF(va))
503                         panic("Attempting to find a Jumbo PTE at an unaligned VA!");
504                 *the_pde = PTE_PS | PTE_P;
505                 return (pte_t*)the_pde;
506         }
507         if (kpage_alloc(&new_table))
508                 return NULL;
509         memset(page2kva(new_table), 0, PGSIZE);
510         /* storing our ref to new_table in the PTE */
511         *the_pde = (pde_t)page2pa(new_table) | PTE_P | PTE_W | PTE_U;
512         return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(va)];
513 }
514
515 /* Returns the effective permissions for PTE_U, PTE_W, and PTE_P on a given
516  * virtual address.  Note we need to consider the composition of every PTE in
517  * the page table walk. */
518 int get_va_perms(pde_t *pgdir, const void *SNT va)
519 {
520         pde_t the_pde = pgdir[PDX(va)];
521         pte_t the_pte;
522
523         if (!(the_pde & PTE_P))
524                 return 0;
525         if (the_pde & PTE_PS)
526                 return the_pde & (PTE_U | PTE_W | PTE_P);
527         the_pte = ((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(the_pde)))[PTX(va)];
528         if (!(the_pte & PTE_P))
529                 return 0;
530         return the_pte & the_pde & (PTE_U | PTE_W | PTE_P);
531 }
532
533 void
534 page_check(void)
535 {
536         page_t *pp, *pp0, *pp1, *pp2;
537         page_list_t fl[1024];
538         pte_t *ptep;
539
540         // should be able to allocate three pages
541         pp0 = pp1 = pp2 = 0;
542         assert(kpage_alloc(&pp0) == 0);
543         assert(kpage_alloc(&pp1) == 0);
544         assert(kpage_alloc(&pp2) == 0);
545
546         assert(pp0);
547         assert(pp1 && pp1 != pp0);
548         assert(pp2 && pp2 != pp1 && pp2 != pp0);
549
550         // temporarily steal the rest of the free pages
551         for(int i=0; i<llc_cache->num_colors; i++) {
552                 fl[i] = colored_page_free_list[i];
553                 LIST_INIT(&colored_page_free_list[i]);
554         }
555
556         // should be no free memory
557         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
558
559         // Fill pp1 with bogus data and check for invalid tlb entries
560         memset(page2kva(pp1), 0xFFFFFFFF, PGSIZE);
561
562         // there is no page allocated at address 0
563         assert(page_lookup(boot_pgdir, (void *) 0x0, &ptep) == NULL);
564
565         // there is no free memory, so we can't allocate a page table 
566         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, 0x0, 0) < 0);
567
568         // free pp0 and try again: pp0 should be used for page table
569         page_decref(pp0);
570         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, 0x0, 0) == 0);
571         tlb_invalidate(boot_pgdir, 0x0);
572         // DEP Should have shot down invalid TLB entry - let's check
573         { TRUSTEDBLOCK
574           int *x = 0x0;
575           assert(*x == 0xFFFFFFFF);
576         }
577         assert(PTE_ADDR(boot_pgdir[0]) == page2pa(pp0));
578         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == page2pa(pp1));
579         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 2);
580         assert(kref_refcnt(&pp0->pg_kref) == 1);
581
582         // should be able to map pp2 at PGSIZE because pp0 is already allocated for page table
583         assert(page_insert(boot_pgdir, pp2, (void*SNT) PGSIZE, 0) == 0);
584         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp2));
585         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 2);
586
587         // Make sure that pgdir_walk returns a pointer to the pte and
588         // not the table or some other garbage
589         {
590           pte_t *p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(boot_pgdir[PDX(PGSIZE)]));
591           assert(pgdir_walk(boot_pgdir, (void *SNT)PGSIZE, 0) == &p[PTX(PGSIZE)]);
592         }
593
594         // should be no free memory
595         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
596
597         // should be able to map pp2 at PGSIZE because it's already there
598         assert(page_insert(boot_pgdir, pp2, (void*SNT) PGSIZE, PTE_U) == 0);
599         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp2));
600         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 2);
601
602         // Make sure that we actually changed the permission on pp2 when we re-mapped it
603         {
604           pte_t *p = pgdir_walk(boot_pgdir, (void*SNT)PGSIZE, 0);
605           assert(((*p) & PTE_U) == PTE_U);
606         }
607
608         // pp2 should NOT be on the free list
609         // could happen if ref counts are handled sloppily in page_insert
610         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
611
612         // should not be able to map at PTSIZE because need free page for page table
613         assert(page_insert(boot_pgdir, pp0, (void*SNT) PTSIZE, 0) < 0);
614
615         // insert pp1 at PGSIZE (replacing pp2)
616         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, (void*SNT) PGSIZE, 0) == 0);
617
618         // should have pp1 at both 0 and PGSIZE, pp2 nowhere, ...
619         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0) == page2pa(pp1));
620         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp1));
621         // ... and ref counts should reflect this
622         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 3);
623         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
624
625         // pp2 should be returned by page_alloc
626         page_decref(pp2);       /* should free it */
627         assert(kpage_alloc(&pp) == 0 && pp == pp2);
628
629         // unmapping pp1 at 0 should keep pp1 at PGSIZE
630         page_remove(boot_pgdir, 0x0);
631         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == ~0);
632         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp1));
633         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 2);
634         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
635
636         // unmapping pp1 at PGSIZE should free it
637         page_remove(boot_pgdir, (void*SNT) PGSIZE);
638         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == ~0);
639         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == ~0);
640         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 1);
641         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
642         page_decref(pp1);
643
644         // so it should be returned by page_alloc
645         assert(kpage_alloc(&pp) == 0 && pp == pp1);
646
647         // should be no free memory
648         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
649
650         // forcibly take pp0 back
651         assert(PTE_ADDR(boot_pgdir[0]) == page2pa(pp0));
652         boot_pgdir[0] = 0;
653         assert(kref_refcnt(&pp0->pg_kref) == 1);
654
655         // Catch invalid pointer addition in pgdir_walk - i.e. pgdir + PDX(va)
656         {
657           // Give back pp0 for a bit
658           page_decref(pp0);
659
660           void *SNT va = (void *SNT)((PGSIZE * NPDENTRIES) + PGSIZE);
661           pte_t *p2 = pgdir_walk(boot_pgdir, va, 1);
662           pte_t *p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(boot_pgdir[PDX(va)]));
663           assert(p2 == &p[PTX(va)]);
664
665           // Clean up again
666           boot_pgdir[PDX(va)] = 0;
667         }
668
669         // give free list back
670         for(int i=0; i<llc_cache->num_colors; i++)
671                 colored_page_free_list[i] = fl[i];
672
673         // free the pages we took
674         page_decref(pp0);
675         page_decref(pp1);
676         page_decref(pp2);
677         assert(!kref_refcnt(&pp0->pg_kref));
678         assert(!kref_refcnt(&pp1->pg_kref));
679         assert(!kref_refcnt(&pp2->pg_kref));
680
681         cprintf("page_check() succeeded!\n");
682 }
683
684 /* Walks len bytes from start, executing 'callback' on every PTE, passing it a
685  * specific VA and whatever arg is passed in.  Note, this cannot handle jumbo
686  * pages. */
687 int env_user_mem_walk(env_t* e, void* start, size_t len,
688                       mem_walk_callback_t callback, void* arg)
689 {
690         pte_t *pt;
691         uint32_t pdeno, pteno;
692         physaddr_t pa;
693
694         assert((uintptr_t)start % PGSIZE == 0 && len % PGSIZE == 0);
695         void* end = (char*)start+len;
696         uint32_t pdeno_start = PDX(start);
697         uint32_t pdeno_end = PDX(ROUNDUP(end,PTSIZE));
698         /* concerned about overflow.  this should catch it for now, given the above
699          * assert. */
700         assert((len == 0) || (pdeno_start < pdeno_end));
701
702         for (pdeno = pdeno_start; pdeno < pdeno_end; pdeno++) {
703                 if (!(e->env_pgdir[pdeno] & PTE_P))
704                         continue;
705                 /* find the pa and a pointer to the page table */
706                 pa = PTE_ADDR(e->env_pgdir[pdeno]);
707                 pt = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES)) KADDR(pa);
708                 /* figure out where we start and end within the page table */
709                 uint32_t pteno_start = (pdeno == pdeno_start ? PTX(start) : 0);
710                 uint32_t pteno_end = (pdeno == pdeno_end - 1 && PTX(end) != 0 ?
711                                       PTX(end) : NPTENTRIES );
712                 int ret;
713                 for (pteno = pteno_start; pteno < pteno_end; pteno++) {
714                         if (!PAGE_UNMAPPED(pt[pteno]))
715                                 if((ret = callback(e, &pt[pteno], PGADDR(pdeno, pteno, 0), arg)))
716                                         return ret;
717                 }
718         }
719         return 0;
720 }
721
722 /* Frees (decrefs) all pages of the process's page table, including the page
723  * directory.  Does not free the memory that is actually mapped. */
724 void env_pagetable_free(env_t* e)
725 {
726         static_assert(UVPT % PTSIZE == 0);
727         assert(e->env_cr3 != rcr3());
728         for(uint32_t pdeno = 0; pdeno < PDX(UVPT); pdeno++)
729         {
730                 // only look at mapped page tables
731                 if (!(e->env_pgdir[pdeno] & PTE_P))
732                         continue;
733
734                 // find the pa and va of the page table
735                 physaddr_t pa = PTE_ADDR(e->env_pgdir[pdeno]);
736
737                 // free the page table itself
738                 e->env_pgdir[pdeno] = 0;
739                 page_decref(pa2page(pa));
740         }
741
742         // free the page directory
743         physaddr_t pa = e->env_cr3;
744         e->env_cr3 = 0;
745         page_decref(pa2page(pa));
746         tlbflush();
747 }
748
749 /* 
750
751     // testing code for boot_pgdir_walk 
752         pte_t* temp;
753         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, VPT + (VPT >> 10), 1);
754         cprintf("pgdir = %p\n", pgdir);
755         cprintf("test recursive walking pte_t* = %p\n", temp);
756         cprintf("test recursive walking entry = %p\n", PTE_ADDR(temp));
757         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0400000, 1);
758         cprintf("LA = 0xc0400000 = %p\n", temp);
759         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0400070, 1);
760         cprintf("LA = 0xc0400070 = %p\n", temp);
761         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0800000, 0);
762         cprintf("LA = 0xc0800000, no create = %p\n", temp);
763         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0600070, 1);
764         cprintf("LA = 0xc0600070 = %p\n", temp);
765         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0600090, 0);
766         cprintf("LA = 0xc0600090, nc = %p\n", temp);
767         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0608070, 0);
768         cprintf("LA = 0xc0608070, nc = %p\n", temp);
769         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0800070, 1);
770         cprintf("LA = 0xc0800070 = %p\n", temp);
771         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0b00070, 0);
772         cprintf("LA = 0xc0b00070, nc = %p\n", temp);
773         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0c00000, 0);
774         cprintf("LA = 0xc0c00000, nc = %p\n", temp);
775
776         // testing for boot_map_seg
777         cprintf("\n");
778         cprintf("before mapping 1 page to 0x00350000\n");
779         cprintf("0xc4000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1));
780         cprintf("0xc4000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1)));
781         boot_map_segment(pgdir, 0xc4000000, 4096, 0x00350000, PTE_W);
782         cprintf("after mapping\n");
783         cprintf("0xc4000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1));
784         cprintf("0xc4000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1)));
785
786         cprintf("\n");
787         cprintf("before mapping 3 pages to 0x00700000\n");
788         cprintf("0xd0000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1));
789         cprintf("0xd0000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1)));
790         cprintf("0xd0001000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1));
791         cprintf("0xd0001000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1)));
792         cprintf("0xd0002000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1));
793         cprintf("0xd0002000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1)));
794         boot_map_segment(pgdir, 0xd0000000, 4096*3, 0x00700000, 0);
795         cprintf("after mapping\n");
796         cprintf("0xd0000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1));
797         cprintf("0xd0000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1)));
798         cprintf("0xd0001000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1));
799         cprintf("0xd0001000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1)));
800         cprintf("0xd0002000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1));
801         cprintf("0xd0002000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1)));
802
803         cprintf("\n");
804         cprintf("before mapping 1 unaligned to 0x00500010\n");
805         cprintf("0xc8000010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1));
806         cprintf("0xc8000010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1)));
807         cprintf("0xc8001010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1));
808         cprintf("0xc8001010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1)));
809         boot_map_segment(pgdir, 0xc8000010, 4096, 0x00500010, PTE_W);
810         cprintf("after mapping\n");
811         cprintf("0xc8000010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1));
812         cprintf("0xc8000010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1)));
813         cprintf("0xc8001010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1));
814         cprintf("0xc8001010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1)));
815
816         cprintf("\n");
817         boot_map_segment(pgdir, 0xe0000000, 4096, 0x10000000, PTE_W);
818
819 */