09469a957218e1f9fa125335cfab5257c400280d
[akaros.git] / kern / arch / x86 / pmap64.c
1 /* Copyright (c) 2013 The Regents of the University of California
2  * Barret Rhoden <brho@cs.berkeley.edu>
3  * See LICENSE for details.
4  *
5  * 64 bit virtual memory / address space management (and a touch of pmem).
6  *
7  * TODO:
8  * - better testing: check my helper funcs, a variety of inserts/segments remove
9  * it all, etc (esp with jumbos).  check permissions and the existence of
10  * mappings.
11  * - mapping segments doesn't support having a PTE already present
12  * - mtrrs break big machines
13  * - jumbo pages are only supported at the VM layer, not PM (a jumbo is 2^9
14  * little pages, for example)
15  * - usermemwalk and freeing might need some help (in higher layers of the
16  * kernel). */
17
18 #include <arch/x86.h>
19 #include <arch/arch.h>
20 #include <arch/mmu.h>
21 #include <arch/apic.h>
22 #include <error.h>
23 #include <sys/queue.h>
24 #include <atomic.h>
25 #include <string.h>
26 #include <assert.h>
27 #include <pmap.h>
28 #include <kclock.h>
29 #include <env.h>
30 #include <stdio.h>
31 #include <kmalloc.h>
32 #include <page_alloc.h>
33 #include <umem.h>
34
35 extern char boot_pml4[], gdt64[], gdt64desc[];
36 pgdir_t boot_pgdir;
37 physaddr_t boot_cr3;
38 segdesc_t *gdt;
39 pseudodesc_t gdt_pd;
40
41 #define PG_WALK_SHIFT_MASK              0x00ff          /* first byte = target shift */
42 #define PG_WALK_CREATE                  0x0100
43
44 kpte_t *pml_walk(kpte_t *pml, uintptr_t va, int flags);
45 void map_segment(pgdir_t pgdir, uintptr_t va, size_t size, physaddr_t pa,
46                  int perm, int pml_shift);
47 int unmap_segment(pgdir_t pgdir, uintptr_t va, size_t size);
48
49 typedef int (*kpte_cb_t)(kpte_t *kpte, uintptr_t kva, int pml_shift,
50                         bool visited_subs, void *arg);
51 int pml_for_each(kpte_t *pml, uintptr_t start, size_t len, kpte_cb_t callback,
52                  void *arg);
53 /* Helpers for PML for-each walks */
54 static inline bool pte_is_final(pte_t pte, int pml_shift)
55 {
56         return (pml_shift == PML1_SHIFT) || pte_is_jumbo(pte);
57 }
58
59 static inline bool pte_is_intermediate(pte_t pte, int pml_shift)
60 {
61         return !pte_is_final(pte, pml_shift);
62 }
63
64 /* Helper: gets the kpte_t pointer which is the base of the PML4 from pgdir */
65 static kpte_t *pgdir_get_kpt(pgdir_t pgdir)
66 {
67         return pgdir.kpte;
68 }
69
70 /* Helper: returns true if we do not need to walk the page table any further.
71  *
72  * The caller may or may not know if a jumbo is desired.  pml_shift determines
73  * which layer we are at in the page walk, and flags contains the target level
74  * we're looking for, like a jumbo or a default.
75  *
76  * Regardless of the desired target, if we find a jumbo page, we're also done.
77  */
78 static bool walk_is_complete(kpte_t *kpte, int pml_shift, int flags)
79 {
80         if ((pml_shift == (flags & PG_WALK_SHIFT_MASK)) || (*kpte & PTE_PS))
81                 return TRUE;
82         return FALSE;
83 }
84
85 /* PTE_ADDR should only be used on a PTE that has a physical address of the next
86  * PML inside.  i.e., not a final PTE in the page table walk. */
87 static kpte_t *kpte2pml(kpte_t kpte)
88 {
89         return (kpte_t*)KADDR(PTE_ADDR(kpte));
90 }
91
92 static kpte_t *__pml_walk(kpte_t *pml, uintptr_t va, int flags, int pml_shift)
93 {
94         kpte_t *kpte;
95         epte_t *epte;
96         void *new_pml_kva;
97
98         kpte = &pml[PMLx(va, pml_shift)];
99         epte = kpte_to_epte(kpte);
100         if (walk_is_complete(kpte, pml_shift, flags))
101                 return kpte;
102         if (!kpte_is_present(kpte)) {
103                 if (!(flags & PG_WALK_CREATE))
104                         return NULL;
105                 new_pml_kva = get_cont_pages(1, MEM_WAIT);
106                 memset(new_pml_kva, 0, PGSIZE * 2);
107                 /* Might want better error handling (we're probably out of memory) */
108                 if (!new_pml_kva)
109                         return NULL;
110                 /* We insert the new PT into the PML with U and W perms.  Permissions on
111                  * page table walks are anded together (if any of them are !User, the
112                  * translation is !User).  We put the perms on the last entry, not the
113                  * intermediates. */
114                 *kpte = PADDR(new_pml_kva) | PTE_P | PTE_U | PTE_W;
115                 /* The physaddr of the new_pml is one page higher than the KPT page.  A
116                  * few other things:
117                  * - for the same reason that we have U and X set on all intermediate
118                  * PTEs, we now set R, X, and W for the EPTE.
119                  * - All EPTEs have U perms
120                  * - We can't use epte_write since we're workin on intermediate PTEs,
121                  * and they don't have the memory type set. */
122                 *epte = (PADDR(new_pml_kva) + PGSIZE) | EPTE_R | EPTE_X | EPTE_W;
123         }
124         return __pml_walk(kpte2pml(*kpte), va, flags, pml_shift - BITS_PER_PML);
125 }
126
127 /* Returns a pointer to the page table entry corresponding to va.  Flags has
128  * some options and selects which level of the page table we're happy with
129  * stopping at.  Normally, this is PML1 for a normal page (e.g. flags =
130  * PML1_SHIFT), but could be for a jumbo page (PML3 or PML2 entry).
131  *
132  * Flags also controls whether or not intermediate page tables are created or
133  * not.  This is useful for when we are checking whether or not a mapping
134  * exists, but aren't interested in creating intermediate tables that will not
135  * get filled.  When we want to create intermediate pages (i.e. we're looking
136  * for the PTE to insert a page), pass in PG_WALK_CREATE with flags.
137  *
138  * Returns 0 on error or absence of a PTE for va. */
139 kpte_t *pml_walk(kpte_t *pml, uintptr_t va, int flags)
140 {
141         return __pml_walk(pml, va, flags, PML4_SHIFT);
142 }
143
144 /* Helper: determines how much va needs to be advanced until it is aligned to
145  * pml_shift. */
146 static uintptr_t amt_til_aligned(uintptr_t va, int pml_shift)
147 {
148         /* find the lower bits of va, subtract them from the shift to see what we
149          * would need to add to get to the shift.  va might be aligned already, and
150          * we subtracted 0, so we mask off the top part again. */
151         return ((1UL << pml_shift) - (va & ((1UL << pml_shift) - 1))) &
152                ((1UL << pml_shift) - 1);
153 }
154
155 /* Helper: determines how much of size we can take, in chunks of pml_shift */
156 static uintptr_t amt_of_aligned_bytes(uintptr_t size, int pml_shift)
157 {
158         /* creates a mask all 1s from MSB down to (including) shift */
159         return (~((1UL << pml_shift) - 1)) & size;
160 }
161
162 /* Helper: Advance kpte, given old_pte.  Will do pml walks when necessary. */
163 static kpte_t *get_next_pte(kpte_t *old_pte, kpte_t *pgdir, uintptr_t va,
164                             int flags)
165 {
166         /* PTEs (undereferenced) are addresses within page tables.  so long as we
167          * stay inside the PML, we can just advance via pointer arithmetic.  if we
168          * advance old_pte and it points to the beginning of a page (offset == 0),
169          * we've looped outside of our original PML, and need to get a new one. */
170         old_pte++;
171         if (!PGOFF(old_pte))
172                 return pml_walk(pgdir, va, flags);
173         return old_pte;
174 }
175
176 /* Helper: maps pages from va to pa for size bytes, all for a given page size */
177 static void map_my_pages(kpte_t *pgdir, uintptr_t va, size_t size,
178                          physaddr_t pa, int perm, int pml_shift)
179 {
180         /* set to trigger a pml walk on the first get_next */
181         kpte_t *kpte = (kpte_t*)PGSIZE - 1;
182         size_t pgsize = 1UL << pml_shift;
183
184         for (size_t i = 0; i < size; i += pgsize, va += pgsize,
185              pa += pgsize) {
186                 kpte = get_next_pte(kpte, pgdir, va, PG_WALK_CREATE | pml_shift);
187                 assert(kpte);
188                 *kpte = PTE_ADDR(pa) | perm |
189                         (pml_shift != PML1_SHIFT ? PTE_PS : 0);
190                 printd("Wrote *kpte %p, for va %p to pa %p tried to cover %p\n",
191                        *kpte, va, pa, amt_mapped);
192         }
193 }
194
195 /* Maps all pages possible from va->pa, up to size, preferring to use pages of
196  * type pml_shift (size == (1 << shift)).  Assumes that it is possible to map va
197  * to pa at the given shift. */
198 static uintptr_t __map_segment(kpte_t *pgdir, uintptr_t va, size_t size,
199                                physaddr_t pa, int perm, int pml_shift)
200 {
201         printd("__map_segment, va %p, size %p, pa %p, shift %d\n", va, size,
202                pa, pml_shift);
203         uintptr_t amt_to_submap, amt_to_map, amt_mapped = 0;
204
205         amt_to_submap = amt_til_aligned(va, pml_shift);
206         amt_to_submap = MIN(amt_to_submap, size);
207         if (amt_to_submap) {
208                 amt_mapped = __map_segment(pgdir, va, amt_to_submap, pa, perm,
209                                            pml_shift - BITS_PER_PML);
210                 va += amt_mapped;
211                 pa += amt_mapped;
212                 size -= amt_mapped;
213         }
214         /* Now we're either aligned and ready to map, or size == 0 */
215         amt_to_map = amt_of_aligned_bytes(size, pml_shift);
216         if (amt_to_map) {
217                 map_my_pages(pgdir, va, amt_to_map, pa, perm, pml_shift);
218                 va += amt_to_map;
219                 pa += amt_to_map;
220                 size -= amt_to_map;
221                 amt_mapped += amt_to_map;
222         }
223         /* Map whatever is left over */
224         if (size)
225                 amt_mapped += __map_segment(pgdir, va, size, pa, perm,
226                                             pml_shift - BITS_PER_PML);
227         return amt_mapped;
228 }
229
230 /* Returns the maximum pml shift possible between a va->pa mapping.  It is the
231  * number of least-significant bits the two addresses have in common.  For
232  * instance, if the two pages are 0x456000 and 0x156000, this returns 20.  For
233  * regular pages, it will be at least 12 (every page ends in 0x000).
234  *
235  * The max pml shift possible for an va->pa mapping is determined by the
236  * least bit that differs between va and pa.
237  *
238  * We can optimize this a bit, since we know the first 12 bits are the same, and
239  * we won't go higher than max_pml_shift. */
240 static int max_possible_shift(uintptr_t va, uintptr_t pa)
241 {
242         int shift = 0;
243         if (va == pa)
244                 return sizeof(uintptr_t) * 8;
245         while ((va & 1) == (pa & 1)) {
246                 va >>= 1;
247                 pa >>= 1;
248                 shift++;
249         }
250         return shift;
251 }
252
253 /* Map [va, va+size) of virtual (linear) address space to physical [pa, pa+size)
254  * in the page table rooted at pgdir.  Size is a multiple of PGSIZE.  Use
255  * permission bits perm for the entries.  Set pml_shift to the shift of the
256  * largest page size you're willing to use.
257  *
258  * Doesn't handle having pages currently mapped yet, and while supporting that
259  * is relatively easy, doing an insertion of small pages into an existing jumbo
260  * would be trickier.  Might have the vmem region code deal with this.
261  *
262  * Don't use this to set the PAT flag on jumbo pages in perm, unless you are
263  * absolultely sure you won't map regular pages.  */
264 void map_segment(pgdir_t pgdir, uintptr_t va, size_t size, physaddr_t pa,
265                  int perm, int pml_shift)
266 {
267         int max_shift_possible;
268         if (PGOFF(va) || PGOFF(pa) || PGOFF(size))
269                 panic("Asked to map with bad alignment.  va %p, pa %p, size %p\n", va,
270                       pa, size);
271         /* Given the max_page_size, try and use larger pages.  We'll figure out the
272          * largest possible jumbo page, up to whatever we were asked for. */
273         if (pml_shift != PGSHIFT) {
274                 max_shift_possible = max_possible_shift(va, pa);
275                 max_shift_possible = MIN(max_shift_possible,
276                                          arch_max_jumbo_page_shift());
277                 /* Assumes we were given a proper PML shift 12, 21, 30, etc */
278                 while (pml_shift > max_shift_possible)
279                         pml_shift -= BITS_PER_PML;
280         }
281         assert((pml_shift == PML1_SHIFT) ||
282                (pml_shift == PML2_SHIFT) ||
283                (pml_shift == PML3_SHIFT));
284         __map_segment(pgdir_get_kpt(pgdir), va, size, pa, perm, pml_shift);
285 }
286
287 /* For every PTE in [start, start + len), call callback(kpte, shift,
288  * etc), including the not present PTEs.  pml_shift is the shift/size of pml.
289  *
290  * This will recurse down into sub PMLs, and perform the CB in a
291  * depth-first-search.  The CB will be told which level of the paging it is at,
292  * via 'shift'.
293  *
294  * The CB will also run on intermediate PTEs: meaning, PTEs that point to page
295  * tables (and not (jumbo) pages) will be executed.  If the CB returns anything
296  * other than 0, we'll abort and propagate that back out from for_each. */
297 static int __pml_for_each(kpte_t *pml,  uintptr_t start, size_t len,
298                           kpte_cb_t callback, void *arg, int pml_shift)
299 {
300         int ret;
301         bool visited_all_subs;
302         kpte_t *kpte_s, *kpte_e, *kpte_i;
303         uintptr_t kva, pgsize = 1UL << pml_shift;
304
305         if (!len)
306                 return 0;
307         kpte_s = &pml[PMLx(start, pml_shift)];
308         /* Later, we'll loop up to and including kpte_e.  Since start + len might
309          * not be page aligned, we'll need to include the final kpte.  If it is
310          * aligned, we don't want to visit, so we subtract one so that the aligned
311          * case maps to the index below its normal kpte. */
312         kpte_e = &pml[PMLx(start + len - 1, pml_shift)];
313         /* tracks the virt addr kpte_i works on, rounded for this PML */
314         kva = ROUNDDOWN(start, pgsize);
315         printd("PFE, start %p PMLx(S) %d, end-inc %p PMLx(E) %d shift %d, kva %p\n",
316                start, PMLx(start, pml_shift), start + len - 1,
317                PMLx(start + len - 1, pml_shift), pml_shift, kva);
318         for (kpte_i = kpte_s; kpte_i <= kpte_e; kpte_i++, kva += pgsize) {
319                 visited_all_subs = FALSE;
320                 /* Complete only on the last level (PML1_SHIFT) or on a jumbo */
321                 if (kpte_is_present(kpte_i) &&
322                     (!walk_is_complete(kpte_i, pml_shift, PML1_SHIFT))) {
323                         /* only pass truncated end points (e.g. start may not be page
324                          * aligned) when we're on the first (or last) item.  For the middle
325                          * entries, we want the subpmls to process the full range they are
326                          * responsible for: [kva, kva + pgsize). */
327                         uintptr_t sub_start = MAX(kva, start);
328                         size_t sub_len = MIN(start + len, kva + pgsize) - sub_start;
329                         ret = __pml_for_each(kpte2pml(*kpte_i), sub_start, sub_len,
330                                              callback, arg, pml_shift - BITS_PER_PML);
331                         if (ret)
332                                 return ret;
333                         /* based on sub_{start,end}, we can tell if our sub visited all of
334                          * its PTES. */
335                         if ((sub_start == kva) && (sub_len == pgsize))
336                                 visited_all_subs = TRUE;
337                 }
338                 if ((ret = callback(kpte_i, kva, pml_shift, visited_all_subs, arg)))
339                         return ret;
340         }
341         return 0;
342 }
343
344 int pml_for_each(kpte_t *pml, uintptr_t start, size_t len, kpte_cb_t callback,
345                  void *arg)
346 {
347         return __pml_for_each(pml, start, len, callback, arg, PML4_SHIFT);
348 }
349
350 /* Unmaps [va, va + size) from pgdir, freeing any intermediate page tables.
351  * This does not free the actual memory pointed to by the page tables, nor does
352  * it flush the TLB. */
353 int unmap_segment(pgdir_t pgdir, uintptr_t va, size_t size)
354 {
355         int pt_free_cb(kpte_t *kpte, uintptr_t kva, int shift, bool visited_subs,
356                        void *data)
357         {
358                 if (!kpte_is_present(kpte))
359                         return 0;
360                 if (pte_is_final(kpte, shift)) {
361                         *kpte = 0;
362                         return 0;
363                 }
364                 /* If we haven't visited all of our subs, we might still have some
365                  * mappings hanging off this page table. */
366                 if (!visited_subs) {
367                         kpte_t *kpte_i = kpte2pml(*kpte);       /* first kpte == pml */
368                         /* make sure we have no PTEs in use */
369                         for (int i = 0; i < NPTENTRIES; i++, kpte_i++) {
370                                 if (*kpte_i)
371                                         return 0;
372                         }
373                 }
374                 free_cont_pages(KADDR(PTE_ADDR(*kpte)), 1);
375                 *kpte = 0;
376                 return 0;
377         }
378         /* Don't accidentally unmap the boot mappings */
379         assert((va < KERNBASE) && (va + size < KERNBASE));
380         return pml_for_each(pgdir_get_kpt(pgdir), va, size, pt_free_cb, 0);
381 }
382
383 /* Older interface for page table walks - will return the PTE corresponding to
384  * VA.  If create is 1, it'll create intermediate tables.  This can return jumbo
385  * PTEs, but only if they already exist.  Otherwise, (with create), it'll walk
386  * to the lowest PML.  If the walk fails due to a lack of intermediate tables or
387  * memory, this returns 0 (subject to change based on pte_t). */
388 pte_t pgdir_walk(pgdir_t pgdir, const void *va, int create)
389 {
390         pte_t ret;
391         int flags = PML1_SHIFT;
392         if (create == 1)
393                 flags |= PG_WALK_CREATE;
394         return pml_walk(pgdir_get_kpt(pgdir), (uintptr_t)va, flags);
395 }
396
397 static int pml_perm_walk(kpte_t *pml, const void *va, int pml_shift)
398 {
399         kpte_t *kpte;
400         int perms_here;
401
402         kpte = &pml[PMLx(va, pml_shift)];
403         if (!kpte_is_present(kpte))
404                 return 0;
405         perms_here = *kpte & PTE_PERM;
406         if (walk_is_complete(kpte, pml_shift, PML1_SHIFT))
407                 return perms_here;
408         return pml_perm_walk(kpte2pml(*kpte), va, pml_shift - BITS_PER_PML) &
409                perms_here;
410 }
411
412 /* Returns the effective permissions for PTE_U, PTE_W, and PTE_P on a given
413  * virtual address.  Note we need to consider the composition of every PTE in
414  * the page table walk (we bit-and all of them together) */
415 int get_va_perms(pgdir_t pgdir, const void *va)
416 {
417         return pml_perm_walk(pgdir_get_kpt(pgdir), va, PML4_SHIFT);
418 }
419
420 #define check_sym_va(sym, addr)                                                \
421 ({                                                                             \
422         if ((sym) != (addr))                                                       \
423                 printk("Error: " #sym " is %p, should be " #addr "\n", sym);           \
424 })
425
426 static void check_syms_va(void)
427 {
428         /* Make sure our symbols are up to date (see arch/ros/mmu64.h) */
429         check_sym_va(KERN_LOAD_ADDR, 0xffffffffc0000000);
430         check_sym_va(IOAPIC_BASE,    0xffffffffbff00000);
431         check_sym_va(VPT_TOP,        0xffffff0000000000);
432         check_sym_va(VPT,            0xfffffe8000000000);
433         check_sym_va(KERN_VMAP_TOP,  0xfffffe8000000000);
434         check_sym_va(KERNBASE,       0xffff800000000000);
435         check_sym_va(ULIM,           0x0000800000000000);
436         check_sym_va(UVPT,           0x00007f8000000000);
437         check_sym_va(UGINFO,         0x00007f7fffe00000);
438         check_sym_va(UINFO,          0x00007f7fffc00000);
439         check_sym_va(UWLIM,          0x00007f7fffc00000);
440         check_sym_va(UDATA,          0x00007f7fffa00000);
441         check_sym_va(UGDATA,         0x00007f7fff9ff000);
442         check_sym_va(UMAPTOP,        0x00007f7fff9ff000);
443         check_sym_va(USTACKTOP,      0x00007f7fff9ff000);
444         check_sym_va(BRK_END,        0x0000400000000000);
445 }
446
447 /* Initializes anything related to virtual memory.  Paging is already on, but we
448  * have a slimmed down page table. */
449 void vm_init(void)
450 {
451         int max_jumbo_shift;
452         kpte_t *boot_kpt = KADDR(get_boot_pml4());
453
454         boot_cr3 = get_boot_pml4();
455         boot_pgdir.kpte = boot_kpt;
456         boot_pgdir.eptp = 0;
457         gdt = KADDR(get_gdt64());
458
459         /* We need to limit our mappings on machines that don't support 1GB pages */
460         max_jumbo_shift = arch_max_jumbo_page_shift();
461         check_syms_va();
462         /* KERNBASE mapping: we already have 512 GB complete (one full PML3_REACH).
463          * It's okay if we have extra, just need to make sure we reach max_paddr. */
464         if (KERNBASE + PML3_REACH < (uintptr_t)KADDR(max_paddr)) {
465                 map_segment(boot_pgdir, KERNBASE + PML3_REACH,
466                             max_paddr - PML3_REACH, 0x0 + PML3_REACH,
467                             PTE_W | PTE_G, max_jumbo_shift);
468         }
469         /* For the LAPIC and IOAPIC, we use PAT (but not *the* PAT flag) to make
470          * these type UC */
471         map_segment(boot_pgdir, IOAPIC_BASE, APIC_SIZE, IOAPIC_PBASE,
472                     PTE_NOCACHE | PTE_KERN_RW | PTE_G, max_jumbo_shift);
473         /* VPT mapping: recursive PTE inserted at the VPT spot */
474         boot_kpt[PML4(VPT)] = PADDR(boot_kpt) | PTE_W | PTE_P;
475         /* same for UVPT, accessible by userspace (RO). */
476         boot_kpt[PML4(UVPT)] = PADDR(boot_kpt) | PTE_U | PTE_P;
477         /* set up core0s now (mostly for debugging) */
478         setup_default_mtrrs(0);
479         /* Our current gdt_pd (gdt64desc) is pointing to a physical address for the
480          * GDT.  We need to switch over to pointing to one with a virtual address,
481          * so we can later unmap the low memory */
482         gdt_pd = (pseudodesc_t) {sizeof(segdesc_t) * SEG_COUNT - 1,
483                                  (uintptr_t)gdt};
484         asm volatile("lgdt %0" : : "m"(gdt_pd));
485 }
486
487 void x86_cleanup_bootmem(void)
488 {
489         /* the boot page tables weren't alloc'd the same as other pages, so we'll
490          * need to do some hackery to 'free' them.  This doesn't actually free
491          * anything - it just unmaps but leave 2 KPTs (4 pages) sitting around. */
492         //unmap_segment(boot_pgdir, 0, PML3_PTE_REACH); // want to do this
493         boot_pgdir.kpte[0] = 0;
494         tlbflush();
495 }
496
497 /* Walks len bytes from start, executing 'callback' on every PTE, passing it a
498  * specific VA and whatever arg is passed in.  Note, this cannot handle jumbo
499  * pages.
500  *
501  * This is just a clumsy wrapper around the more powerful pml_for_each, which
502  * can handle jumbo and intermediate pages. */
503 int env_user_mem_walk(struct proc *p, void *start, size_t len,
504                       mem_walk_callback_t callback, void *arg)
505 {
506         struct tramp_package {
507                 struct proc *p;
508                 mem_walk_callback_t cb;
509                 void *cb_arg;
510         };
511         int trampoline_cb(kpte_t *kpte, uintptr_t kva, int shift, bool visited_subs,
512                           void *data)
513         {
514                 struct tramp_package *tp = (struct tramp_package*)data;
515                 assert(tp->cb);
516                 /* memwalk CBs don't know how to handle intermediates or jumbos */
517                 if (shift != PML1_SHIFT)
518                         return 0;
519                 return tp->cb(tp->p, kpte, (void*)kva, tp->cb_arg);
520         }
521
522         struct tramp_package local_tp;
523         local_tp.p = p;
524         local_tp.cb = callback;
525         local_tp.cb_arg = arg;
526         return pml_for_each(pgdir_get_kpt(p->env_pgdir), (uintptr_t)start, len,
527                            trampoline_cb, &local_tp);
528 }
529
530 /* Frees (decrefs) all pages of the process's page table, including the page
531  * directory.  Does not free the memory that is actually mapped. */
532 void env_pagetable_free(struct proc *p)
533 {
534         unmap_segment(p->env_pgdir, 0, UVPT - 0);
535         /* the page directory is not a PTE, so it never was freed */
536         free_cont_pages(pgdir_get_kpt(p->env_pgdir), 1);
537         tlbflush();
538 }
539
540 /* Remove the inner page tables along va's walk.  The internals are more
541  * powerful.  We'll eventually want better arch-indep VM functions. */
542 error_t pagetable_remove(pgdir_t pgdir, void *va)
543 {
544         return unmap_segment(pgdir, (uintptr_t)va, PGSIZE);
545 }
546
547 void page_check(void)
548 {
549 }
550
551 /* Similar to the kernels page table walk, but walks the guest page tables for a
552  * guest_va.  Takes a proc and user virtual (guest physical) address for the
553  * PML, returning the actual PTE (copied out of userspace). */
554 static kpte_t __guest_pml_walk(struct proc *p, kpte_t *u_pml, uintptr_t gva,
555                                int flags, int pml_shift)
556 {
557         kpte_t pte;
558
559         if (memcpy_from_user(p, &pte, &u_pml[PMLx(gva, pml_shift)],
560                              sizeof(kpte_t))) {
561                 printk("Buggy pml %p, tried %p\n", u_pml, &u_pml[PMLx(gva, pml_shift)]);
562                 return 0;
563         }
564         if (walk_is_complete(&pte, pml_shift, flags))
565                 return pte;
566         if (!kpte_is_present(&pte))
567                 return 0;
568         return __guest_pml_walk(p, (kpte_t*)PTE_ADDR(pte), gva, flags,
569                                 pml_shift - BITS_PER_PML);
570 }
571
572 uintptr_t gva2gpa(struct proc *p, uintptr_t cr3, uintptr_t gva)
573 {
574         kpte_t pte;
575         int shift = PML1_SHIFT;
576
577         pte = __guest_pml_walk(p, (kpte_t*)cr3, gva, shift, PML4_SHIFT);
578         if (!pte)
579                 return 0;
580         /* TODO: Jumbos mess with us.  We need to know the shift the walk did.  This
581          * is a little nasty, but will work til we make Akaros more jumbo-aware. */
582         while (pte & PTE_PS) {
583                 shift += BITS_PER_PML;
584                 pte = __guest_pml_walk(p, (kpte_t*)cr3, gva, shift, PML4_SHIFT);
585                 if (!pte)
586                         return 0;
587         }
588         return (pte & ~((1 << shift) - 1)) | (gva & ((1 << shift) - 1));
589 }
590
591 /* Sets up the page directory, based on boot_copy.
592  *
593  * For x86, to support VMs, all processes will have an EPT and a KPT.  Ideally,
594  * we'd use the same actual PT for both, but we can't thanks to the EPT design.
595  * Although they are not the same actual PT, they have the same contents.
596  *
597  * The KPT-EPT invariant is that the KPT and EPT hold the same mappings from
598  * [0,UVPT), so long as some lock is held.  Right now, the lock is the pte_lock,
599  * but it could be a finer-grained lock (e.g. on lower level PTs) in the future.
600  *
601  * Part of the reason for the invariant is so that a pgdir walk on the process's
602  * address space will get the 'same' PTE for both the KPT and the EPT.  For
603  * instance, if a page is present in the KPT, a pte is present and points to the
604  * same physical page in the EPT.  Likewise, both the KPT and EPT agree on jumbo
605  * mappings.
606  *
607  * I went with UVPT for the upper limit of equality btw the KPT and EPT for a
608  * couple reasons: I wanted something static (technically the physaddr width is
609  * runtime dependent), and we'll never actually PF high enough for it to make a
610  * difference.  Plus, the UVPT is something that would need to be changed for
611  * the EPT too, if we supported it at all.
612  *
613  * Each page table page is actually two contiguous pages.  The lower is the KPT.
614  * The upper is the EPT.  Order-1 page allocs are a little harder, but the
615  * tradeoff is simplicity in all of the pm code.  Given a KPTE, we can find an
616  * EPTE with no hassle.  Note that this two-page business is a tax on *all*
617  * processes, which is less than awesome.
618  *
619  * Another note is that the boot page tables are *not* double-pages.  The EPT
620  * won't cover those spaces (e.g. kernbase mapping), so it's not necessary, and
621  * it's a pain in the ass to get it to work (can't align to 2*PGSIZE without
622  * grub complaining, and we might run into issues with freeing memory in the
623  * data segment). */
624 int arch_pgdir_setup(pgdir_t boot_copy, pgdir_t *new_pd)
625 {
626         kpte_t *kpt;
627         epte_t *ept;
628
629         kpt = get_cont_pages(1, MEM_WAIT);
630         memcpy(kpt, boot_copy.kpte, PGSIZE);
631         ept = kpte_to_epte(kpt);
632         memset(ept, 0, PGSIZE);
633
634         /* This bit of paranoia slows process creation a little, but makes sure that
635          * there is nothing below ULIM in boot_pgdir.  Any PML4 entries copied from
636          * boot_pgdir (e.g. the kernel's memory) will be *shared* among all
637          * processes, including *everything* under the PML4 entries reach (e.g.
638          * PML4_PTE_REACH = 512 GB) and any activity would need to be synchronized.
639          *
640          * We could do this once at boot time, but that would miss out on potential
641          * changes to the boot_pgdir at runtime.
642          *
643          * We could also just memset that region to 0.  For now, I want to catch
644          * whatever mappings exist, since they are probably bugs. */
645         for (int i = 0; i < PML4(ULIM - 1); i++)
646                 assert(kpt[i] == 0);
647
648         /* VPT and UVPT map the proc's page table, with different permissions. */
649         kpt[PML4(VPT)]  = build_kpte(PADDR(kpt), PTE_KERN_RW);
650         kpt[PML4(UVPT)] = build_kpte(PADDR(kpt), PTE_USER_RO);
651
652         new_pd->kpte = kpt;
653         new_pd->eptp = construct_eptp(PADDR(ept));
654         return 0;
655 }
656
657 physaddr_t arch_pgdir_get_cr3(pgdir_t pd)
658 {
659         return PADDR(pd.kpte);
660 }
661
662 void arch_pgdir_clear(pgdir_t *pd)
663 {
664         pd->kpte = 0;
665         pd->eptp = 0;
666 }
667
668 /* Returns the page shift of the largest jumbo supported */
669 int arch_max_jumbo_page_shift(void)
670 {
671         uint32_t edx;
672         cpuid(0x80000001, 0x0, 0, 0, 0, &edx);
673         return edx & (1 << 26) ? PML3_SHIFT : PML2_SHIFT;
674 }
675
676 /* Debugging */
677 static int print_pte(kpte_t *kpte, uintptr_t kva, int shift, bool visited_subs,
678                      void *data)
679 {
680         if (kpte_is_unmapped(kpte))
681                 return 0;
682         switch (shift) {
683                 case (PML1_SHIFT):
684                         printk("\t");
685                         /* fall-through */
686                 case (PML2_SHIFT):
687                         printk("\t");
688                         /* fall-through */
689                 case (PML3_SHIFT):
690                         printk("\t");
691         }
692         printk("KVA: %p, PTE val %p, shift %d, visit %d%s\n", kva, *kpte, shift,
693                visited_subs, (*kpte & PTE_PS ? " (jumbo)" : ""));
694         return 0;
695 }
696
697 void debug_print_pgdir(kpte_t *pgdir)
698 {
699         if (! pgdir)
700                 pgdir = KADDR(rcr3());
701         printk("Printing the entire page table set for %p, DFS\n", pgdir);
702         /* Need to be careful we avoid VPT/UVPT, o/w we'll recurse */
703         pml_for_each(pgdir, 0, UVPT, print_pte, 0);
704         if (arch_max_jumbo_page_shift() < PML3_SHIFT)
705                 printk("(skipping kernbase mapping - too many entries)\n");
706         else
707                 pml_for_each(pgdir, KERNBASE, VPT - KERNBASE, print_pte, 0);
708         pml_for_each(pgdir, VPT_TOP, MAX_VADDR - VPT_TOP, print_pte, 0);
709 }
710
711 /* Debug helper - makes sure the KPT == EPT for [0, UVPT) */
712 int debug_check_kpt_ept(void)
713 {
714         int db_cb(kpte_t *kpte, uintptr_t kva, int shift, bool visited_subs,
715                   void *data)
716         {
717                 epte_t *epte = kpte_to_epte(kpte);
718                 char *reason;
719                 int pa_offset = 0;
720
721                 if (kpte_is_present(kpte) != epte_is_present(epte)) {
722                         reason = "present bit";
723                         goto fail;
724                 }
725                 if (kpte_is_mapped(kpte) != epte_is_mapped(epte)) {
726                         reason = "mapped or not";
727                         goto fail;
728                 }
729                 if (kpte_is_jumbo(kpte) != epte_is_jumbo(epte)) {
730                         reason = "jumbo";
731                         goto fail;
732                 }
733                 /* Intermediate PTEs have the EPTE pointing to PADDR + PGSIZE */
734                 if (pte_is_present(kpte) && pte_is_intermediate(kpte, shift))
735                         pa_offset = PGSIZE;
736                 if (kpte_get_paddr(kpte) + pa_offset != epte_get_paddr(epte)) {
737                         reason = "paddr";
738                         goto fail;
739                 }
740                 if ((kpte_get_settings(kpte) & PTE_PERM) !=
741                     (epte_get_settings(epte) & PTE_PERM)) {
742                         reason = "permissions";
743                         goto fail;
744                 }
745                 return 0;
746
747 fail:
748                 panic("kpte %p (%p) epte %p (%p) kva %p shift %d: %s",
749                        kpte, *kpte, epte, *epte, kva, shift, reason);
750                 return -1;
751         }
752         return pml_for_each(current->env_pgdir.kpte, 0, UVPT - 0, db_cb, 0);
753 }