Physical memory init uses multiboot info
[akaros.git] / kern / arch / x86 / pmap64.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         /* 64 bit compiler complains about this.  going to redo it anyways. */
61         //sizeof(gdt) - 1, (unsigned long) gdt
62         sizeof(gdt) - 1, 0xdeadbeef
63 };
64
65 // --------------------------------------------------------------
66 // Set up initial memory mappings and turn on MMU.
67 // --------------------------------------------------------------
68
69 static void check_boot_pgdir(bool pse);
70
71 //
72 // Given pgdir, a pointer to a page directory,
73 // walk the 2-level page table structure to find
74 // the page table entry (PTE) for linear address la.
75 // Return a pointer to this PTE.
76 //
77 // If the relevant page table doesn't exist in the page directory:
78 //      - If create == 0, return 0.
79 //      - Otherwise allocate a new page table, install it into pgdir,
80 //        and return a pointer into it.
81 //        (Questions: What data should the new page table contain?
82 //        And what permissions should the new pgdir entry have?
83 //        Note that we use the 486-only "WP" feature of %cr0, which
84 //        affects the way supervisor-mode writes are checked.)
85 //
86 // This function abstracts away the 2-level nature of
87 // the page directory by allocating new page tables
88 // as needed.
89 // 
90 // boot_pgdir_walk may ONLY be used during initialization,
91 // before the page_free_list has been set up.
92 // It should panic on failure.  (Note that boot_alloc already panics
93 // on failure.)
94 //
95 // Supports returning jumbo (4MB PSE) PTEs.  To create with a jumbo, pass in 2.
96 // 
97 // Maps non-PSE PDEs as U/W.  W so the kernel can, U so the user can read via
98 // UVPT.  UVPT security comes from the UVPT mapping (U/R).  All other kernel pages
99 // protected at the second layer
100 static pte_t*
101 boot_pgdir_walk(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t la, int create)
102 {
103         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(la)];
104         void* new_table;
105
106         if (*the_pde & PTE_P) {
107                 if (*the_pde & PTE_PS)
108                         return (pte_t*)the_pde;
109                 return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(la)];
110         }
111         if (!create)
112                 return NULL;
113         if (create == 2) {
114                 if (JPGOFF(la))
115                         panic("Attempting to find a Jumbo PTE at an unaligned VA!");
116                 *the_pde = PTE_PS | PTE_P;
117                 return (pte_t*)the_pde;
118         }
119         new_table = boot_alloc(PGSIZE, PGSIZE);
120         memset(new_table, 0, PGSIZE);
121         *the_pde = (pde_t)PADDR(new_table) | PTE_P | PTE_W | PTE_U | PTE_G;
122         return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(la)];
123 }
124
125 //
126 // Map [la, la+size) of linear address space to physical [pa, pa+size)
127 // in the page table rooted at pgdir.  Size is a multiple of PGSIZE.
128 // Use permission bits perm|PTE_P for the entries.
129 //
130 // This function may ONLY be used during initialization,
131 // before the page_free_list has been set up.
132 //
133 // To map with Jumbos, set PTE_PS in perm
134 static void
135 boot_map_segment(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t la, size_t size, physaddr_t pa, int perm)
136 {
137         uintptr_t i;
138         pte_t *pte;
139         // la can be page unaligned, but weird things will happen
140         // unless pa has the same offset.  pa always truncates any
141         // possible offset.  will warn.  size can be weird too. 
142         if (PGOFF(la)) {
143                 warn("la not page aligned in boot_map_segment!");
144                 size += PGOFF(la);
145         }
146         if (perm & PTE_PS) {
147                 if (JPGOFF(la) || JPGOFF(pa))
148                         panic("Tried to map a Jumbo page at an unaligned address!");
149                 // need to index with i instead of la + size, in case of wrap-around
150                 for (i = 0; i < size; i += JPGSIZE, la += JPGSIZE, pa += JPGSIZE) {
151                         pte = boot_pgdir_walk(pgdir, la, 2);
152                         *pte = PTE_ADDR(pa) | PTE_P | perm;
153                 }
154         } else {
155                 for (i = 0; i < size; i += PGSIZE, la += PGSIZE, pa += PGSIZE) {
156                         pte = boot_pgdir_walk(pgdir, la, 1);
157                         if (*pte & PTE_PS)
158                                 // if we start using the extra flag for PAT, which we aren't,
159                                 // this will warn, since PTE_PS and PTE_PAT are the same....
160                                 warn("Possibly attempting to map a regular page into a Jumbo PDE");
161                         *pte = PTE_ADDR(pa) | PTE_P | perm;
162                 }
163         }
164 }
165
166 // Set up a two-level page table:
167 //    boot_pgdir is its linear (virtual) address of the root
168 //    boot_cr3 is the physical adresss of the root
169 // Then turn on paging.  Then effectively turn off segmentation.
170 // (i.e., the segment base addrs are set to zero).
171 // 
172 // This function only sets up the kernel part of the address space
173 // (ie. addresses >= ULIM).  The user part of the address space
174 // will be setup later.
175 //
176 // From UWLIM to ULIM, the user is allowed to read but not write.
177 // Above ULIM the user cannot read (or write). 
178 void
179 vm_init(void)
180 {
181 // TODO: do this
182         return;
183
184         pde_t* pgdir;
185         uint32_t cr0, edx;
186         size_t n;
187         bool pse;
188
189         pse = enable_pse();
190         if (pse)
191                 cprintf("PSE capability detected.\n");
192
193         // we paniced earlier if we don't support PGE.  turn it on now.
194         // it's used in boot_map_segment, which covers all of the mappings that are
195         // the same for all address spaces.  and also for the VPT mapping below.
196         lcr4(rcr4() | CR4_PGE);
197
198         // set up mtrr's for core0.  other cores will do the same later
199         // XXX this will break c89
200         setup_default_mtrrs(0);
201
202         /*
203          * PSE status: 
204          * - can walk and set up boot_map_segments with jumbos but can't
205          *   insert yet.  need to look at the page_dir and friends.
206          * - anything related to a single struct page still can't handle 
207          *   jumbos.  will need to think about and adjust Page functions
208          * - do we want to store info like this in the struct page?  or just check
209          *   by walking the PTE
210          * - when we alloc a page, and we want it to be 4MB, we'll need
211          *   to have contiguous memory, etc
212          * - there's a difference between having 4MB page table entries
213          *   and having 4MB Page tracking structs.  changing the latter will
214          *   break a lot of things
215          * - showmapping and friends work on a 4KB granularity, but map to the
216          *   correct entries
217          * - need to not insert / boot_map a single page into an area that is 
218          *   already holding a jumbo page.  will need to break the jumbo up so that
219          *   we can then insert the lone page.  currently warns.
220          * - some inherent issues with the pgdir_walks returning a PTE, and we
221          *   don't know whether it is a jumbo (PDE) or a regular PTE.
222          */
223
224         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
225         // create initial page directory.
226         pgdir = boot_alloc(PGSIZE, PGSIZE);
227         memset(pgdir, 0, PGSIZE);
228         boot_pgdir = pgdir;
229         boot_cr3 = PADDR(pgdir);
230         // helpful if you want to manually walk with kvm / bochs
231         //printk("pgdir va = %p, pgdir pa = %p\n\n", pgdir, PADDR(pgdir));
232
233         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
234         // Recursively insert PD in itself as a page table, to form
235         // a virtual page table at virtual address VPT.
236         // (For now, you don't have understand the greater purpose of the
237         // following two lines.  Unless you are eagle-eyed, in which case you
238         // should already know.)
239
240         // Permissions: kernel RW, user NONE, Global Page
241         pgdir[PDX(VPT)] = PADDR(pgdir) | PTE_W | PTE_P | PTE_G;
242
243         // same for UVPT
244         // Permissions: kernel R, user R, Global Page
245         pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(pgdir) | PTE_U | PTE_P | PTE_G;
246
247         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
248         // Map all of physical memory at KERNBASE. 
249         // Ie.  the VA range [KERNBASE, 2^32) should map to
250         //      the PA range [0, 2^32 - KERNBASE)
251         // We might not have 2^32 - KERNBASE bytes of physical memory, but
252         // we just set up the mapping anyway.
253         // Permissions: kernel RW, user NONE
254         // Your code goes here: 
255         
256         // this maps all of the possible phys memory
257         // note the use of unsigned underflow to get size = 0x40000000
258         //boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, -KERNBASE, 0, PTE_W);
259         // but this only maps what is available, and saves memory.  every 4MB of
260         // mapped memory requires a 2nd level page: 2^10 entries, each covering 2^12
261         // need to modify tests below to account for this
262         if (pse) {
263                 // map the first 4MB as regular entries, to support different MTRRs
264                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, JPGSIZE, 0, PTE_W | PTE_G);
265                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE + JPGSIZE, max_paddr - JPGSIZE, JPGSIZE,
266                                  PTE_W | PTE_G | PTE_PS);
267         } else
268                 boot_map_segment(pgdir, KERNBASE, max_paddr, 0, PTE_W | PTE_G);
269
270         // APIC mapping: using PAT (but not *the* PAT flag) to make these type UC
271         // IOAPIC
272         boot_map_segment(pgdir, IOAPIC_BASE, PGSIZE, IOAPIC_PBASE, 
273                          PTE_PCD | PTE_PWT | PTE_W | PTE_G);
274         // Local APIC
275         boot_map_segment(pgdir, LAPIC_BASE, PGSIZE, LAPIC_PBASE,
276                          PTE_PCD | PTE_PWT | PTE_W | PTE_G);
277
278         // Check that the initial page directory has been set up correctly.
279         check_boot_pgdir(pse);
280
281         //////////////////////////////////////////////////////////////////////
282         // On x86, segmentation maps a VA to a LA (linear addr) and
283         // paging maps the LA to a PA.  I.e. VA => LA => PA.  If paging is
284         // turned off the LA is used as the PA.  Note: there is no way to
285         // turn off segmentation.  The closest thing is to set the base
286         // address to 0, so the VA => LA mapping is the identity.
287
288         // Current mapping: VA KERNBASE+x => PA x.
289         //     (segmentation base=-KERNBASE and paging is off)
290
291         // From here on down we must maintain this VA KERNBASE + x => PA x
292         // mapping, even though we are turning on paging and reconfiguring
293         // segmentation.
294
295         // Map VA 0:4MB same as VA KERNBASE, i.e. to PA 0:4MB.
296         // (Limits our kernel to <4MB)
297         /* They mean linear address 0:4MB, and the kernel < 4MB is only until 
298          * segmentation is turned off.
299          * once we turn on paging, segmentation is still on, so references to
300          * KERNBASE+x will get mapped to linear address x, which we need to make 
301          * sure can map to phys addr x, until we can turn off segmentation and
302          * KERNBASE+x maps to LA KERNBASE+x, which maps to PA x, via paging
303          */
304         pgdir[0] = pgdir[PDX(KERNBASE)];
305
306         // Install page table.
307         lcr3(boot_cr3);
308
309         // Turn on paging.
310         cr0 = rcr0();
311         // CD and NW should already be on, but just in case these turn on caching
312         cr0 |= CR0_PE|CR0_PG|CR0_AM|CR0_WP|CR0_NE|CR0_MP;
313         cr0 &= ~(CR0_TS|CR0_EM|CR0_CD|CR0_NW);
314         lcr0(cr0);
315
316         // Current mapping: KERNBASE+x => x => x.
317         // (x < 4MB so uses paging pgdir[0])
318
319         // Reload all segment registers. 
320
321         /* Pending 64b rewrite */
322         //asm volatile("lgdt gdt_pd");
323         //asm volatile("movw %%ax,%%gs" :: "a" (GD_UD|3));
324         //asm volatile("movw %%ax,%%fs" :: "a" (GD_UD|3));
325         //asm volatile("movw %%ax,%%es" :: "a" (GD_KD));
326         //asm volatile("movw %%ax,%%ds" :: "a" (GD_KD));
327         //asm volatile("movw %%ax,%%ss" :: "a" (GD_KD));
328         //asm volatile("ljmp %0,$1f\n 1:\n" :: "i" (GD_KT));  // reload cs
329         //asm volatile("lldt %%ax" :: "a" (0));
330
331         // Final mapping: KERNBASE+x => KERNBASE+x => x.
332
333         // This mapping was only used after paging was turned on but
334         // before the segment registers were reloaded.
335         pgdir[0] = 0;
336
337         // Flush the TLB for good measure, to kill the pgdir[0] mapping.
338         tlb_flush_global();
339 }
340
341 //
342 // Checks that the kernel part of virtual address space
343 // has been setup roughly correctly(by i386_vm_init()).
344 //
345 // This function doesn't test every corner case,
346 // in fact it doesn't test the permission bits at all,
347 // but it is a pretty good sanity check. 
348 //
349 static physaddr_t check_va2pa(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) pgdir, uintptr_t va);
350
351 static void
352 check_boot_pgdir(bool pse)
353 {
354         unsigned long i, n;
355         pde_t *pgdir, pte;
356
357         pgdir = boot_pgdir;
358
359         // check phys mem
360         //for (i = 0; KERNBASE + i != 0; i += PGSIZE)
361         // adjusted check to account for only mapping avail mem
362         if (pse)
363                 for (i = 0; i < max_paddr; i += JPGSIZE)
364                         assert(check_va2pa(pgdir, KERNBASE + i) == i);
365         else
366                 for (i = 0; i < max_paddr; i += PGSIZE)
367                         assert(check_va2pa(pgdir, KERNBASE + i) == i);
368
369         // check for zero/non-zero in PDEs
370         for (i = 0; i < NPDENTRIES; i++) {
371                 switch (i) {
372                 /* XXX this old PDX shit is broken with 4 PMLs */
373                 //case PDX(VPT):
374                 //case PDX(UVPT):
375                 case PDX(LAPIC_BASE): // LAPIC mapping.  TODO: remove when MTRRs are up
376                         assert(pgdir[i]);
377                         break;
378                 default:
379                         //if (i >= PDX(KERNBASE))
380                         // adjusted check to account for only mapping avail mem
381                         // and you can't KADDR maxpa (just above legal range)
382                         // max_paddr can be up to maxpa, so assume the worst
383                         if (i >= PDX(KERNBASE) && i <= PDX(KADDR(max_paddr-1)))
384                                 assert(pgdir[i]);
385                         else
386                                 assert(pgdir[i] == 0);
387                         break;
388                 }
389         }
390
391         /* check permissions
392          * user read-only.  check for user and write, should be only user
393          * eagle-eyed viewers should be able to explain the extra cases.
394          * for the mongoose-eyed, remember that weird shit happens when you loop
395          * through UVPT.  Specifically, you can't loop once, then look at a jumbo
396          * page that is kernel only.  That's the end of the page table for you, so
397          * having a U on the entry doesn't make sense.  Thus we check for a jumbo
398          * page, and special case it.  This will happen at 0xbf701000.  Why is this
399          * magical?  Get your eagle glasses and figure it out. */
400         for (i = UWLIM; i < ULIM; i+=PGSIZE) {
401                 pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(i));
402                 if (pte & PTE_P) {
403                         if (i == UVPT+(VPT >> 10))
404                                 continue;
405                         if (*pgdir_walk(pgdir, (void*SAFE)TC(i), 0) & PTE_PS) {
406                                 assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
407                                 assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
408                         } else {
409                                 assert((pte & PTE_U) == PTE_U);
410                                 assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
411                         }
412                 }
413         }
414         // kernel read-write.
415         for (i = ULIM; i <= KERNBASE + max_paddr - PGSIZE; i+=PGSIZE) {
416                 pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(i));
417                 if ((pte & PTE_P) && (i != VPT+(UVPT>>10))) {
418                         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
419                         assert((pte & PTE_W) == PTE_W);
420                 }
421         }
422         // special mappings
423         pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(UVPT+(VPT>>10)));
424         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
425         assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
426
427         // note this means the kernel cannot directly manipulate this virtual address
428         // convince yourself this isn't a big deal, eagle-eyes!
429         pte = get_va_perms(pgdir, (void*SAFE)TC(VPT+(UVPT>>10)));
430         assert((pte & PTE_U) != PTE_U);
431         assert((pte & PTE_W) != PTE_W);
432
433         cprintf("check_boot_pgdir() succeeded!\n");
434 }
435
436 // This function returns the physical address of the page containing 'va',
437 // defined by the page directory 'pgdir'.  The hardware normally performs
438 // this functionality for us!  We define our own version to help check
439 // the check_boot_pgdir() function; it shouldn't be used elsewhere.
440
441 static physaddr_t
442 check_va2pa(pde_t *COUNT(NPDENTRIES) _pgdir, uintptr_t va)
443 {
444         pte_t *COUNT(NPTENTRIES) p;
445         pde_t *COUNT(1) pgdir;
446
447         pgdir = &_pgdir[PDX(va)];
448         if (!(*pgdir & PTE_P))
449                 return ~0;
450         if (*pgdir & PTE_PS)
451                 return PTE_ADDR(*pgdir);
452         p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES)) KADDR(PTE_ADDR(*pgdir));
453         if (!(p[PTX(va)] & PTE_P))
454                 return ~0;
455         return PTE_ADDR(p[PTX(va)]);
456 }
457
458 /* 
459  * Remove the second level page table associated with virtual address va.
460  * Will 0 out the PDE for that page table.
461  * Panics if the page table has any present entries.
462  * This should be called rarely and with good cause.
463  * Currently errors if the PDE is jumbo or not present.
464  */
465 error_t pagetable_remove(pde_t *pgdir, void *va)
466 {
467         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(va)];
468
469         if (!(*the_pde & PTE_P) || (*the_pde & PTE_PS))
470                 return -EFAULT;
471         pte_t* page_table = (pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde));
472         for (int i = 0; i < NPTENTRIES; i++) 
473                 if (page_table[i] & PTE_P)
474                         panic("Page table not empty during attempted removal!");
475         *the_pde = 0;
476         page_decref(pa2page(PADDR(page_table)));
477         return 0;
478 }
479
480 // Given 'pgdir', a pointer to a page directory, pgdir_walk returns
481 // a pointer to the page table entry (PTE) for linear address 'va'.
482 // This requires walking the two-level page table structure.
483 //
484 // If the relevant page table doesn't exist in the page directory, then:
485 //    - If create == 0, pgdir_walk returns NULL.
486 //    - Otherwise, pgdir_walk tries to allocate a new page table
487 //      with page_alloc.  If this fails, pgdir_walk returns NULL.
488 //    - Otherwise, pgdir_walk returns a pointer into the new page table.
489 //
490 // This is boot_pgdir_walk, but using page_alloc() instead of boot_alloc().
491 // Unlike boot_pgdir_walk, pgdir_walk can fail.
492 //
493 // Hint: you can turn a Page * into the physical address of the
494 // page it refers to with page2pa() from kern/pmap.h.
495 //
496 // Supports returning jumbo (4MB PSE) PTEs.  To create with a jumbo, pass in 2.
497 pte_t*
498 pgdir_walk(pde_t *pgdir, const void *SNT va, int create)
499 {
500         pde_t* the_pde = &pgdir[PDX(va)];
501         page_t *new_table;
502
503         if (*the_pde & PTE_P) {
504                 if (*the_pde & PTE_PS)
505                         return (pte_t*)the_pde;
506                 return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(va)];
507         }
508         if (!create)
509                 return NULL;
510         if (create == 2) {
511                 if (JPGOFF(va))
512                         panic("Attempting to find a Jumbo PTE at an unaligned VA!");
513                 *the_pde = PTE_PS | PTE_P;
514                 return (pte_t*)the_pde;
515         }
516         if (kpage_alloc(&new_table))
517                 return NULL;
518         memset(page2kva(new_table), 0, PGSIZE);
519         /* storing our ref to new_table in the PTE */
520         *the_pde = (pde_t)page2pa(new_table) | PTE_P | PTE_W | PTE_U;
521         return &((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(*the_pde)))[PTX(va)];
522 }
523
524 /* Returns the effective permissions for PTE_U, PTE_W, and PTE_P on a given
525  * virtual address.  Note we need to consider the composition of every PTE in
526  * the page table walk. */
527 int get_va_perms(pde_t *pgdir, const void *SNT va)
528 {
529         pde_t the_pde = pgdir[PDX(va)];
530         pte_t the_pte;
531
532         if (!(the_pde & PTE_P))
533                 return 0;
534         if (the_pde & PTE_PS)
535                 return the_pde & (PTE_U | PTE_W | PTE_P);
536         the_pte = ((pde_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(the_pde)))[PTX(va)];
537         if (!(the_pte & PTE_P))
538                 return 0;
539         return the_pte & the_pde & (PTE_U | PTE_W | PTE_P);
540 }
541
542 void
543 page_check(void)
544 {
545         page_t *pp, *pp0, *pp1, *pp2;
546         page_list_t fl[1024];
547         pte_t *ptep;
548
549         // should be able to allocate three pages
550         pp0 = pp1 = pp2 = 0;
551         assert(kpage_alloc(&pp0) == 0);
552         assert(kpage_alloc(&pp1) == 0);
553         assert(kpage_alloc(&pp2) == 0);
554
555         assert(pp0);
556         assert(pp1 && pp1 != pp0);
557         assert(pp2 && pp2 != pp1 && pp2 != pp0);
558
559         // temporarily steal the rest of the free pages
560         for(int i=0; i<llc_cache->num_colors; i++) {
561                 fl[i] = colored_page_free_list[i];
562                 LIST_INIT(&colored_page_free_list[i]);
563         }
564
565         // should be no free memory
566         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
567
568         // Fill pp1 with bogus data and check for invalid tlb entries
569         memset(page2kva(pp1), 0xFFFFFFFF, PGSIZE);
570
571         // there is no page allocated at address 0
572         assert(page_lookup(boot_pgdir, (void *) 0x0, &ptep) == NULL);
573
574         // there is no free memory, so we can't allocate a page table 
575         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, 0x0, 0) < 0);
576
577         // free pp0 and try again: pp0 should be used for page table
578         page_decref(pp0);
579         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, 0x0, 0) == 0);
580         tlb_invalidate(boot_pgdir, 0x0);
581         // DEP Should have shot down invalid TLB entry - let's check
582         { TRUSTEDBLOCK
583           int *x = 0x0;
584           assert(*x == 0xFFFFFFFF);
585         }
586         assert(PTE_ADDR(boot_pgdir[0]) == page2pa(pp0));
587         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == page2pa(pp1));
588         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 2);
589         assert(kref_refcnt(&pp0->pg_kref) == 1);
590
591         // should be able to map pp2 at PGSIZE because pp0 is already allocated for page table
592         assert(page_insert(boot_pgdir, pp2, (void*SNT) PGSIZE, 0) == 0);
593         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp2));
594         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 2);
595
596         // Make sure that pgdir_walk returns a pointer to the pte and
597         // not the table or some other garbage
598         {
599           pte_t *p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(boot_pgdir[PDX(PGSIZE)]));
600           assert(pgdir_walk(boot_pgdir, (void *SNT)PGSIZE, 0) == &p[PTX(PGSIZE)]);
601         }
602
603         // should be no free memory
604         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
605
606         // should be able to map pp2 at PGSIZE because it's already there
607         assert(page_insert(boot_pgdir, pp2, (void*SNT) PGSIZE, PTE_U) == 0);
608         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp2));
609         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 2);
610
611         // Make sure that we actually changed the permission on pp2 when we re-mapped it
612         {
613           pte_t *p = pgdir_walk(boot_pgdir, (void*SNT)PGSIZE, 0);
614           assert(((*p) & PTE_U) == PTE_U);
615         }
616
617         // pp2 should NOT be on the free list
618         // could happen if ref counts are handled sloppily in page_insert
619         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
620
621         // should not be able to map at PTSIZE because need free page for page table
622         assert(page_insert(boot_pgdir, pp0, (void*SNT) PTSIZE, 0) < 0);
623
624         // insert pp1 at PGSIZE (replacing pp2)
625         assert(page_insert(boot_pgdir, pp1, (void*SNT) PGSIZE, 0) == 0);
626
627         // should have pp1 at both 0 and PGSIZE, pp2 nowhere, ...
628         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0) == page2pa(pp1));
629         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp1));
630         // ... and ref counts should reflect this
631         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 3);
632         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
633
634         // pp2 should be returned by page_alloc
635         page_decref(pp2);       /* should free it */
636         assert(kpage_alloc(&pp) == 0 && pp == pp2);
637
638         // unmapping pp1 at 0 should keep pp1 at PGSIZE
639         page_remove(boot_pgdir, 0x0);
640         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == ~0);
641         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == page2pa(pp1));
642         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 2);
643         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
644
645         // unmapping pp1 at PGSIZE should free it
646         page_remove(boot_pgdir, (void*SNT) PGSIZE);
647         assert(check_va2pa(boot_pgdir, 0x0) == ~0);
648         assert(check_va2pa(boot_pgdir, PGSIZE) == ~0);
649         assert(kref_refcnt(&pp1->pg_kref) == 1);
650         assert(kref_refcnt(&pp2->pg_kref) == 1);
651         page_decref(pp1);
652
653         // so it should be returned by page_alloc
654         assert(kpage_alloc(&pp) == 0 && pp == pp1);
655
656         // should be no free memory
657         assert(kpage_alloc(&pp) == -ENOMEM);
658
659         // forcibly take pp0 back
660         assert(PTE_ADDR(boot_pgdir[0]) == page2pa(pp0));
661         boot_pgdir[0] = 0;
662         assert(kref_refcnt(&pp0->pg_kref) == 1);
663
664         // Catch invalid pointer addition in pgdir_walk - i.e. pgdir + PDX(va)
665         {
666           // Give back pp0 for a bit
667           page_decref(pp0);
668
669           void *SNT va = (void *SNT)((PGSIZE * NPDENTRIES) + PGSIZE);
670           pte_t *p2 = pgdir_walk(boot_pgdir, va, 1);
671           pte_t *p = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES))KADDR(PTE_ADDR(boot_pgdir[PDX(va)]));
672           assert(p2 == &p[PTX(va)]);
673
674           // Clean up again
675           boot_pgdir[PDX(va)] = 0;
676         }
677
678         // give free list back
679         for(int i=0; i<llc_cache->num_colors; i++)
680                 colored_page_free_list[i] = fl[i];
681
682         // free the pages we took
683         page_decref(pp0);
684         page_decref(pp1);
685         page_decref(pp2);
686         assert(!kref_refcnt(&pp0->pg_kref));
687         assert(!kref_refcnt(&pp1->pg_kref));
688         assert(!kref_refcnt(&pp2->pg_kref));
689
690         cprintf("page_check() succeeded!\n");
691 }
692
693 /* Walks len bytes from start, executing 'callback' on every PTE, passing it a
694  * specific VA and whatever arg is passed in.  Note, this cannot handle jumbo
695  * pages. */
696 int env_user_mem_walk(env_t* e, void* start, size_t len,
697                       mem_walk_callback_t callback, void* arg)
698 {
699         pte_t *pt;
700         uintptr_t pdeno, pteno;
701         physaddr_t pa;
702
703         assert((uintptr_t)start % PGSIZE == 0 && len % PGSIZE == 0);
704         void* end = (char*)start+len;
705         uintptr_t pdeno_start = PDX(start);
706         uintptr_t pdeno_end = PDX(ROUNDUP(end,PTSIZE));
707         /* concerned about overflow.  this should catch it for now, given the above
708          * assert. */
709         assert((len == 0) || (pdeno_start < pdeno_end));
710
711         for (pdeno = pdeno_start; pdeno < pdeno_end; pdeno++) {
712                 if (!(e->env_pgdir[pdeno] & PTE_P))
713                         continue;
714                 /* find the pa and a pointer to the page table */
715                 pa = PTE_ADDR(e->env_pgdir[pdeno]);
716                 pt = (pte_t*COUNT(NPTENTRIES)) KADDR(pa);
717                 /* figure out where we start and end within the page table */
718                 uintptr_t pteno_start = (pdeno == pdeno_start ? PTX(start) : 0);
719                 uintptr_t pteno_end = (pdeno == pdeno_end - 1 && PTX(end) != 0 ?
720                                       PTX(end) : NPTENTRIES );
721                 int ret;
722                 for (pteno = pteno_start; pteno < pteno_end; pteno++) {
723                         if (!PAGE_UNMAPPED(pt[pteno]))
724                                 if((ret = callback(e, &pt[pteno], PGADDR(pdeno, pteno, 0), arg)))
725                                         return ret;
726                 }
727         }
728         return 0;
729 }
730
731 /* Frees (decrefs) all pages of the process's page table, including the page
732  * directory.  Does not free the memory that is actually mapped. */
733 void env_pagetable_free(env_t* e)
734 {
735         static_assert(UVPT % PTSIZE == 0);
736         assert(e->env_cr3 != rcr3());
737         for(uint32_t pdeno = 0; pdeno < PDX(UVPT); pdeno++)
738         {
739                 // only look at mapped page tables
740                 if (!(e->env_pgdir[pdeno] & PTE_P))
741                         continue;
742
743                 // find the pa and va of the page table
744                 physaddr_t pa = PTE_ADDR(e->env_pgdir[pdeno]);
745
746                 // free the page table itself
747                 e->env_pgdir[pdeno] = 0;
748                 page_decref(pa2page(pa));
749         }
750
751         // free the page directory
752         physaddr_t pa = e->env_cr3;
753         e->env_cr3 = 0;
754         page_decref(pa2page(pa));
755         tlbflush();
756 }
757
758 /* 
759
760     // testing code for boot_pgdir_walk 
761         pte_t* temp;
762         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, VPT + (VPT >> 10), 1);
763         cprintf("pgdir = %p\n", pgdir);
764         cprintf("test recursive walking pte_t* = %p\n", temp);
765         cprintf("test recursive walking entry = %p\n", PTE_ADDR(temp));
766         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0400000, 1);
767         cprintf("LA = 0xc0400000 = %p\n", temp);
768         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0400070, 1);
769         cprintf("LA = 0xc0400070 = %p\n", temp);
770         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0800000, 0);
771         cprintf("LA = 0xc0800000, no create = %p\n", temp);
772         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0600070, 1);
773         cprintf("LA = 0xc0600070 = %p\n", temp);
774         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0600090, 0);
775         cprintf("LA = 0xc0600090, nc = %p\n", temp);
776         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0608070, 0);
777         cprintf("LA = 0xc0608070, nc = %p\n", temp);
778         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0800070, 1);
779         cprintf("LA = 0xc0800070 = %p\n", temp);
780         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0b00070, 0);
781         cprintf("LA = 0xc0b00070, nc = %p\n", temp);
782         temp = boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc0c00000, 0);
783         cprintf("LA = 0xc0c00000, nc = %p\n", temp);
784
785         // testing for boot_map_seg
786         cprintf("\n");
787         cprintf("before mapping 1 page to 0x00350000\n");
788         cprintf("0xc4000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1));
789         cprintf("0xc4000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1)));
790         boot_map_segment(pgdir, 0xc4000000, 4096, 0x00350000, PTE_W);
791         cprintf("after mapping\n");
792         cprintf("0xc4000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1));
793         cprintf("0xc4000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc4000000, 1)));
794
795         cprintf("\n");
796         cprintf("before mapping 3 pages to 0x00700000\n");
797         cprintf("0xd0000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1));
798         cprintf("0xd0000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1)));
799         cprintf("0xd0001000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1));
800         cprintf("0xd0001000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1)));
801         cprintf("0xd0002000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1));
802         cprintf("0xd0002000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1)));
803         boot_map_segment(pgdir, 0xd0000000, 4096*3, 0x00700000, 0);
804         cprintf("after mapping\n");
805         cprintf("0xd0000000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1));
806         cprintf("0xd0000000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0000000, 1)));
807         cprintf("0xd0001000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1));
808         cprintf("0xd0001000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0001000, 1)));
809         cprintf("0xd0002000's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1));
810         cprintf("0xd0002000's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xd0002000, 1)));
811
812         cprintf("\n");
813         cprintf("before mapping 1 unaligned to 0x00500010\n");
814         cprintf("0xc8000010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1));
815         cprintf("0xc8000010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1)));
816         cprintf("0xc8001010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1));
817         cprintf("0xc8001010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1)));
818         boot_map_segment(pgdir, 0xc8000010, 4096, 0x00500010, PTE_W);
819         cprintf("after mapping\n");
820         cprintf("0xc8000010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1));
821         cprintf("0xc8000010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8000010, 1)));
822         cprintf("0xc8001010's &pte: %08x\n",boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1));
823         cprintf("0xc8001010's pte: %08x\n",*(boot_pgdir_walk(pgdir, 0xc8001010, 1)));
824
825         cprintf("\n");
826         boot_map_segment(pgdir, 0xe0000000, 4096, 0x10000000, PTE_W);
827
828 */