usr.sbin/bhyve/mem.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012 NetApp, Inc.
   5  * All rights reserved.
   6  *
   7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  * modification, are permitted provided that the following conditions
   9  * are met:
  10  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  12  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  14  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  15  *
  16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY NETAPP, INC ``AS IS'' AND
  17  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  18  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  19  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL NETAPP, INC OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  20  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  21  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  22  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  23  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  24  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  25  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  26  * SUCH DAMAGE.
  27  *
  28  * $FreeBSD$
  29  */
  30
  31 /*
  32  * Memory ranges are represented with an RB tree. On insertion, the range
  33  * is checked for overlaps. On lookup, the key has the same base and limit
  34  * so it can be searched within the range.
  35  */
  36
  37 #include <sys/cdefs.h>
  38 __FBSDID("$FreeBSD$");
  39
  40 #include <sys/types.h>
  41 #include <sys/errno.h>
  42 #include <sys/tree.h>
  43 #include <machine/vmm.h>
  44 #include <machine/vmm_instruction_emul.h>
  45
  46 #include <assert.h>
  47 #include <err.h>
  48 #include <pthread.h>
  49 #include <stdio.h>
  50 #include <stdlib.h>
  51
  52 #include "mem.h"
  53
  54 struct mmio_rb_range {
  55         RB_ENTRY(mmio_rb_range) mr_link;        /* RB tree links */
  56         struct mem_range        mr_param;
  57         uint64_t                mr_base;
  58         uint64_t                mr_end;
  59 };
  60
  61 struct mmio_rb_tree;
  62 RB_PROTOTYPE(mmio_rb_tree, mmio_rb_range, mr_link, mmio_rb_range_compare);
  63
  64 RB_HEAD(mmio_rb_tree, mmio_rb_range) mmio_rb_root, mmio_rb_fallback;
  65
  66 /*
  67  * Per-vCPU cache. Since most accesses from a vCPU will be to
  68  * consecutive addresses in a range, it makes sense to cache the
  69  * result of a lookup.
  70  */
  71 static struct mmio_rb_range     *mmio_hint[VM_MAXCPU];
  72
  73 static pthread_rwlock_t mmio_rwlock;
  74
  75 static int
  76 mmio_rb_range_compare(struct mmio_rb_range *a, struct mmio_rb_range *b)
  77 {
  78         if (a->mr_end < b->mr_base)
  79                 return (-1);
  80         else if (a->mr_base > b->mr_end)
  81                 return (1);
  82         return (0);
  83 }
  84
  85 static int
  86 mmio_rb_lookup(struct mmio_rb_tree *rbt, uint64_t addr,
  87     struct mmio_rb_range **entry)
  88 {
  89         struct mmio_rb_range find, *res;
  90
  91         find.mr_base = find.mr_end = addr;
  92
  93         res = RB_FIND(mmio_rb_tree, rbt, &find);
  94
  95         if (res != NULL) {
  96                 *entry = res;
  97                 return (0);
  98         }
  99
 100         return (ENOENT);
 101 }
 102
 103 static int
 104 mmio_rb_add(struct mmio_rb_tree *rbt, struct mmio_rb_range *new)
 105 {
 106         struct mmio_rb_range *overlap;
 107
 108         overlap = RB_INSERT(mmio_rb_tree, rbt, new);
 109
 110         if (overlap != NULL) {
 111 #ifdef RB_DEBUG
 112                 printf("overlap detected: new %lx:%lx, tree %lx:%lx\n",
 113                        new->mr_base, new->mr_end,
 114                        overlap->mr_base, overlap->mr_end);
 115 #endif
 116
 117                 return (EEXIST);
 118         }
 119
 120         return (0);
 121 }
 122
 123 #if 0
 124 static void
 125 mmio_rb_dump(struct mmio_rb_tree *rbt)
 126 {
 127         int perror;
 128         struct mmio_rb_range *np;
 129
 130         pthread_rwlock_rdlock(&mmio_rwlock);
 131         RB_FOREACH(np, mmio_rb_tree, rbt) {
 132                 printf(" %lx:%lx, %s\n", np->mr_base, np->mr_end,
 133                        np->mr_param.name);
 134         }
 135         perror = pthread_rwlock_unlock(&mmio_rwlock);
 136         assert(perror == 0);
 137 }
 138 #endif
 139
 140 RB_GENERATE(mmio_rb_tree, mmio_rb_range, mr_link, mmio_rb_range_compare);
 141
 142 typedef int (mem_cb_t)(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t gpa,
 143     struct mem_range *mr, void *arg);
 144
 145 static int
 146 mem_read(void *ctx, int vcpu, uint64_t gpa, uint64_t *rval, int size, void *arg)
 147 {
 148         int error;
 149         struct mem_range *mr = arg;
 150
 151         error = (*mr->handler)(ctx, vcpu, MEM_F_READ, gpa, size,
 152                                rval, mr->arg1, mr->arg2);
 153         return (error);
 154 }
 155
 156 static int
 157 mem_write(void *ctx, int vcpu, uint64_t gpa, uint64_t wval, int size, void *arg)
 158 {
 159         int error;
 160         struct mem_range *mr = arg;
 161
 162         error = (*mr->handler)(ctx, vcpu, MEM_F_WRITE, gpa, size,
 163                                &wval, mr->arg1, mr->arg2);
 164         return (error);
 165 }
 166
 167 static int
 168 access_memory(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t paddr, mem_cb_t *cb,
 169     void *arg)
 170 {
 171         struct mmio_rb_range *entry;
 172         int err, perror, immutable;
 173
 174         pthread_rwlock_rdlock(&mmio_rwlock);
 175         /*
 176          * First check the per-vCPU cache
 177          */
 178         if (mmio_hint[vcpu] &&
 179             paddr >= mmio_hint[vcpu]->mr_base &&
 180             paddr <= mmio_hint[vcpu]->mr_end) {
 181                 entry = mmio_hint[vcpu];
 182         } else
 183                 entry = NULL;
 184
 185         if (entry == NULL) {
 186                 if (mmio_rb_lookup(&mmio_rb_root, paddr, &entry) == 0) {
 187                         /* Update the per-vCPU cache */
 188                         mmio_hint[vcpu] = entry;
 189                 } else if (mmio_rb_lookup(&mmio_rb_fallback, paddr, &entry)) {
 190                         perror = pthread_rwlock_unlock(&mmio_rwlock);
 191                         assert(perror == 0);
 192                         return (ESRCH);
 193                 }
 194         }
 195
 196         assert(entry != NULL);
 197
 198         /*
 199          * An 'immutable' memory range is guaranteed to be never removed
 200          * so there is no need to hold 'mmio_rwlock' while calling the
 201          * handler.
 202          *
 203          * XXX writes to the PCIR_COMMAND register can cause register_mem()
 204          * to be called. If the guest is using PCI extended config space
 205          * to modify the PCIR_COMMAND register then register_mem() can
 206          * deadlock on 'mmio_rwlock'. However by registering the extended
 207          * config space window as 'immutable' the deadlock can be avoided.
 208          */
 209         immutable = (entry->mr_param.flags & MEM_F_IMMUTABLE);
 210         if (immutable) {
 211                 perror = pthread_rwlock_unlock(&mmio_rwlock);
 212                 assert(perror == 0);
 213         }
 214
 215         err = cb(ctx, vcpu, paddr, &entry->mr_param, arg);
 216
 217         if (!immutable) {
 218                 perror = pthread_rwlock_unlock(&mmio_rwlock);
 219                 assert(perror == 0);
 220         }
 221
 222
 223         return (err);
 224 }
 225
 226 struct emulate_mem_args {
 227         struct vie *vie;
 228         struct vm_guest_paging *paging;
 229 };
 230
 231 static int
 232 emulate_mem_cb(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t paddr, struct mem_range *mr,
 233     void *arg)
 234 {
 235         struct emulate_mem_args *ema;
 236
 237         ema = arg;
 238         return (vmm_emulate_instruction(ctx, vcpu, paddr, ema->vie, ema->paging,
 239             mem_read, mem_write, mr));
 240 }
 241
 242 int
 243 emulate_mem(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t paddr, struct vie *vie,
 244     struct vm_guest_paging *paging)
 245
 246 {
 247         struct emulate_mem_args ema;
 248
 249         ema.vie = vie;
 250         ema.paging = paging;
 251         return (access_memory(ctx, vcpu, paddr, emulate_mem_cb, &ema));
 252 }
 253
 254 struct rw_mem_args {
 255         uint64_t *val;
 256         int size;
 257         int operation;
 258 };
 259
 260 static int
 261 rw_mem_cb(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t paddr, struct mem_range *mr,
 262     void *arg)
 263 {
 264         struct rw_mem_args *rma;
 265
 266         rma = arg;
 267         return (mr->handler(ctx, vcpu, rma->operation, paddr, rma->size,
 268             rma->val, mr->arg1, mr->arg2));
 269 }
 270
 271 int
 272 read_mem(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t gpa, uint64_t *rval, int size)
 273 {
 274         struct rw_mem_args rma;
 275
 276         rma.val = rval;
 277         rma.size = size;
 278         rma.operation = MEM_F_READ;
 279         return (access_memory(ctx, vcpu, gpa, rw_mem_cb, &rma));
 280 }
 281
 282 int
 283 write_mem(struct vmctx *ctx, int vcpu, uint64_t gpa, uint64_t wval, int size)
 284 {
 285         struct rw_mem_args rma;
 286
 287         rma.val = &wval;
 288         rma.size = size;
 289         rma.operation = MEM_F_WRITE;
 290         return (access_memory(ctx, vcpu, gpa, rw_mem_cb, &rma));
 291 }
 292
 293 static int
 294 register_mem_int(struct mmio_rb_tree *rbt, struct mem_range *memp)
 295 {
 296         struct mmio_rb_range *entry, *mrp;
 297         int err, perror;
 298
 299         err = 0;
 300
 301         mrp = malloc(sizeof(struct mmio_rb_range));
 302         if (mrp == NULL) {
 303                 warn("%s: couldn't allocate memory for mrp\n",
 304                      __func__);
 305                 err = ENOMEM;
 306         } else {
 307                 mrp->mr_param = *memp;
 308                 mrp->mr_base = memp->base;
 309                 mrp->mr_end = memp->base + memp->size - 1;
 310                 pthread_rwlock_wrlock(&mmio_rwlock);
 311                 if (mmio_rb_lookup(rbt, memp->base, &entry) != 0)
 312                         err = mmio_rb_add(rbt, mrp);
 313                 perror = pthread_rwlock_unlock(&mmio_rwlock);
 314                 assert(perror == 0);
 315                 if (err)
 316                         free(mrp);
 317         }
 318
 319         return (err);
 320 }
 321
 322 int
 323 register_mem(struct mem_range *memp)
 324 {
 325
 326         return (register_mem_int(&mmio_rb_root, memp));
 327 }
 328
 329 int
 330 register_mem_fallback(struct mem_range *memp)
 331 {
 332
 333         return (register_mem_int(&mmio_rb_fallback, memp));
 334 }
 335
 336 int
 337 unregister_mem(struct mem_range *memp)
 338 {
 339         struct mem_range *mr;
 340         struct mmio_rb_range *entry = NULL;
 341         int err, perror, i;
 342
 343         pthread_rwlock_wrlock(&mmio_rwlock);
 344         err = mmio_rb_lookup(&mmio_rb_root, memp->base, &entry);
 345         if (err == 0) {
 346                 mr = &entry->mr_param;
 347                 assert(mr->name == memp->name);
 348                 assert(mr->base == memp->base && mr->size == memp->size);
 349                 assert((mr->flags & MEM_F_IMMUTABLE) == 0);
 350                 RB_REMOVE(mmio_rb_tree, &mmio_rb_root, entry);
 351
 352                 /* flush Per-vCPU cache */
 353                 for (i=0; i < VM_MAXCPU; i++) {
 354                         if (mmio_hint[i] == entry)
 355                                 mmio_hint[i] = NULL;
 356                 }
 357         }
 358         perror = pthread_rwlock_unlock(&mmio_rwlock);
 359         assert(perror == 0);
 360
 361         if (entry)
 362                 free(entry);
 363
 364         return (err);
 365 }
 366
 367 void
 368 init_mem(void)
 369 {
 370
 371         RB_INIT(&mmio_rb_root);
 372         RB_INIT(&mmio_rb_fallback);
 373         pthread_rwlock_init(&mmio_rwlock, NULL);
 374 }