usr.sbin/bhyve/virtio.h

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c) 2013  Chris Torek <torek @ torek net>
   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 THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``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 THE AUTHOR 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 #ifndef _VIRTIO_H_
  32 #define _VIRTIO_H_
  33
  34 /*
  35  * These are derived from several virtio specifications.
  36  *
  37  * Some useful links:
  38  *    https://github.com/rustyrussell/virtio-spec
  39  *    http://people.redhat.com/pbonzini/virtio-spec.pdf
  40  */
  41
  42 /*
  43  * A virtual device has zero or more "virtual queues" (virtqueue).
  44  * Each virtqueue uses at least two 4096-byte pages, laid out thus:
  45  *
  46  *      +-----------------------------------------------+
  47  *      |    "desc":  <N> descriptors, 16 bytes each    |
  48  *      |   -----------------------------------------   |
  49  *      |   "avail":   2 uint16; <N> uint16; 1 uint16   |
  50  *      |   -----------------------------------------   |
  51  *      |              pad to 4k boundary               |
  52  *      +-----------------------------------------------+
  53  *      |   "used": 2 x uint16; <N> elems; 1 uint16     |
  54  *      |   -----------------------------------------   |
  55  *      |              pad to 4k boundary               |
  56  *      +-----------------------------------------------+
  57  *
  58  * The number <N> that appears here is always a power of two and is
  59  * limited to no more than 32768 (as it must fit in a 16-bit field).
  60  * If <N> is sufficiently large, the above will occupy more than
  61  * two pages.  In any case, all pages must be physically contiguous
  62  * within the guest's physical address space.
  63  *
  64  * The <N> 16-byte "desc" descriptors consist of a 64-bit guest
  65  * physical address <addr>, a 32-bit length <len>, a 16-bit
  66  * <flags>, and a 16-bit <next> field (all in guest byte order).
  67  *
  68  * There are three flags that may be set :
  69  *      NEXT    descriptor is chained, so use its "next" field
  70  *      WRITE   descriptor is for host to write into guest RAM
  71  *              (else host is to read from guest RAM)
  72  *      INDIRECT   descriptor address field is (guest physical)
  73  *              address of a linear array of descriptors
  74  *
  75  * Unless INDIRECT is set, <len> is the number of bytes that may
  76  * be read/written from guest physical address <addr>.  If
  77  * INDIRECT is set, WRITE is ignored and <len> provides the length
  78  * of the indirect descriptors (and <len> must be a multiple of
  79  * 16).  Note that NEXT may still be set in the main descriptor
  80  * pointing to the indirect, and should be set in each indirect
  81  * descriptor that uses the next descriptor (these should generally
  82  * be numbered sequentially).  However, INDIRECT must not be set
  83  * in the indirect descriptors.  Upon reaching an indirect descriptor
  84  * without a NEXT bit, control returns to the direct descriptors.
  85  *
  86  * Except inside an indirect, each <next> value must be in the
  87  * range [0 .. N) (i.e., the half-open interval).  (Inside an
  88  * indirect, each <next> must be in the range [0 .. <len>/16).)
  89  *
  90  * The "avail" data structures reside in the same pages as the
  91  * "desc" structures since both together are used by the device to
  92  * pass information to the hypervisor's virtual driver.  These
  93  * begin with a 16-bit <flags> field and 16-bit index <idx>, then
  94  * have <N> 16-bit <ring> values, followed by one final 16-bit
  95  * field <used_event>.  The <N> <ring> entries are simply indices
  96  * indices into the descriptor ring (and thus must meet the same
  97  * constraints as each <next> value).  However, <idx> is counted
  98  * up from 0 (initially) and simply wraps around after 65535; it
  99  * is taken mod <N> to find the next available entry.
 100  *
 101  * The "used" ring occupies a separate page or pages, and contains
 102  * values written from the virtual driver back to the guest OS.
 103  * This begins with a 16-bit <flags> and 16-bit <idx>, then there
 104  * are <N> "vring_used" elements, followed by a 16-bit <avail_event>.
 105  * The <N> "vring_used" elements consist of a 32-bit <id> and a
 106  * 32-bit <len> (vu_tlen below).  The <id> is simply the index of
 107  * the head of a descriptor chain the guest made available
 108  * earlier, and the <len> is the number of bytes actually written,
 109  * e.g., in the case of a network driver that provided a large
 110  * receive buffer but received only a small amount of data.
 111  *
 112  * The two event fields, <used_event> and <avail_event>, in the
 113  * avail and used rings (respectively -- note the reversal!), are
 114  * always provided, but are used only if the virtual device
 115  * negotiates the VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX feature during feature
 116  * negotiation.  Similarly, both rings provide a flag --
 117  * VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT and VRING_USED_F_NO_NOTIFY -- in
 118  * their <flags> field, indicating that the guest does not need an
 119  * interrupt, or that the hypervisor driver does not need a
 120  * notify, when descriptors are added to the corresponding ring.
 121  * (These are provided only for interrupt optimization and need
 122  * not be implemented.)
 123  */
 124 #define VRING_ALIGN     4096
 125
 126 #define VRING_DESC_F_NEXT       (1 << 0)
 127 #define VRING_DESC_F_WRITE      (1 << 1)
 128 #define VRING_DESC_F_INDIRECT   (1 << 2)
 129
 130 struct virtio_desc {                    /* AKA vring_desc */
 131         uint64_t        vd_addr;        /* guest physical address */
 132         uint32_t        vd_len;         /* length of scatter/gather seg */
 133         uint16_t        vd_flags;       /* VRING_F_DESC_* */
 134         uint16_t        vd_next;        /* next desc if F_NEXT */
 135 } __packed;
 136
 137 struct virtio_used {                    /* AKA vring_used_elem */
 138         uint32_t        vu_idx;         /* head of used descriptor chain */
 139         uint32_t        vu_tlen;        /* length written-to */
 140 } __packed;
 141
 142 #define VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT   1
 143
 144 struct vring_avail {
 145         uint16_t        va_flags;       /* VRING_AVAIL_F_* */
 146         uint16_t        va_idx;         /* counts to 65535, then cycles */
 147         uint16_t        va_ring[];      /* size N, reported in QNUM value */
 148 /*      uint16_t        va_used_event;  -- after N ring entries */
 149 } __packed;
 150
 151 #define VRING_USED_F_NO_NOTIFY          1
 152 struct vring_used {
 153         uint16_t        vu_flags;       /* VRING_USED_F_* */
 154         uint16_t        vu_idx;         /* counts to 65535, then cycles */
 155         struct virtio_used vu_ring[];   /* size N */
 156 /*      uint16_t        vu_avail_event; -- after N ring entries */
 157 } __packed;
 158
 159 /*
 160  * The address of any given virtual queue is determined by a single
 161  * Page Frame Number register.  The guest writes the PFN into the
 162  * PCI config space.  However, a device that has two or more
 163  * virtqueues can have a different PFN, and size, for each queue.
 164  * The number of queues is determinable via the PCI config space
 165  * VTCFG_R_QSEL register.  Writes to QSEL select the queue: 0 means
 166  * queue #0, 1 means queue#1, etc.  Once a queue is selected, the
 167  * remaining PFN and QNUM registers refer to that queue.
 168  *
 169  * QNUM is a read-only register containing a nonzero power of two
 170  * that indicates the (hypervisor's) queue size.  Or, if reading it
 171  * produces zero, the hypervisor does not have a corresponding
 172  * queue.  (The number of possible queues depends on the virtual
 173  * device.  The block device has just one; the network device
 174  * provides either two -- 0 = receive, 1 = transmit -- or three,
 175  * with 2 = control.)
 176  *
 177  * PFN is a read/write register giving the physical page address of
 178  * the virtqueue in guest memory (the guest must allocate enough space
 179  * based on the hypervisor's provided QNUM).
 180  *
 181  * QNOTIFY is effectively write-only: when the guest writes a queue
 182  * number to the register, the hypervisor should scan the specified
 183  * virtqueue. (Reading QNOTIFY currently always gets 0).
 184  */
 185
 186 /*
 187  * PFN register shift amount
 188  */
 189 #define VRING_PFN               12
 190
 191 /*
 192  * Virtio device types
 193  *
 194  * XXX Should really be merged with <dev/virtio/virtio.h> defines
 195  */
 196 #define VIRTIO_TYPE_NET         1
 197 #define VIRTIO_TYPE_BLOCK       2
 198 #define VIRTIO_TYPE_CONSOLE     3
 199 #define VIRTIO_TYPE_ENTROPY     4
 200 #define VIRTIO_TYPE_BALLOON     5
 201 #define VIRTIO_TYPE_IOMEMORY    6
 202 #define VIRTIO_TYPE_RPMSG       7
 203 #define VIRTIO_TYPE_SCSI        8
 204 #define VIRTIO_TYPE_9P          9
 205
 206 /* experimental IDs start at 65535 and work down */
 207
 208 /*
 209  * PCI vendor/device IDs
 210  */
 211 #define VIRTIO_VENDOR           0x1AF4
 212 #define VIRTIO_DEV_NET          0x1000
 213 #define VIRTIO_DEV_BLOCK        0x1001
 214 #define VIRTIO_DEV_RANDOM       0x1005
 215 #define VIRTIO_DEV_CONSOLE      0x1003
 216
 217 /*
 218  * PCI config space constants.
 219  *
 220  * If MSI-X is enabled, the ISR register is generally not used,
 221  * and the configuration vector and queue vector appear at offsets
 222  * 20 and 22 with the remaining configuration registers at 24.
 223  * If MSI-X is not enabled, those two registers disappear and
 224  * the remaining configuration registers start at offset 20.
 225  */
 226 #define VTCFG_R_HOSTCAP         0
 227 #define VTCFG_R_GUESTCAP        4
 228 #define VTCFG_R_PFN             8
 229 #define VTCFG_R_QNUM            12
 230 #define VTCFG_R_QSEL            14
 231 #define VTCFG_R_QNOTIFY         16
 232 #define VTCFG_R_STATUS          18
 233 #define VTCFG_R_ISR             19
 234 #define VTCFG_R_CFGVEC          20
 235 #define VTCFG_R_QVEC            22
 236 #define VTCFG_R_CFG0            20      /* No MSI-X */
 237 #define VTCFG_R_CFG1            24      /* With MSI-X */
 238 #define VTCFG_R_MSIX            20
 239
 240 /*
 241  * Bits in VTCFG_R_STATUS.  Guests need not actually set any of these,
 242  * but a guest writing 0 to this register means "please reset".
 243  */
 244 #define VTCFG_STATUS_ACK        0x01    /* guest OS has acknowledged dev */
 245 #define VTCFG_STATUS_DRIVER     0x02    /* guest OS driver is loaded */
 246 #define VTCFG_STATUS_DRIVER_OK  0x04    /* guest OS driver ready */
 247 #define VTCFG_STATUS_FAILED     0x80    /* guest has given up on this dev */
 248
 249 /*
 250  * Bits in VTCFG_R_ISR.  These apply only if not using MSI-X.
 251  *
 252  * (We don't [yet?] ever use CONF_CHANGED.)
 253  */
 254 #define VTCFG_ISR_QUEUES        0x01    /* re-scan queues */
 255 #define VTCFG_ISR_CONF_CHANGED  0x80    /* configuration changed */
 256
 257 #define VIRTIO_MSI_NO_VECTOR    0xFFFF
 258
 259 /*
 260  * Feature flags.
 261  * Note: bits 0 through 23 are reserved to each device type.
 262  */
 263 #define VIRTIO_F_NOTIFY_ON_EMPTY        (1 << 24)
 264 #define VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC     (1 << 28)
 265 #define VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX         (1 << 29)
 266
 267 /* From section 2.3, "Virtqueue Configuration", of the virtio specification */
 268 static inline size_t
 269 vring_size(u_int qsz)
 270 {
 271         size_t size;
 272
 273         /* constant 3 below = va_flags, va_idx, va_used_event */
 274         size = sizeof(struct virtio_desc) * qsz + sizeof(uint16_t) * (3 + qsz);
 275         size = roundup2(size, VRING_ALIGN);
 276
 277         /* constant 3 below = vu_flags, vu_idx, vu_avail_event */
 278         size += sizeof(uint16_t) * 3 + sizeof(struct virtio_used) * qsz;
 279         size = roundup2(size, VRING_ALIGN);
 280
 281         return (size);
 282 }
 283
 284 struct vmctx;
 285 struct pci_devinst;
 286 struct vqueue_info;
 287
 288 /*
 289  * A virtual device, with some number (possibly 0) of virtual
 290  * queues and some size (possibly 0) of configuration-space
 291  * registers private to the device.  The virtio_softc should come
 292  * at the front of each "derived class", so that a pointer to the
 293  * virtio_softc is also a pointer to the more specific, derived-
 294  * from-virtio driver's softc.
 295  *
 296  * Note: inside each hypervisor virtio driver, changes to these
 297  * data structures must be locked against other threads, if any.
 298  * Except for PCI config space register read/write, we assume each
 299  * driver does the required locking, but we need a pointer to the
 300  * lock (if there is one) for PCI config space read/write ops.
 301  *
 302  * When the guest reads or writes the device's config space, the
 303  * generic layer checks for operations on the special registers
 304  * described above.  If the offset of the register(s) being read
 305  * or written is past the CFG area (CFG0 or CFG1), the request is
 306  * passed on to the virtual device, after subtracting off the
 307  * generic-layer size.  (So, drivers can just use the offset as
 308  * an offset into "struct config", for instance.)
 309  *
 310  * (The virtio layer also makes sure that the read or write is to/
 311  * from a "good" config offset, hence vc_cfgsize, and on BAR #0.
 312  * However, the driver must verify the read or write size and offset
 313  * and that no one is writing a readonly register.)
 314  *
 315  * The BROKED flag ("this thing done gone and broked") is for future
 316  * use.
 317  */
 318 #define VIRTIO_USE_MSIX         0x01
 319 #define VIRTIO_EVENT_IDX        0x02    /* use the event-index values */
 320 #define VIRTIO_BROKED           0x08    /* ??? */
 321
 322 struct virtio_softc {
 323         struct virtio_consts *vs_vc;    /* constants (see below) */
 324         int     vs_flags;               /* VIRTIO_* flags from above */
 325         pthread_mutex_t *vs_mtx;        /* POSIX mutex, if any */
 326         struct pci_devinst *vs_pi;      /* PCI device instance */
 327         uint32_t vs_negotiated_caps;    /* negotiated capabilities */
 328         struct vqueue_info *vs_queues;  /* one per vc_nvq */
 329         int     vs_curq;                /* current queue */
 330         uint8_t vs_status;              /* value from last status write */
 331         uint8_t vs_isr;                 /* ISR flags, if not MSI-X */
 332         uint16_t vs_msix_cfg_idx;       /* MSI-X vector for config event */
 333 };
 334
 335 #define VS_LOCK(vs)                                                     \
 336 do {                                                                    \
 337         if (vs->vs_mtx)                                                 \
 338                 pthread_mutex_lock(vs->vs_mtx);                         \
 339 } while (0)
 340
 341 #define VS_UNLOCK(vs)                                                   \
 342 do {                                                                    \
 343         if (vs->vs_mtx)                                                 \
 344                 pthread_mutex_unlock(vs->vs_mtx);                       \
 345 } while (0)
 346
 347 struct virtio_consts {
 348         const char *vc_name;            /* name of driver (for diagnostics) */
 349         int     vc_nvq;                 /* number of virtual queues */
 350         size_t  vc_cfgsize;             /* size of dev-specific config regs */
 351         void    (*vc_reset)(void *);    /* called on virtual device reset */
 352         void    (*vc_qnotify)(void *, struct vqueue_info *);
 353                                         /* called on QNOTIFY if no VQ notify */
 354         int     (*vc_cfgread)(void *, int, int, uint32_t *);
 355                                         /* called to read config regs */
 356         int     (*vc_cfgwrite)(void *, int, int, uint32_t);
 357                                         /* called to write config regs */
 358         void    (*vc_apply_features)(void *, uint64_t);
 359                                 /* called to apply negotiated features */
 360         uint64_t vc_hv_caps;            /* hypervisor-provided capabilities */
 361 };
 362
 363 /*
 364  * Data structure allocated (statically) per virtual queue.
 365  *
 366  * Drivers may change vq_qsize after a reset.  When the guest OS
 367  * requests a device reset, the hypervisor first calls
 368  * vs->vs_vc->vc_reset(); then the data structure below is
 369  * reinitialized (for each virtqueue: vs->vs_vc->vc_nvq).
 370  *
 371  * The remaining fields should only be fussed-with by the generic
 372  * code.
 373  *
 374  * Note: the addresses of vq_desc, vq_avail, and vq_used are all
 375  * computable from each other, but it's a lot simpler if we just
 376  * keep a pointer to each one.  The event indices are similarly
 377  * (but more easily) computable, and this time we'll compute them:
 378  * they're just XX_ring[N].
 379  */
 380 #define VQ_ALLOC        0x01    /* set once we have a pfn */
 381 #define VQ_BROKED       0x02    /* ??? */
 382 struct vqueue_info {
 383         uint16_t vq_qsize;      /* size of this queue (a power of 2) */
 384         void    (*vq_notify)(void *, struct vqueue_info *);
 385                                 /* called instead of vc_notify, if not NULL */
 386
 387         struct virtio_softc *vq_vs;     /* backpointer to softc */
 388         uint16_t vq_num;        /* we're the num'th queue in the softc */
 389
 390         uint16_t vq_flags;      /* flags (see above) */
 391         uint16_t vq_last_avail; /* a recent value of vq_avail->va_idx */
 392         uint16_t vq_save_used;  /* saved vq_used->vu_idx; see vq_endchains */
 393         uint16_t vq_msix_idx;   /* MSI-X index, or VIRTIO_MSI_NO_VECTOR */
 394
 395         uint32_t vq_pfn;        /* PFN of virt queue (not shifted!) */
 396
 397         volatile struct virtio_desc *vq_desc;   /* descriptor array */
 398         volatile struct vring_avail *vq_avail;  /* the "avail" ring */
 399         volatile struct vring_used *vq_used;    /* the "used" ring */
 400
 401 };
 402 /* as noted above, these are sort of backwards, name-wise */
 403 #define VQ_AVAIL_EVENT_IDX(vq) \
 404         (*(volatile uint16_t *)&(vq)->vq_used->vu_ring[(vq)->vq_qsize])
 405 #define VQ_USED_EVENT_IDX(vq) \
 406         ((vq)->vq_avail->va_ring[(vq)->vq_qsize])
 407
 408 /*
 409  * Is this ring ready for I/O?
 410  */
 411 static inline int
 412 vq_ring_ready(struct vqueue_info *vq)
 413 {
 414
 415         return (vq->vq_flags & VQ_ALLOC);
 416 }
 417
 418 /*
 419  * Are there "available" descriptors?  (This does not count
 420  * how many, just returns True if there are some.)
 421  */
 422 static inline int
 423 vq_has_descs(struct vqueue_info *vq)
 424 {
 425
 426         return (vq_ring_ready(vq) && vq->vq_last_avail !=
 427             vq->vq_avail->va_idx);
 428 }
 429
 430 /*
 431  * Deliver an interrupt to guest on the given virtual queue
 432  * (if possible, or a generic MSI interrupt if not using MSI-X).
 433  */
 434 static inline void
 435 vq_interrupt(struct virtio_softc *vs, struct vqueue_info *vq)
 436 {
 437
 438         if (pci_msix_enabled(vs->vs_pi))
 439                 pci_generate_msix(vs->vs_pi, vq->vq_msix_idx);
 440         else {
 441                 VS_LOCK(vs);
 442                 vs->vs_isr |= VTCFG_ISR_QUEUES;
 443                 pci_generate_msi(vs->vs_pi, 0);
 444                 pci_lintr_assert(vs->vs_pi);
 445                 VS_UNLOCK(vs);
 446         }
 447 }
 448
 449 struct iovec;
 450 void    vi_softc_linkup(struct virtio_softc *vs, struct virtio_consts *vc,
 451                         void *dev_softc, struct pci_devinst *pi,
 452                         struct vqueue_info *queues);
 453 int     vi_intr_init(struct virtio_softc *vs, int barnum, int use_msix);
 454 void    vi_reset_dev(struct virtio_softc *);
 455 void    vi_set_io_bar(struct virtio_softc *, int);
 456
 457 int     vq_getchain(struct vqueue_info *vq, uint16_t *pidx,
 458                     struct iovec *iov, int n_iov, uint16_t *flags);
 459 void    vq_retchain(struct vqueue_info *vq);
 460 void    vq_relchain(struct vqueue_info *vq, uint16_t idx, uint32_t iolen);
 461 void    vq_endchains(struct vqueue_info *vq, int used_all_avail);
 462
 463 uint64_t vi_pci_read(struct vmctx *ctx, int vcpu, struct pci_devinst *pi,
 464                      int baridx, uint64_t offset, int size);
 465 void    vi_pci_write(struct vmctx *ctx, int vcpu, struct pci_devinst *pi,
 466                      int baridx, uint64_t offset, int size, uint64_t value);
 467 #endif  /* _VIRTIO_H_ */