Kernel/arch/x86_64/mm_virt.c

   1 /*
   2  * Acess2 x86_64 Port
   3  *
   4  * Virtual Memory Manager
   5  */
   6 #define DEBUG   0
   7 #include <acess.h>
   8 #include <mm_virt.h>
   9 #include <proc.h>
  10
  11 // === CONSTANTS ===
  12 #define PML4_SHIFT      39
  13 #define PDP_SHIFT       30
  14 #define PDIR_SHIFT      21
  15 #define PTAB_SHIFT      12
  16
  17 #define PADDR_MASK      0x7FFFFFFF##FFFFF000
  18 #define PAGE_MASK       (((Uint)1 << 36)-1)
  19 #define TABLE_MASK      (((Uint)1 << 27)-1)
  20 #define PDP_MASK        (((Uint)1 << 18)-1)
  21 #define PML4_MASK       (((Uint)1 << 9)-1)
  22
  23 #define PF_PRESENT      0x1
  24 #define PF_WRITE        0x2
  25 #define PF_USER         0x4
  26 #define PF_COW          0x200
  27 #define PF_PAGED        0x400
  28 #define PF_NX           0x80000000##00000000
  29
  30 // === MACROS ===
  31 #define PAGETABLE(idx)  (*((tPAddr*)MM_FRACTAL_BASE+((idx)&PAGE_MASK)))
  32 #define PAGEDIR(idx)    PAGETABLE((MM_FRACTAL_BASE>>12)+((idx)&TABLE_MASK))
  33 #define PAGEDIRPTR(idx) PAGEDIR((MM_FRACTAL_BASE>>21)+((idx)&PDP_MASK))
  34 #define PAGEMAPLVL4(idx)        PAGEDIRPTR((MM_FRACTAL_BASE>>30)+((idx)&PML4_MASK))
  35
  36 #define INVLPG(__addr)  __asm__ __volatile__ ("invlpg (%0)"::"r"(__addr));
  37
  38 // === PROTOTYPES ===
  39 void    MM_InitVirt(void);
  40 void    MM_FinishVirtualInit(void);
  41 void    MM_PageFault(tVAddr Addr, Uint ErrorCode, tRegs *Regs);
  42 void    MM_DumpTables(tVAddr Start, tVAddr End);
  43  int    MM_Map(tVAddr VAddr, tPAddr PAddr);
  44
  45 // === GLOBALS ===
  46
  47 // === CODE ===
  48 void MM_InitVirt(void)
  49 {
  50         MM_DumpTables(0, -1L);
  51 }
  52
  53 void MM_FinishVirtualInit(void)
  54 {
  55 }
  56
  57 /**
  58  * \brief Called on a page fault
  59  */
  60 void MM_PageFault(tVAddr Addr, Uint ErrorCode, tRegs *Regs)
  61 {
  62         // TODO: Copy on Write
  63         #if 0
  64         if( gaPageDir  [Addr>>22] & PF_PRESENT
  65          && gaPageTable[Addr>>12] & PF_PRESENT
  66          && gaPageTable[Addr>>12] & PF_COW )
  67         {
  68                 tPAddr  paddr;
  69                 if(MM_GetRefCount( gaPageTable[Addr>>12] & ~0xFFF ) == 1)
  70                 {
  71                         gaPageTable[Addr>>12] &= ~PF_COW;
  72                         gaPageTable[Addr>>12] |= PF_PRESENT|PF_WRITE;
  73                 }
  74                 else
  75                 {
  76                         //Log("MM_PageFault: COW - MM_DuplicatePage(0x%x)", Addr);
  77                         paddr = MM_DuplicatePage( Addr );
  78                         MM_DerefPhys( gaPageTable[Addr>>12] & ~0xFFF );
  79                         gaPageTable[Addr>>12] &= PF_USER;
  80                         gaPageTable[Addr>>12] |= paddr|PF_PRESENT|PF_WRITE;
  81                 }
  82
  83                 INVLPG( Addr & ~0xFFF );
  84                 return;
  85         }
  86         #endif
  87
  88         // If it was a user, tell the thread handler
  89         if(ErrorCode & 4) {
  90                 Warning("%s %s %s memory%s",
  91                         (ErrorCode&4?"User":"Kernel"),
  92                         (ErrorCode&2?"write to":"read from"),
  93                         (ErrorCode&1?"bad/locked":"non-present"),
  94                         (ErrorCode&16?" (Instruction Fetch)":"")
  95                         );
  96                 Warning("User Pagefault: Instruction at %04x:%08x accessed %p",
  97                         Regs->CS, Regs->RIP, Addr);
  98                 __asm__ __volatile__ ("sti");   // Restart IRQs
  99 //              Threads_SegFault(Addr);
 100                 return ;
 101         }
 102
 103         // Kernel #PF
 104         Debug_KernelPanic();
 105         // -- Check Error Code --
 106         if(ErrorCode & 8)
 107                 Warning("Reserved Bits Trashed!");
 108         else
 109         {
 110                 Warning("%s %s %s memory%s",
 111                         (ErrorCode&4?"User":"Kernel"),
 112                         (ErrorCode&2?"write to":"read from"),
 113                         (ErrorCode&1?"bad/locked":"non-present"),
 114                         (ErrorCode&16?" (Instruction Fetch)":"")
 115                         );
 116         }
 117
 118         Log("Code at %p accessed %p", Regs->RIP, Addr);
 119         // Print Stack Backtrace
 120 //      Error_Backtrace(Regs->RIP, Regs->RBP);
 121
 122         MM_DumpTables(0, -1);
 123
 124         __asm__ __volatile__ ("cli");
 125         for( ;; )
 126                 HALT();
 127 }
 128
 129 /**
 130  * \brief Dumps the layout of the page tables
 131  */
 132 void MM_DumpTables(tVAddr Start, tVAddr End)
 133 {
 134         const tPAddr    CHANGEABLE_BITS = 0xFF8;
 135         const tPAddr    MASK = ~CHANGEABLE_BITS;        // Physical address and access bits
 136         tVAddr  rangeStart = 0;
 137         tPAddr  expected = CHANGEABLE_BITS;     // MASK is used because it's not a vaild value
 138         tVAddr  curPos;
 139         Uint    page;
 140
 141         Log("Table Entries: (%p to %p)", Start, End);
 142
 143         End &= (1L << 48) - 1;
 144
 145         Start >>= 12;   End >>= 12;
 146
 147         for(page = Start, curPos = Start<<12;
 148                 page < End;
 149                 curPos += 0x1000, page++)
 150         {
 151                 if( curPos == 0x800000000000L )
 152                         curPos = 0xFFFF800000000000L;
 153
 154                 //Debug("&PAGEMAPLVL4(%i page>>27) = %p", page>>27, &PAGEMAPLVL4(page>>27));
 155                 //Debug("&PAGEDIRPTR(%i page>>18) = %p", page>>18, &PAGEDIRPTR(page>>18));
 156                 //Debug("&PAGEDIR(%i page>>9) = %p", page>>9, &PAGEDIR(page>>9));
 157                 //Debug("&PAGETABLE(%i page) = %p", page, &PAGETABLE(page));
 158
 159                 // End of a range
 160                 if(
 161                         !(PAGEMAPLVL4(page>>27) & PF_PRESENT)
 162                 ||      !(PAGEDIRPTR(page>>18) & PF_PRESENT)
 163                 ||      !(PAGEDIR(page>>9) & PF_PRESENT)
 164                 ||  !(PAGETABLE(page) & PF_PRESENT)
 165                 ||  (PAGETABLE(page) & MASK) != expected)
 166                 {
 167                         if(expected != CHANGEABLE_BITS) {
 168                                 Log("%016x-0x%016x => %013x-%013x (%c%c%c%c)",
 169                                         rangeStart, curPos - 1,
 170                                         PAGETABLE(rangeStart>>12) & ~0xFFF,
 171                                         (expected & ~0xFFF) - 1,
 172                                         (expected & PF_PAGED ? 'p' : '-'),
 173                                         (expected & PF_COW ? 'C' : '-'),
 174                                         (expected & PF_USER ? 'U' : '-'),
 175                                         (expected & PF_WRITE ? 'W' : '-')
 176                                         );
 177                                 expected = CHANGEABLE_BITS;
 178                         }
 179                         if( !(PAGEMAPLVL4(page>>27) & PF_PRESENT) ) {
 180                                 page += (1 << 27) - 1;
 181                                 curPos += (1L << 39) - 0x1000;
 182                                 //Debug("pml4 ent unset (page = 0x%x now)", page);
 183                                 continue;
 184                         }
 185                         if( !(PAGEDIRPTR(page>>18) & PF_PRESENT) ) {
 186                                 page += (1 << 18) - 1;
 187                                 curPos += (1L << 30) - 0x1000;
 188                                 //Debug("pdp ent unset (page = 0x%x now)", page);
 189                                 continue;
 190                         }
 191                         if( !(PAGEDIR(page>>9) & PF_PRESENT) ) {
 192                                 page += (1 << 9) - 1;
 193                                 curPos += (1L << 21) - 0x1000;
 194                                 //Debug("pd ent unset (page = 0x%x now)", page);
 195                                 continue;
 196                         }
 197                         if( !(PAGETABLE(page) & PF_PRESENT) )   continue;
 198
 199                         expected = (PAGETABLE(page) & MASK);
 200                         rangeStart = curPos;
 201                 }
 202                 if(expected != CHANGEABLE_BITS)
 203                         expected += 0x1000;
 204         }
 205
 206         if(expected != CHANGEABLE_BITS) {
 207                 Log("%016x-%016x => %013x-%013x (%s%s%s%s)",
 208                         rangeStart, curPos - 1,
 209                         PAGETABLE(rangeStart>>12) & ~0xFFF,
 210                         (expected & ~0xFFF) - 1,
 211                         (expected & PF_PAGED ? "p" : "-"),
 212                         (expected & PF_COW ? "C" : "-"),
 213                         (expected & PF_USER ? "U" : "-"),
 214                         (expected & PF_WRITE ? "W" : "-")
 215                         );
 216                 expected = 0;
 217         }
 218 }
 219
 220 /**
 221  * \brief Map a physical page to a virtual one
 222  */
 223 int MM_Map(tVAddr VAddr, tPAddr PAddr)
 224 {
 225         tPAddr  tmp;
 226
 227         ENTER("xVAddr xPAddr", VAddr, PAddr);
 228
 229         // Check PML4
 230         //Log(" MM_Map: &PAGEMAPLVL4(%x) = %x", VAddr >> 39, &PAGEMAPLVL4(VAddr >> 39));
 231         //Log(" MM_Map: &PAGEDIRPTR(%x) = %x", VAddr >> 30, &PAGEDIRPTR(VAddr >> 30));
 232         //Log(" MM_Map: &PAGEDIR(%x) = %x", VAddr >> 21, &PAGEDIR(VAddr >> 21));
 233         //Log(" MM_Map: &PAGETABLE(%x) = %x", VAddr >> 12, &PAGETABLE(VAddr >> 12));
 234         //Log(" MM_Map: &PAGETABLE(0) = %x", &PAGETABLE(0));
 235         if( !(PAGEMAPLVL4(VAddr >> 39) & 1) )
 236         {
 237                 tmp = MM_AllocPhys();
 238                 if(!tmp)        return 0;
 239                 PAGEMAPLVL4(VAddr >> 39) = tmp | 3;
 240                 INVLPG( &PAGEDIRPTR( (VAddr>>39)<<9 ) );
 241                 memset( &PAGEDIRPTR( (VAddr>>39)<<9 ), 0, 4096 );
 242         }
 243
 244         // Check PDP
 245         if( !(PAGEDIRPTR(VAddr >> 30) & 1) )
 246         {
 247                 tmp = MM_AllocPhys();
 248                 if(!tmp)        return 0;
 249                 PAGEDIRPTR(VAddr >> 30) = tmp | 3;
 250                 INVLPG( &PAGEDIR( (VAddr>>30)<<9 ) );
 251                 memset( &PAGEDIR( (VAddr>>30)<<9 ), 0, 0x1000 );
 252         }
 253
 254         // Check Page Dir
 255         if( !(PAGEDIR(VAddr >> 21) & 1) )
 256         {
 257                 tmp = MM_AllocPhys();
 258                 if(!tmp)        return 0;
 259                 PAGEDIR(VAddr >> 21) = tmp | 3;
 260                 INVLPG( &PAGETABLE( (VAddr>>21)<<9 ) );
 261                 memset( &PAGETABLE( (VAddr>>21)<<9 ), 0, 4096 );
 262         }
 263
 264         // Check if this virtual address is already mapped
 265         if( PAGETABLE(VAddr >> PTAB_SHIFT) & 1 )
 266                 return 0;
 267
 268         PAGETABLE(VAddr >> PTAB_SHIFT) = PAddr | 3;
 269
 270         INVLPG( VAddr );
 271
 272         LEAVE('i', 1);
 273         return 1;
 274 }
 275
 276 /**
 277  * \brief Removed a mapped page
 278  */
 279 void MM_Unmap(tVAddr VAddr)
 280 {
 281         // Check PML4
 282         if( !(PAGEMAPLVL4(VAddr >> 39) & 1) )   return ;
 283         // Check PDP
 284         if( !(PAGEDIRPTR(VAddr >> 30) & 1) )    return ;
 285         // Check Page Dir
 286         if( !(PAGEDIR(VAddr >> 21) & 1) )       return ;
 287
 288         PAGETABLE(VAddr >> PTAB_SHIFT) = 0;
 289         INVLPG( VAddr );
 290 }
 291
 292 /**
 293  * \brief Allocate a block of memory at the specified virtual address
 294  */
 295 tPAddr MM_Allocate(tVAddr VAddr)
 296 {
 297         tPAddr  ret;
 298
 299         ENTER("xVAddr", VAddr);
 300
 301         // NOTE: This is hack, but I like my dumps to be neat
 302         #if 1
 303         if( !MM_Map(VAddr, 0) ) // Make sure things are allocated
 304         {
 305                 Warning("MM_Allocate: Unable to map, tables did not initialise");
 306                 LEAVE('i', 0);
 307                 return 0;
 308         }
 309         MM_Unmap(VAddr);
 310         #endif
 311
 312         ret = MM_AllocPhys();
 313         LOG("ret = %x", ret);
 314         if(!ret) {
 315                 LEAVE('i', 0);
 316                 return 0;
 317         }
 318
 319         if( !MM_Map(VAddr, ret) )
 320         {
 321                 Warning("MM_Allocate: Unable to map. Strange, we should have errored earlier");
 322                 MM_DerefPhys(ret);
 323                 LEAVE('i');
 324                 return 0;
 325         }
 326
 327         LEAVE('x', ret);
 328         return ret;
 329 }
 330
 331 void MM_Deallocate(tVAddr VAddr)
 332 {
 333         tPAddr  phys;
 334
 335         phys = MM_GetPhysAddr(VAddr);
 336         if(!phys)       return ;
 337
 338         MM_Unmap(VAddr);
 339
 340         MM_DerefPhys(phys);
 341 }
 342
 343 /**
 344  * \brief Get the physical address of a virtual location
 345  */
 346 tPAddr MM_GetPhysAddr(tVAddr Addr)
 347 {
 348         if( !(PAGEMAPLVL4(Addr >> 39) & 1) )
 349                 return 0;
 350         if( !(PAGEDIRPTR(Addr >> 30) & 1) )
 351                 return 0;
 352         if( !(PAGEDIR(Addr >> 21) & 1) )
 353                 return 0;
 354         if( !(PAGETABLE(Addr >> PTAB_SHIFT) & 1) )
 355                 return 0;
 356
 357         return (PAGETABLE(Addr >> PTAB_SHIFT) & ~0xFFF) | (Addr & 0xFFF);
 358 }
 359
 360 /**
 361  * \brief Sets the flags on a page
 362  */
 363 void MM_SetFlags(tVAddr VAddr, Uint Flags, Uint Mask)
 364 {
 365         tPAddr  *ent;
 366
 367         // Validity Check
 368         if( !(PAGEMAPLVL4(VAddr >> 39) & 1) )
 369                 return ;
 370         if( !(PAGEDIRPTR(VAddr >> 30) & 1) )
 371                 return ;
 372         if( !(PAGEDIR(VAddr >> 21) & 1) )
 373                 return ;
 374         if( !(PAGETABLE(VAddr >> 12) & 1) )
 375                 return ;
 376
 377         // Set Flags
 378         ent = &PAGETABLE(VAddr >> 12);
 379
 380         // Read-Only
 381         if( Mask & MM_PFLAG_RO )
 382         {
 383                 if( Flags & MM_PFLAG_RO ) {
 384                         *ent &= ~PF_WRITE;
 385                 }
 386                 else {
 387                         *ent |= PF_WRITE;
 388                 }
 389         }
 390
 391         // Kernel
 392         if( Mask & MM_PFLAG_KERNEL )
 393         {
 394                 if( Flags & MM_PFLAG_KERNEL ) {
 395                         *ent &= ~PF_USER;
 396                 }
 397                 else {
 398                         *ent |= PF_USER;
 399                 }
 400         }
 401
 402         // Copy-On-Write
 403         if( Mask & MM_PFLAG_COW )
 404         {
 405                 if( Flags & MM_PFLAG_COW ) {
 406                         *ent &= ~PF_WRITE;
 407                         *ent |= PF_COW;
 408                 }
 409                 else {
 410                         *ent &= ~PF_COW;
 411                         *ent |= PF_WRITE;
 412                 }
 413         }
 414
 415         // Execute
 416         if( Mask & MM_PFLAG_EXEC )
 417         {
 418                 if( Flags & MM_PFLAG_EXEC ) {
 419                         *ent &= ~PF_NX;
 420                 }
 421                 else {
 422                         *ent |= PF_NX;
 423                 }
 424         }
 425 }
 426
 427 /**
 428  * \brief Get the flags applied to a page
 429  */
 430 Uint MM_GetFlags(tVAddr VAddr)
 431 {
 432         tPAddr  *ent;
 433         Uint    ret = 0;
 434
 435         // Validity Check
 436         if( !(PAGEMAPLVL4(VAddr >> 39) & 1) )
 437                 return 0;
 438         if( !(PAGEDIRPTR(VAddr >> 30) & 1) )
 439                 return 0;
 440         if( !(PAGEDIR(VAddr >> 21) & 1) )
 441                 return 0;
 442         if( !(PAGETABLE(VAddr >> 12) & 1) )
 443                 return 0;
 444
 445         // Set Flags
 446         ent = &PAGETABLE(VAddr >> 12);
 447
 448         // Read-Only
 449         if( !(*ent & PF_WRITE) )        ret |= MM_PFLAG_RO;
 450         // Kernel
 451         if( !(*ent & PF_USER) ) ret |= MM_PFLAG_KERNEL;
 452         // Copy-On-Write
 453         if( *ent & PF_COW )     ret |= MM_PFLAG_COW;
 454         // Execute
 455         if( !(*ent & PF_NX) )   ret |= MM_PFLAG_EXEC;
 456
 457         return ret;
 458 }
 459
 460 // --- Hardware Mappings ---
 461 /**
 462  * \brief Map a range of hardware pages
 463  */
 464 tVAddr MM_MapHWPages(tPAddr PAddr, Uint Number)
 465 {
 466         Log_KernelPanic("MM", "TODO: Implement MM_MapHWPages");
 467         return 0;
 468 }
 469
 470 /**
 471  * \brief Free a range of hardware pages
 472  */
 473 void MM_UnmapHWPages(tVAddr VAddr, Uint Number)
 474 {
 475         Log_KernelPanic("MM", "TODO: Implement MM_UnmapHWPages");
 476 }
 477
 478 // --- Tempory Mappings ---
 479 tVAddr MM_MapTemp(tPAddr PAddr)
 480 {
 481         Log_KernelPanic("MM", "TODO: Implement MM_MapTemp");
 482         return 0;
 483 }
 484
 485 void MM_FreeTemp(tVAddr VAddr)
 486 {
 487         Log_KernelPanic("MM", "TODO: Implement MM_FreeTemp");
 488         return ;
 489 }
 490
 491
 492 // --- Address Space Clone --
 493 tPAddr MM_Clone(void)
 494 {
 495         tPAddr  ret;
 496
 497         // #1 Create a copy of the PML4
 498         ret = MM_AllocPhys();
 499         if(!ret)        return 0;
 500
 501         Log_KernelPanic("MM", "TODO: Implement MM_Clone");
 502
 503         // #2 Alter the fractal pointer
 504         // #3 Set Copy-On-Write to all user pages
 505         // #4 Return
 506         return 0;
 507 }
 508
 509 void MM_ClearUser(void)
 510 {
 511         tVAddr  addr = 0;
 512         // #1 Traverse the structure < 2^47, Deref'ing all pages
 513         // #2 Free tables/dirs/pdps once they have been cleared
 514
 515         for( addr = 0; addr < 0x800000000000; )
 516         {
 517                 if( PAGEMAPLVL4(addr >> PML4_SHIFT) & 1 )
 518                 {
 519                         if( PAGEDIRPTR(addr >> PDP_SHIFT) & 1 )
 520                         {
 521                                 if( PAGEDIR(addr >> PDIR_SHIFT) & 1 )
 522                                 {
 523                                         // Page
 524                                         if( PAGETABLE(addr >> PTAB_SHIFT) & 1 ) {
 525                                                 MM_DerefPhys( PAGETABLE(addr >> PTAB_SHIFT) & PADDR_MASK );
 526                                                 PAGETABLE(addr >> PTAB_SHIFT) = 0;
 527                                         }
 528                                         addr += 1 << PTAB_SHIFT;
 529                                         // Dereference the PDIR Entry
 530                                         if( (addr + (1 << PTAB_SHIFT)) >> PDIR_SHIFT != (addr >> PDIR_SHIFT) ) {
 531                                                 MM_DerefPhys( PAGEMAPLVL4(addr >> PDIR_SHIFT) & PADDR_MASK );
 532                                                 PAGEDIR(addr >> PDIR_SHIFT) = 0;
 533                                         }
 534                                 }
 535                                 else {
 536                                         addr += 1 << PDIR_SHIFT;
 537                                         continue;
 538                                 }
 539                                 // Dereference the PDP Entry
 540                                 if( (addr + (1 << PDIR_SHIFT)) >> PDP_SHIFT != (addr >> PDP_SHIFT) ) {
 541                                         MM_DerefPhys( PAGEMAPLVL4(addr >> PDP_SHIFT) & PADDR_MASK );
 542                                         PAGEDIRPTR(addr >> PDP_SHIFT) = 0;
 543                                 }
 544                         }
 545                         else {
 546                                 addr += 1 << PDP_SHIFT;
 547                                 continue;
 548                         }
 549                         // Dereference the PML4 Entry
 550                         if( (addr + (1 << PDP_SHIFT)) >> PML4_SHIFT != (addr >> PML4_SHIFT) ) {
 551                                 MM_DerefPhys( PAGEMAPLVL4(addr >> PML4_SHIFT) & PADDR_MASK );
 552                                 PAGEMAPLVL4(addr >> PML4_SHIFT) = 0;
 553                         }
 554                 }
 555                 else {
 556                         addr += (tVAddr)1 << PML4_SHIFT;
 557                         continue;
 558                 }
 559         }
 560 }
 561
 562 tVAddr MM_NewWorkerStack(void)
 563 {
 564         Log_KernelPanic("MM", "TODO: Implement MM_NewWorkerStack");
 565         return 0;
 566 }
 567
 568 /**
 569  * \brief Allocate a new kernel stack
 570  */
 571 tVAddr MM_NewKStack(void)
 572 {
 573         tVAddr  base = MM_KSTACK_BASE;
 574         Uint    i;
 575         for( ; base < MM_KSTACK_TOP; base += KERNEL_STACK_SIZE )
 576         {
 577                 if(MM_GetPhysAddr(base) != 0)
 578                         continue;
 579
 580                 Log("MM_NewKStack: Found one at %p", base + KERNEL_STACK_SIZE);
 581                 for( i = 0; i < KERNEL_STACK_SIZE; i += 0x1000)
 582                         MM_Allocate(base+i);
 583
 584                 return base + KERNEL_STACK_SIZE;
 585         }
 586         Log_Warning("MM", "MM_NewKStack - No address space left\n");
 587         return 0;
 588 }