Kernel/arch/x86_64/mm_virt.c

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