tools/lguest: handle indirect partway through chain.
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / tools / lguest / lguest.c
1 /*P:100
2  * This is the Launcher code, a simple program which lays out the "physical"
3  * memory for the new Guest by mapping the kernel image and the virtual
4  * devices, then opens /dev/lguest to tell the kernel about the Guest and
5  * control it.
6 :*/
7 #define _LARGEFILE64_SOURCE
8 #define _GNU_SOURCE
9 #include <stdio.h>
10 #include <string.h>
11 #include <unistd.h>
12 #include <err.h>
13 #include <stdint.h>
14 #include <stdlib.h>
15 #include <elf.h>
16 #include <sys/mman.h>
17 #include <sys/param.h>
18 #include <sys/types.h>
19 #include <sys/stat.h>
20 #include <sys/wait.h>
21 #include <sys/eventfd.h>
22 #include <fcntl.h>
23 #include <stdbool.h>
24 #include <errno.h>
25 #include <ctype.h>
26 #include <sys/socket.h>
27 #include <sys/ioctl.h>
28 #include <sys/time.h>
29 #include <time.h>
30 #include <netinet/in.h>
31 #include <net/if.h>
32 #include <linux/sockios.h>
33 #include <linux/if_tun.h>
34 #include <sys/uio.h>
35 #include <termios.h>
36 #include <getopt.h>
37 #include <assert.h>
38 #include <sched.h>
39 #include <limits.h>
40 #include <stddef.h>
41 #include <signal.h>
42 #include <pwd.h>
43 #include <grp.h>
44 #include <sys/user.h>
45 #include <linux/pci_regs.h>
46
47 #ifndef VIRTIO_F_ANY_LAYOUT
48 #define VIRTIO_F_ANY_LAYOUT             27
49 #endif
50
51 /*L:110
52  * We can ignore the 43 include files we need for this program, but I do want
53  * to draw attention to the use of kernel-style types.
54  *
55  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
56  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
57  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
58  * use %llu in printf for any u64.
59  */
60 typedef unsigned long long u64;
61 typedef uint32_t u32;
62 typedef uint16_t u16;
63 typedef uint8_t u8;
64 /*:*/
65
66 #define VIRTIO_CONFIG_NO_LEGACY
67 #define VIRTIO_PCI_NO_LEGACY
68 #define VIRTIO_BLK_NO_LEGACY
69
70 /* Use in-kernel ones, which defines VIRTIO_F_VERSION_1 */
71 #include "../../include/uapi/linux/virtio_config.h"
72 #include "../../include/uapi/linux/virtio_net.h"
73 #include "../../include/uapi/linux/virtio_blk.h"
74 #include "../../include/uapi/linux/virtio_console.h"
75 #include "../../include/uapi/linux/virtio_rng.h"
76 #include <linux/virtio_ring.h>
77 #include "../../include/uapi/linux/virtio_pci.h"
78 #include <asm/bootparam.h>
79 #include "../../include/linux/lguest_launcher.h"
80
81 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
82 #ifndef SIOCBRADDIF
83 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
84 #endif
85 /* We can have up to 256 pages for devices. */
86 #define DEVICE_PAGES 256
87 /* This will occupy 3 pages: it must be a power of 2. */
88 #define VIRTQUEUE_NUM 256
89
90 /*L:120
91  * verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
92  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here.
93  */
94 static bool verbose;
95 #define verbose(args...) \
96         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
97 /*:*/
98
99 /* The pointer to the start of guest memory. */
100 static void *guest_base;
101 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
102 static unsigned long guest_limit, guest_max, guest_mmio;
103 /* The /dev/lguest file descriptor. */
104 static int lguest_fd;
105
106 /* a per-cpu variable indicating whose vcpu is currently running */
107 static unsigned int __thread cpu_id;
108
109 /* 5 bit device number in the PCI_CONFIG_ADDR => 32 only */
110 #define MAX_PCI_DEVICES 32
111
112 /* This is our list of devices. */
113 struct device_list {
114         /* Counter to assign interrupt numbers. */
115         unsigned int next_irq;
116
117         /* Counter to print out convenient device numbers. */
118         unsigned int device_num;
119
120         /* PCI devices. */
121         struct device *pci[MAX_PCI_DEVICES];
122 };
123
124 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
125 static struct device_list devices;
126
127 struct virtio_pci_cfg_cap {
128         struct virtio_pci_cap cap;
129         u32 pci_cfg_data; /* Data for BAR access. */
130 };
131
132 struct virtio_pci_mmio {
133         struct virtio_pci_common_cfg cfg;
134         u16 notify;
135         u8 isr;
136         u8 padding;
137         /* Device-specific configuration follows this. */
138 };
139
140 /* This is the layout (little-endian) of the PCI config space. */
141 struct pci_config {
142         u16 vendor_id, device_id;
143         u16 command, status;
144         u8 revid, prog_if, subclass, class;
145         u8 cacheline_size, lat_timer, header_type, bist;
146         u32 bar[6];
147         u32 cardbus_cis_ptr;
148         u16 subsystem_vendor_id, subsystem_device_id;
149         u32 expansion_rom_addr;
150         u8 capabilities, reserved1[3];
151         u32 reserved2;
152         u8 irq_line, irq_pin, min_grant, max_latency;
153
154         /* Now, this is the linked capability list. */
155         struct virtio_pci_cap common;
156         struct virtio_pci_notify_cap notify;
157         struct virtio_pci_cap isr;
158         struct virtio_pci_cap device;
159         struct virtio_pci_cfg_cap cfg_access;
160 };
161
162 /* The device structure describes a single device. */
163 struct device {
164         /* The name of this device, for --verbose. */
165         const char *name;
166
167         /* Any queues attached to this device */
168         struct virtqueue *vq;
169
170         /* Is it operational */
171         bool running;
172
173         /* PCI configuration */
174         union {
175                 struct pci_config config;
176                 u32 config_words[sizeof(struct pci_config) / sizeof(u32)];
177         };
178
179         /* Features we offer, and those accepted. */
180         u64 features, features_accepted;
181
182         /* Device-specific config hangs off the end of this. */
183         struct virtio_pci_mmio *mmio;
184
185         /* PCI MMIO resources (all in BAR0) */
186         size_t mmio_size;
187         u32 mmio_addr;
188
189         /* Device-specific data. */
190         void *priv;
191 };
192
193 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
194 struct virtqueue {
195         struct virtqueue *next;
196
197         /* Which device owns me. */
198         struct device *dev;
199
200         /* The actual ring of buffers. */
201         struct vring vring;
202
203         /* The information about this virtqueue (we only use queue_size on) */
204         struct virtio_pci_common_cfg pci_config;
205
206         /* Last available index we saw. */
207         u16 last_avail_idx;
208
209         /* How many are used since we sent last irq? */
210         unsigned int pending_used;
211
212         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
213         int eventfd;
214
215         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
216         void (*service)(struct virtqueue *vq);
217         pid_t thread;
218 };
219
220 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
221 static char **main_args;
222
223 /* The original tty settings to restore on exit. */
224 static struct termios orig_term;
225
226 /*
227  * We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
228  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
229  * in precise order.
230  */
231 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
232 #define rmb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
233 #define mb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
234
235 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
236 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
237
238 /*
239  * The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
240  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers.
241  */
242 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
243 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
244 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
245 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
246 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
247 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
248
249 /* Is this iovec empty? */
250 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
251 {
252         unsigned int i;
253
254         for (i = 0; i < num_iov; i++)
255                 if (iov[i].iov_len)
256                         return false;
257         return true;
258 }
259
260 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
261 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov,
262                         void *dest, unsigned len)
263 {
264         unsigned int i;
265
266         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
267                 unsigned int used;
268
269                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
270                 if (dest) {
271                         memcpy(dest, iov[i].iov_base, used);
272                         dest += used;
273                 }
274                 iov[i].iov_base += used;
275                 iov[i].iov_len -= used;
276                 len -= used;
277         }
278         if (len != 0)
279                 errx(1, "iovec too short!");
280 }
281
282 /*L:100
283  * The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place where
284  * pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace programs,
285  * it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the kernel!).
286  * Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it will get
287  * you through this section.  Or, maybe not.
288  *
289  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
290  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
291  * Launcher virtual with an offset.
292  *
293  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
294  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us its
295  * "physical" addresses:
296  */
297 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
298 {
299         return guest_base + addr;
300 }
301
302 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
303 {
304         return (addr - guest_base);
305 }
306
307 /*L:130
308  * Loading the Kernel.
309  *
310  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
311  * error-checking code cluttering the callers:
312  */
313 static int open_or_die(const char *name, int flags)
314 {
315         int fd = open(name, flags);
316         if (fd < 0)
317                 err(1, "Failed to open %s", name);
318         return fd;
319 }
320
321 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
322 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
323 {
324         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
325         void *addr;
326
327         /*
328          * We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
329          * copied). We allocate an extra two pages PROT_NONE to act as guard
330          * pages against read/write attempts that exceed allocated space.
331          */
332         addr = mmap(NULL, getpagesize() * (num+2),
333                     PROT_NONE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
334
335         if (addr == MAP_FAILED)
336                 err(1, "Mmapping %u pages of /dev/zero", num);
337
338         if (mprotect(addr + getpagesize(), getpagesize() * num,
339                      PROT_READ|PROT_WRITE) == -1)
340                 err(1, "mprotect rw %u pages failed", num);
341
342         /*
343          * One neat mmap feature is that you can close the fd, and it
344          * stays mapped.
345          */
346         close(fd);
347
348         /* Return address after PROT_NONE page */
349         return addr + getpagesize();
350 }
351
352 /* Get some bytes which won't be mapped into the guest. */
353 static unsigned long get_mmio_region(size_t size)
354 {
355         unsigned long addr = guest_mmio;
356         size_t i;
357
358         if (!size)
359                 return addr;
360
361         /* Size has to be a power of 2 (and multiple of 16) */
362         for (i = 1; i < size; i <<= 1);
363
364         guest_mmio += i;
365
366         return addr;
367 }
368
369 /*
370  * This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
371  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
372  * it falls back to reading the memory in.
373  */
374 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
375 {
376         ssize_t r;
377
378         /*
379          * We map writable even though for some segments are marked read-only.
380          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
381          * instructions.
382          *
383          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
384          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
385          * Guests.
386          */
387         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE,
388                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
389                 return;
390
391         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
392         r = pread(fd, addr, len, offset);
393         if (r != len)
394                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
395 }
396
397 /*
398  * This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
399  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
400  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
401  *
402  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
403  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
404  * virtual address.
405  *
406  * We return the starting address.
407  */
408 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
409 {
410         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
411         unsigned int i;
412
413         /*
414          * Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
415          * reasonable number of correctly-sized program headers.
416          */
417         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
418             || ehdr->e_machine != EM_386
419             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
420             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
421                 errx(1, "Malformed elf header");
422
423         /*
424          * An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
425          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
426          * load where.
427          */
428
429         /* We read in all the program headers at once: */
430         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
431                 err(1, "Seeking to program headers");
432         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
433                 err(1, "Reading program headers");
434
435         /*
436          * Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
437          * a read-write one, and a "note" section which we don't load.
438          */
439         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
440                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
441                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
442                         continue;
443
444                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
445                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
446
447                 /* We map this section of the file at its physical address. */
448                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
449                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
450         }
451
452         /* The entry point is given in the ELF header. */
453         return ehdr->e_entry;
454 }
455
456 /*L:150
457  * A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're supposed
458  * to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to perform some
459  * hairy magic because the unpacking code scared me.
460  *
461  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
462  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
463  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go!
464  */
465 static unsigned long load_bzimage(int fd)
466 {
467         struct boot_params boot;
468         int r;
469         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
470         void *p = from_guest_phys(0x100000);
471
472         /*
473          * Go back to the start of the file and read the header.  It should be
474          * a Linux boot header (see Documentation/x86/boot.txt)
475          */
476         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
477         read(fd, &boot, sizeof(boot));
478
479         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
480         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
481                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
482
483         /* Skip over the extra sectors of the header. */
484         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
485
486         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
487         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
488                 p += r;
489
490         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
491         return boot.hdr.code32_start;
492 }
493
494 /*L:140
495  * Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
496  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
497  * work, we can load those, too.
498  */
499 static unsigned long load_kernel(int fd)
500 {
501         Elf32_Ehdr hdr;
502
503         /* Read in the first few bytes. */
504         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
505                 err(1, "Reading kernel");
506
507         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
508         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
509                 return map_elf(fd, &hdr);
510
511         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
512         return load_bzimage(fd);
513 }
514
515 /*
516  * This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
517  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
518  *
519  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
520  * necessary.  I leave this code as a reaction against that.
521  */
522 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
523 {
524         /* Add upwards and truncate downwards. */
525         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
526 }
527
528 /*L:180
529  * An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with the
530  * kernel which the kernel can use to boot from without needing any drivers.
531  * Most distributions now use this as standard: the initrd contains the code to
532  * load the appropriate driver modules for the current machine.
533  *
534  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
535  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it).
536  */
537 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
538 {
539         int ifd;
540         struct stat st;
541         unsigned long len;
542
543         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
544         /* fstat() is needed to get the file size. */
545         if (fstat(ifd, &st) < 0)
546                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
547
548         /*
549          * We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
550          * page-aligned, so we round the size up for that.
551          */
552         len = page_align(st.st_size);
553         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
554         /*
555          * Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
556          * little odd, but quite useful.
557          */
558         close(ifd);
559         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
560
561         /* We return the initrd size. */
562         return len;
563 }
564 /*:*/
565
566 /*
567  * Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
568  * between them.
569  */
570 static void concat(char *dst, char *args[])
571 {
572         unsigned int i, len = 0;
573
574         for (i = 0; args[i]; i++) {
575                 if (i) {
576                         strcat(dst+len, " ");
577                         len++;
578                 }
579                 strcpy(dst+len, args[i]);
580                 len += strlen(args[i]);
581         }
582         /* In case it's empty. */
583         dst[len] = '\0';
584 }
585
586 /*L:185
587  * This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
588  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
589  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
590  * entry point for the Guest.
591  */
592 static void tell_kernel(unsigned long start)
593 {
594         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
595                                  (unsigned long)guest_base,
596                                  guest_limit / getpagesize(), start,
597                                  (guest_mmio+getpagesize()-1) / getpagesize() };
598         verbose("Guest: %p - %p (%#lx, MMIO %#lx)\n",
599                 guest_base, guest_base + guest_limit,
600                 guest_limit, guest_mmio);
601         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
602         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
603                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
604 }
605 /*:*/
606
607 /*L:200
608  * Device Handling.
609  *
610  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
611  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
612  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
613  * if something funny is going on:
614  */
615 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
616                             unsigned int line)
617 {
618         /*
619          * Check if the requested address and size exceeds the allocated memory,
620          * or addr + size wraps around.
621          */
622         if ((addr + size) > guest_limit || (addr + size) < addr)
623                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
624         /*
625          * We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
626          * safe to use.
627          */
628         return from_guest_phys(addr);
629 }
630 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
631 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
632
633 /*
634  * Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
635  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
636  * at the end.
637  */
638 static unsigned next_desc(struct vring_desc *desc,
639                           unsigned int i, unsigned int max)
640 {
641         unsigned int next;
642
643         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
644         if (!(desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
645                 return max;
646
647         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
648         next = desc[i].next;
649         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
650         wmb();
651
652         if (next >= max)
653                 errx(1, "Desc next is %u", next);
654
655         return next;
656 }
657
658 /*
659  * This actually sends the interrupt for this virtqueue, if we've used a
660  * buffer.
661  */
662 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
663 {
664         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->dev->config.irq_line };
665
666         /* Don't inform them if nothing used. */
667         if (!vq->pending_used)
668                 return;
669         vq->pending_used = 0;
670
671         /* If they don't want an interrupt, don't send one... */
672         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) {
673                 return;
674         }
675
676         /*
677          * 4.1.4.5.1:
678          *
679          *  If MSI-X capability is disabled, the device MUST set the Queue
680          *  Interrupt bit in ISR status before sending a virtqueue notification
681          *  to the driver.
682          */
683         vq->dev->mmio->isr = 0x1;
684
685         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
686         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
687                 err(1, "Triggering irq %i", vq->dev->config.irq_line);
688 }
689
690 /*
691  * This looks in the virtqueue for the first available buffer, and converts
692  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
693  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
694  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
695  *
696  * This function waits if necessary, and returns the descriptor number found.
697  */
698 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
699                                  struct iovec iov[],
700                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
701 {
702         unsigned int i, head, max;
703         struct vring_desc *desc;
704         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
705
706         /* There's nothing available? */
707         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
708                 u64 event;
709
710                 /*
711                  * Since we're about to sleep, now is a good time to tell the
712                  * Guest about what we've used up to now.
713                  */
714                 trigger_irq(vq);
715
716                 /* OK, now we need to know about added descriptors. */
717                 vq->vring.used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
718
719                 /*
720                  * They could have slipped one in as we were doing that: make
721                  * sure it's written, then check again.
722                  */
723                 mb();
724                 if (last_avail != vq->vring.avail->idx) {
725                         vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
726                         break;
727                 }
728
729                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
730                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
731                         errx(1, "Event read failed?");
732
733                 /* We don't need to be notified again. */
734                 vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
735         }
736
737         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
738         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
739                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
740                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
741
742         /* 
743          * Make sure we read the descriptor number *after* we read the ring
744          * update; don't let the cpu or compiler change the order.
745          */
746         rmb();
747
748         /*
749          * Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
750          * the index we've seen.
751          */
752         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
753         lg_last_avail(vq)++;
754
755         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
756         if (head >= vq->vring.num)
757                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
758
759         /* When we start there are none of either input nor output. */
760         *out_num = *in_num = 0;
761
762         max = vq->vring.num;
763         desc = vq->vring.desc;
764         i = head;
765
766         /*
767          * We have to read the descriptor after we read the descriptor number,
768          * but there's a data dependency there so the CPU shouldn't reorder
769          * that: no rmb() required.
770          */
771
772         do {
773                 /*
774                  * If this is an indirect entry, then this buffer contains a
775                  * descriptor table which we handle as if it's any normal
776                  * descriptor chain.
777                  */
778                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_INDIRECT) {
779                         if (desc[i].len % sizeof(struct vring_desc))
780                                 errx(1, "Invalid size for indirect buffer table");
781
782                         max = desc[i].len / sizeof(struct vring_desc);
783                         desc = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
784                         i = 0;
785                 }
786
787                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
788                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = desc[i].len;
789                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
790                         = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
791                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
792                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
793                         (*in_num)++;
794                 else {
795                         /*
796                          * If it's an output descriptor, they're all supposed
797                          * to come before any input descriptors.
798                          */
799                         if (*in_num)
800                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
801                         (*out_num)++;
802                 }
803
804                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
805                 if (*out_num + *in_num > max)
806                         errx(1, "Looped descriptor");
807         } while ((i = next_desc(desc, i, max)) != max);
808
809         return head;
810 }
811
812 /*
813  * After we've used one of their buffers, we tell the Guest about it.  Sometime
814  * later we'll want to send them an interrupt using trigger_irq(); note that
815  * wait_for_vq_desc() does that for us if it has to wait.
816  */
817 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
818 {
819         struct vring_used_elem *used;
820
821         /*
822          * The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
823          * next entry in that used ring.
824          */
825         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
826         used->id = head;
827         used->len = len;
828         /* Make sure buffer is written before we update index. */
829         wmb();
830         vq->vring.used->idx++;
831         vq->pending_used++;
832 }
833
834 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
835 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
836 {
837         add_used(vq, head, len);
838         trigger_irq(vq);
839 }
840
841 /*
842  * The Console
843  *
844  * We associate some data with the console for our exit hack.
845  */
846 struct console_abort {
847         /* How many times have they hit ^C? */
848         int count;
849         /* When did they start? */
850         struct timeval start;
851 };
852
853 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
854 static void console_input(struct virtqueue *vq)
855 {
856         int len;
857         unsigned int head, in_num, out_num;
858         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
859         struct iovec iov[vq->vring.num];
860
861         /* Make sure there's a descriptor available. */
862         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
863         if (out_num)
864                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
865
866         /* Read into it.  This is where we usually wait. */
867         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
868         if (len <= 0) {
869                 /* Ran out of input? */
870                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
871                 /*
872                  * For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
873                  * just nap here.
874                  */
875                 for (;;)
876                         pause();
877         }
878
879         /* Tell the Guest we used a buffer. */
880         add_used_and_trigger(vq, head, len);
881
882         /*
883          * Three ^C within one second?  Exit.
884          *
885          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
886          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
887          * that we get three within about a second, so they can't be too
888          * slow.
889          */
890         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
891                 abort->count = 0;
892                 return;
893         }
894
895         abort->count++;
896         if (abort->count == 1)
897                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
898         else if (abort->count == 3) {
899                 struct timeval now;
900                 gettimeofday(&now, NULL);
901                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
902                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
903                         kill(0, SIGINT);
904                 abort->count = 0;
905         }
906 }
907
908 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
909 static void console_output(struct virtqueue *vq)
910 {
911         unsigned int head, out, in;
912         struct iovec iov[vq->vring.num];
913
914         /* We usually wait in here, for the Guest to give us something. */
915         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
916         if (in)
917                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
918
919         /* writev can return a partial write, so we loop here. */
920         while (!iov_empty(iov, out)) {
921                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
922                 if (len <= 0) {
923                         warn("Write to stdout gave %i (%d)", len, errno);
924                         break;
925                 }
926                 iov_consume(iov, out, NULL, len);
927         }
928
929         /*
930          * We're finished with that buffer: if we're going to sleep,
931          * wait_for_vq_desc() will prod the Guest with an interrupt.
932          */
933         add_used(vq, head, 0);
934 }
935
936 /*
937  * The Network
938  *
939  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
940  * and write them to /dev/net/tun.
941  */
942 struct net_info {
943         int tunfd;
944 };
945
946 static void net_output(struct virtqueue *vq)
947 {
948         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
949         unsigned int head, out, in;
950         struct iovec iov[vq->vring.num];
951
952         /* We usually wait in here for the Guest to give us a packet. */
953         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
954         if (in)
955                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
956         /*
957          * Send the whole thing through to /dev/net/tun.  It expects the exact
958          * same format: what a coincidence!
959          */
960         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
961                 warnx("Write to tun failed (%d)?", errno);
962
963         /*
964          * Done with that one; wait_for_vq_desc() will send the interrupt if
965          * all packets are processed.
966          */
967         add_used(vq, head, 0);
968 }
969
970 /*
971  * Handling network input is a bit trickier, because I've tried to optimize it.
972  *
973  * First we have a helper routine which tells is if from this file descriptor
974  * (ie. the /dev/net/tun device) will block:
975  */
976 static bool will_block(int fd)
977 {
978         fd_set fdset;
979         struct timeval zero = { 0, 0 };
980         FD_ZERO(&fdset);
981         FD_SET(fd, &fdset);
982         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
983 }
984
985 /*
986  * This handles packets coming in from the tun device to our Guest.  Like all
987  * service routines, it gets called again as soon as it returns, so you don't
988  * see a while(1) loop here.
989  */
990 static void net_input(struct virtqueue *vq)
991 {
992         int len;
993         unsigned int head, out, in;
994         struct iovec iov[vq->vring.num];
995         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
996
997         /*
998          * Get a descriptor to write an incoming packet into.  This will also
999          * send an interrupt if they're out of descriptors.
1000          */
1001         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
1002         if (out)
1003                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
1004
1005         /*
1006          * If it looks like we'll block reading from the tun device, send them
1007          * an interrupt.
1008          */
1009         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
1010                 trigger_irq(vq);
1011
1012         /*
1013          * Read in the packet.  This is where we normally wait (when there's no
1014          * incoming network traffic).
1015          */
1016         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
1017         if (len <= 0)
1018                 warn("Failed to read from tun (%d).", errno);
1019
1020         /*
1021          * Mark that packet buffer as used, but don't interrupt here.  We want
1022          * to wait until we've done as much work as we can.
1023          */
1024         add_used(vq, head, len);
1025 }
1026 /*:*/
1027
1028 /* This is the helper to create threads: run the service routine in a loop. */
1029 static int do_thread(void *_vq)
1030 {
1031         struct virtqueue *vq = _vq;
1032
1033         for (;;)
1034                 vq->service(vq);
1035         return 0;
1036 }
1037
1038 /*
1039  * When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
1040  * also has the side effect that the shell restores the console for us!
1041  */
1042 static void kill_launcher(int signal)
1043 {
1044         kill(0, SIGTERM);
1045 }
1046
1047 static void reset_vq_pci_config(struct virtqueue *vq)
1048 {
1049         vq->pci_config.queue_size = VIRTQUEUE_NUM;
1050         vq->pci_config.queue_enable = 0;
1051 }
1052
1053 static void reset_device(struct device *dev)
1054 {
1055         struct virtqueue *vq;
1056
1057         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
1058
1059         /* Clear any features they've acked. */
1060         dev->features_accepted = 0;
1061
1062         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
1063         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
1064
1065         /*
1066          * 4.1.4.3.1:
1067          *
1068          *   The device MUST present a 0 in queue_enable on reset. 
1069          *
1070          * This means we set it here, and reset the saved ones in every vq.
1071          */
1072         dev->mmio->cfg.queue_enable = 0;
1073
1074         /* Get rid of the virtqueue threads */
1075         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1076                 vq->last_avail_idx = 0;
1077                 reset_vq_pci_config(vq);
1078                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
1079                         kill(vq->thread, SIGTERM);
1080                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
1081                         vq->thread = (pid_t)-1;
1082                 }
1083         }
1084         dev->running = false;
1085
1086         /* Now we care if threads die. */
1087         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
1088 }
1089
1090 static void cleanup_devices(void)
1091 {
1092         unsigned int i;
1093
1094         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1095                 struct device *d = devices.pci[i];
1096                 if (!d)
1097                         continue;
1098                 reset_device(d);
1099         }
1100
1101         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
1102         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
1103                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
1104 }
1105
1106 /*L:217
1107  * We do PCI.  This is mainly done to let us test the kernel virtio PCI
1108  * code.
1109  */
1110
1111 /* Linux expects a PCI host bridge: ours is a dummy, and first on the bus. */
1112 static struct device pci_host_bridge;
1113
1114 static void init_pci_host_bridge(void)
1115 {
1116         pci_host_bridge.name = "PCI Host Bridge";
1117         pci_host_bridge.config.class = 0x06; /* bridge */
1118         pci_host_bridge.config.subclass = 0; /* host bridge */
1119         devices.pci[0] = &pci_host_bridge;
1120 }
1121
1122 /* The IO ports used to read the PCI config space. */
1123 #define PCI_CONFIG_ADDR 0xCF8
1124 #define PCI_CONFIG_DATA 0xCFC
1125
1126 /*
1127  * Not really portable, but does help readability: this is what the Guest
1128  * writes to the PCI_CONFIG_ADDR IO port.
1129  */
1130 union pci_config_addr {
1131         struct {
1132                 unsigned mbz: 2;
1133                 unsigned offset: 6;
1134                 unsigned funcnum: 3;
1135                 unsigned devnum: 5;
1136                 unsigned busnum: 8;
1137                 unsigned reserved: 7;
1138                 unsigned enabled : 1;
1139         } bits;
1140         u32 val;
1141 };
1142
1143 /*
1144  * We cache what they wrote to the address port, so we know what they're
1145  * talking about when they access the data port.
1146  */
1147 static union pci_config_addr pci_config_addr;
1148
1149 static struct device *find_pci_device(unsigned int index)
1150 {
1151         return devices.pci[index];
1152 }
1153
1154 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte reads; we handle that here. */
1155 static void ioread(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *val)
1156 {
1157         assert(off < 4);
1158         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1159         *val = (v >> (off * 8)) & mask;
1160 }
1161
1162 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte writes; we handle that here. */
1163 static void iowrite(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *dst)
1164 {
1165         assert(off < 4);
1166         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1167         *dst &= ~(mask << (off * 8));
1168         *dst |= (v & mask) << (off * 8);
1169 }
1170
1171 /*
1172  * Where PCI_CONFIG_DATA accesses depends on the previous write to
1173  * PCI_CONFIG_ADDR.
1174  */
1175 static struct device *dev_and_reg(u32 *reg)
1176 {
1177         if (!pci_config_addr.bits.enabled)
1178                 return NULL;
1179
1180         if (pci_config_addr.bits.funcnum != 0)
1181                 return NULL;
1182
1183         if (pci_config_addr.bits.busnum != 0)
1184                 return NULL;
1185
1186         if (pci_config_addr.bits.offset * 4 >= sizeof(struct pci_config))
1187                 return NULL;
1188
1189         *reg = pci_config_addr.bits.offset;
1190         return find_pci_device(pci_config_addr.bits.devnum);
1191 }
1192
1193 /*
1194  * We can get invalid combinations of values while they're writing, so we
1195  * only fault if they try to write with some invalid bar/offset/length.
1196  */
1197 static bool valid_bar_access(struct device *d,
1198                              struct virtio_pci_cfg_cap *cfg_access)
1199 {
1200         /* We only have 1 bar (BAR0) */
1201         if (cfg_access->cap.bar != 0)
1202                 return false;
1203
1204         /* Check it's within BAR0. */
1205         if (cfg_access->cap.offset >= d->mmio_size
1206             || cfg_access->cap.offset + cfg_access->cap.length > d->mmio_size)
1207                 return false;
1208
1209         /* Check length is 1, 2 or 4. */
1210         if (cfg_access->cap.length != 1
1211             && cfg_access->cap.length != 2
1212             && cfg_access->cap.length != 4)
1213                 return false;
1214
1215         /*
1216          * 4.1.4.7.2:
1217          *
1218          *  The driver MUST NOT write a cap.offset which is not a multiple of
1219          *  cap.length (ie. all accesses MUST be aligned).
1220          */
1221         if (cfg_access->cap.offset % cfg_access->cap.length != 0)
1222                 return false;
1223
1224         /* Return pointer into word in BAR0. */
1225         return true;
1226 }
1227
1228 /* Is this accessing the PCI config address port?. */
1229 static bool is_pci_addr_port(u16 port)
1230 {
1231         return port >= PCI_CONFIG_ADDR && port < PCI_CONFIG_ADDR + 4;
1232 }
1233
1234 static bool pci_addr_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1235 {
1236         iowrite(port - PCI_CONFIG_ADDR, val, mask,
1237                 &pci_config_addr.val);
1238         verbose("PCI%s: %#x/%x: bus %u dev %u func %u reg %u\n",
1239                 pci_config_addr.bits.enabled ? "" : " DISABLED",
1240                 val, mask,
1241                 pci_config_addr.bits.busnum,
1242                 pci_config_addr.bits.devnum,
1243                 pci_config_addr.bits.funcnum,
1244                 pci_config_addr.bits.offset);
1245         return true;
1246 }
1247
1248 static void pci_addr_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1249 {
1250         ioread(port - PCI_CONFIG_ADDR, pci_config_addr.val, mask, val);
1251 }
1252
1253 /* Is this accessing the PCI config data port?. */
1254 static bool is_pci_data_port(u16 port)
1255 {
1256         return port >= PCI_CONFIG_DATA && port < PCI_CONFIG_DATA + 4;
1257 }
1258
1259 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask);
1260
1261 static bool pci_data_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1262 {
1263         u32 reg, portoff;
1264         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1265
1266         /* Complain if they don't belong to a device. */
1267         if (!d)
1268                 return false;
1269
1270         /* They can do 1 byte writes, etc. */
1271         portoff = port - PCI_CONFIG_DATA;
1272
1273         /*
1274          * PCI uses a weird way to determine the BAR size: the OS
1275          * writes all 1's, and sees which ones stick.
1276          */
1277         if (&d->config_words[reg] == &d->config.bar[0]) {
1278                 int i;
1279
1280                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.bar[0]);
1281                 for (i = 0; (1 << i) < d->mmio_size; i++)
1282                         d->config.bar[0] &= ~(1 << i);
1283                 return true;
1284         } else if ((&d->config_words[reg] > &d->config.bar[0]
1285                     && &d->config_words[reg] <= &d->config.bar[6])
1286                    || &d->config_words[reg] == &d->config.expansion_rom_addr) {
1287                 /* Allow writing to any other BAR, or expansion ROM */
1288                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1289                 return true;
1290                 /* We let them overide latency timer and cacheline size */
1291         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.cacheline_size) {
1292                 /* Only let them change the first two fields. */
1293                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1294                         mask = 0xFFFF;
1295                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1296                 return true;
1297         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.command
1298                    && mask == 0xFFFF) {
1299                 /* Ignore command writes. */
1300                 return true;
1301         } else if (&d->config_words[reg]
1302                    == (void *)&d->config.cfg_access.cap.bar
1303                    || &d->config_words[reg]
1304                    == &d->config.cfg_access.cap.length
1305                    || &d->config_words[reg]
1306                    == &d->config.cfg_access.cap.offset) {
1307
1308                 /*
1309                  * The VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG capability
1310                  * provides a backdoor to access the MMIO
1311                  * regions without mapping them.  Weird, but
1312                  * useful.
1313                  */
1314                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1315                 return true;
1316         } else if (&d->config_words[reg] == &d->config.cfg_access.pci_cfg_data) {
1317                 u32 write_mask;
1318
1319                 /*
1320                  * 4.1.4.7.1:
1321                  *
1322                  *  Upon detecting driver write access to pci_cfg_data, the
1323                  *  device MUST execute a write access at offset cap.offset at
1324                  *  BAR selected by cap.bar using the first cap.length bytes
1325                  *  from pci_cfg_data.
1326                  */
1327
1328                 /* Must be bar 0 */
1329                 if (!valid_bar_access(d, &d->config.cfg_access))
1330                         return false;
1331
1332                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.cfg_access.pci_cfg_data);
1333
1334                 /*
1335                  * Now emulate a write.  The mask we use is set by
1336                  * len, *not* this write!
1337                  */
1338                 write_mask = (1ULL<<(8*d->config.cfg_access.cap.length)) - 1;
1339                 verbose("Window writing %#x/%#x to bar %u, offset %u len %u\n",
1340                         d->config.cfg_access.pci_cfg_data, write_mask,
1341                         d->config.cfg_access.cap.bar,
1342                         d->config.cfg_access.cap.offset,
1343                         d->config.cfg_access.cap.length);
1344
1345                 emulate_mmio_write(d, d->config.cfg_access.cap.offset,
1346                                    d->config.cfg_access.pci_cfg_data,
1347                                    write_mask);
1348                 return true;
1349         }
1350
1351         /*
1352          * 4.1.4.1:
1353          *
1354          *  The driver MUST NOT write into any field of the capability
1355          *  structure, with the exception of those with cap_type
1356          *  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG...
1357          */
1358         return false;
1359 }
1360
1361 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask);
1362
1363 static void pci_data_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1364 {
1365         u32 reg;
1366         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1367
1368         if (!d)
1369                 return;
1370
1371         /* Read through the PCI MMIO access window is special */
1372         if (&d->config_words[reg] == &d->config.cfg_access.pci_cfg_data) {
1373                 u32 read_mask;
1374
1375                 /*
1376                  * 4.1.4.7.1:
1377                  *
1378                  *  Upon detecting driver read access to pci_cfg_data, the
1379                  *  device MUST execute a read access of length cap.length at
1380                  *  offset cap.offset at BAR selected by cap.bar and store the
1381                  *  first cap.length bytes in pci_cfg_data.
1382                  */
1383                 /* Must be bar 0 */
1384                 if (!valid_bar_access(d, &d->config.cfg_access))
1385                         errx(1, "Invalid cfg_access to bar%u, offset %u len %u",
1386                              d->config.cfg_access.cap.bar,
1387                              d->config.cfg_access.cap.offset,
1388                              d->config.cfg_access.cap.length);
1389
1390                 /*
1391                  * Read into the window.  The mask we use is set by
1392                  * len, *not* this read!
1393                  */
1394                 read_mask = (1ULL<<(8*d->config.cfg_access.cap.length))-1;
1395                 d->config.cfg_access.pci_cfg_data
1396                         = emulate_mmio_read(d,
1397                                             d->config.cfg_access.cap.offset,
1398                                             read_mask);
1399                 verbose("Window read %#x/%#x from bar %u, offset %u len %u\n",
1400                         d->config.cfg_access.pci_cfg_data, read_mask,
1401                         d->config.cfg_access.cap.bar,
1402                         d->config.cfg_access.cap.offset,
1403                         d->config.cfg_access.cap.length);
1404         }
1405         ioread(port - PCI_CONFIG_DATA, d->config_words[reg], mask, val);
1406 }
1407
1408 /*L:216
1409  * This is where we emulate a handful of Guest instructions.  It's ugly
1410  * and we used to do it in the kernel but it grew over time.
1411  */
1412
1413 /*
1414  * We use the ptrace syscall's pt_regs struct to talk about registers
1415  * to lguest: these macros convert the names to the offsets.
1416  */
1417 #define getreg(name) getreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name))
1418 #define setreg(name, val) \
1419         setreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name), (val))
1420
1421 static u32 getreg_off(size_t offset)
1422 {
1423         u32 r;
1424         unsigned long args[] = { LHREQ_GETREG, offset };
1425
1426         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1427                 err(1, "Getting register %u", offset);
1428         if (pread(lguest_fd, &r, sizeof(r), cpu_id) != sizeof(r))
1429                 err(1, "Reading register %u", offset);
1430
1431         return r;
1432 }
1433
1434 static void setreg_off(size_t offset, u32 val)
1435 {
1436         unsigned long args[] = { LHREQ_SETREG, offset, val };
1437
1438         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1439                 err(1, "Setting register %u", offset);
1440 }
1441
1442 /* Get register by instruction encoding */
1443 static u32 getreg_num(unsigned regnum, u32 mask)
1444 {
1445         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1446         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4))
1447                 return getreg_num(regnum & 0x3, 0xFFFF) >> 8;
1448
1449         switch (regnum) {
1450         case 0: return getreg(eax) & mask;
1451         case 1: return getreg(ecx) & mask;
1452         case 2: return getreg(edx) & mask;
1453         case 3: return getreg(ebx) & mask;
1454         case 4: return getreg(esp) & mask;
1455         case 5: return getreg(ebp) & mask;
1456         case 6: return getreg(esi) & mask;
1457         case 7: return getreg(edi) & mask;
1458         }
1459         abort();
1460 }
1461
1462 /* Set register by instruction encoding */
1463 static void setreg_num(unsigned regnum, u32 val, u32 mask)
1464 {
1465         /* Don't try to set bits out of range */
1466         assert(~(val & ~mask));
1467
1468         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1469         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4)) {
1470                 /* Construct the 16 bits we want. */
1471                 val = (val << 8) | getreg_num(regnum & 0x3, 0xFF);
1472                 setreg_num(regnum & 0x3, val, 0xFFFF);
1473                 return;
1474         }
1475
1476         switch (regnum) {
1477         case 0: setreg(eax, val | (getreg(eax) & ~mask)); return;
1478         case 1: setreg(ecx, val | (getreg(ecx) & ~mask)); return;
1479         case 2: setreg(edx, val | (getreg(edx) & ~mask)); return;
1480         case 3: setreg(ebx, val | (getreg(ebx) & ~mask)); return;
1481         case 4: setreg(esp, val | (getreg(esp) & ~mask)); return;
1482         case 5: setreg(ebp, val | (getreg(ebp) & ~mask)); return;
1483         case 6: setreg(esi, val | (getreg(esi) & ~mask)); return;
1484         case 7: setreg(edi, val | (getreg(edi) & ~mask)); return;
1485         }
1486         abort();
1487 }
1488
1489 /* Get bytes of displacement appended to instruction, from r/m encoding */
1490 static u32 insn_displacement_len(u8 mod_reg_rm)
1491 {
1492         /* Switch on the mod bits */
1493         switch (mod_reg_rm >> 6) {
1494         case 0:
1495                 /* If mod == 0, and r/m == 101, 16-bit displacement follows */
1496                 if ((mod_reg_rm & 0x7) == 0x5)
1497                         return 2;
1498                 /* Normally, mod == 0 means no literal displacement */
1499                 return 0;
1500         case 1:
1501                 /* One byte displacement */
1502                 return 1;
1503         case 2:
1504                 /* Four byte displacement */
1505                 return 4;
1506         case 3:
1507                 /* Register mode */
1508                 return 0;
1509         }
1510         abort();
1511 }
1512
1513 static void emulate_insn(const u8 insn[])
1514 {
1515         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 13 };
1516         unsigned int insnlen = 0, in = 0, small_operand = 0, byte_access;
1517         unsigned int eax, port, mask;
1518         /*
1519          * Default is to return all-ones on IO port reads, which traditionally
1520          * means "there's nothing there".
1521          */
1522         u32 val = 0xFFFFFFFF;
1523
1524         /*
1525          * This must be the Guest kernel trying to do something, not userspace!
1526          * The bottom two bits of the CS segment register are the privilege
1527          * level.
1528          */
1529         if ((getreg(xcs) & 3) != 0x1)
1530                 goto no_emulate;
1531
1532         /* Decoding x86 instructions is icky. */
1533
1534         /*
1535          * Around 2.6.33, the kernel started using an emulation for the
1536          * cmpxchg8b instruction in early boot on many configurations.  This
1537          * code isn't paravirtualized, and it tries to disable interrupts.
1538          * Ignore it, which will Mostly Work.
1539          */
1540         if (insn[insnlen] == 0xfa) {
1541                 /* "cli", or Clear Interrupt Enable instruction.  Skip it. */
1542                 insnlen = 1;
1543                 goto skip_insn;
1544         }
1545
1546         /*
1547          * 0x66 is an "operand prefix".  It means a 16, not 32 bit in/out.
1548          */
1549         if (insn[insnlen] == 0x66) {
1550                 small_operand = 1;
1551                 /* The instruction is 1 byte so far, read the next byte. */
1552                 insnlen = 1;
1553         }
1554
1555         /* If the lower bit isn't set, it's a single byte access */
1556         byte_access = !(insn[insnlen] & 1);
1557
1558         /*
1559          * Now we can ignore the lower bit and decode the 4 opcodes
1560          * we need to emulate.
1561          */
1562         switch (insn[insnlen] & 0xFE) {
1563         case 0xE4: /* in     <next byte>,%al */
1564                 port = insn[insnlen+1];
1565                 insnlen += 2;
1566                 in = 1;
1567                 break;
1568         case 0xEC: /* in     (%dx),%al */
1569                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1570                 insnlen += 1;
1571                 in = 1;
1572                 break;
1573         case 0xE6: /* out    %al,<next byte> */
1574                 port = insn[insnlen+1];
1575                 insnlen += 2;
1576                 break;
1577         case 0xEE: /* out    %al,(%dx) */
1578                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1579                 insnlen += 1;
1580                 break;
1581         default:
1582                 /* OK, we don't know what this is, can't emulate. */
1583                 goto no_emulate;
1584         }
1585
1586         /* Set a mask of the 1, 2 or 4 bytes, depending on size of IO */
1587         if (byte_access)
1588                 mask = 0xFF;
1589         else if (small_operand)
1590                 mask = 0xFFFF;
1591         else
1592                 mask = 0xFFFFFFFF;
1593
1594         /*
1595          * If it was an "IN" instruction, they expect the result to be read
1596          * into %eax, so we change %eax.
1597          */
1598         eax = getreg(eax);
1599
1600         if (in) {
1601                 /* This is the PS/2 keyboard status; 1 means ready for output */
1602                 if (port == 0x64)
1603                         val = 1;
1604                 else if (is_pci_addr_port(port))
1605                         pci_addr_ioread(port, mask, &val);
1606                 else if (is_pci_data_port(port))
1607                         pci_data_ioread(port, mask, &val);
1608
1609                 /* Clear the bits we're about to read */
1610                 eax &= ~mask;
1611                 /* Copy bits in from val. */
1612                 eax |= val & mask;
1613                 /* Now update the register. */
1614                 setreg(eax, eax);
1615         } else {
1616                 if (is_pci_addr_port(port)) {
1617                         if (!pci_addr_iowrite(port, mask, eax))
1618                                 goto bad_io;
1619                 } else if (is_pci_data_port(port)) {
1620                         if (!pci_data_iowrite(port, mask, eax))
1621                                 goto bad_io;
1622                 }
1623                 /* There are many other ports, eg. CMOS clock, serial
1624                  * and parallel ports, so we ignore them all. */
1625         }
1626
1627         verbose("IO %s of %x to %u: %#08x\n",
1628                 in ? "IN" : "OUT", mask, port, eax);
1629 skip_insn:
1630         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1631         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1632         return;
1633
1634 bad_io:
1635         warnx("Attempt to %s port %u (%#x mask)",
1636               in ? "read from" : "write to", port, mask);
1637
1638 no_emulate:
1639         /* Inject trap into Guest. */
1640         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1641                 err(1, "Reinjecting trap 13 for fault at %#x", getreg(eip));
1642 }
1643
1644 static struct device *find_mmio_region(unsigned long paddr, u32 *off)
1645 {
1646         unsigned int i;
1647
1648         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1649                 struct device *d = devices.pci[i];
1650
1651                 if (!d)
1652                         continue;
1653                 if (paddr < d->mmio_addr)
1654                         continue;
1655                 if (paddr >= d->mmio_addr + d->mmio_size)
1656                         continue;
1657                 *off = paddr - d->mmio_addr;
1658                 return d;
1659         }
1660         return NULL;
1661 }
1662
1663 /* FIXME: Use vq array. */
1664 static struct virtqueue *vq_by_num(struct device *d, u32 num)
1665 {
1666         struct virtqueue *vq = d->vq;
1667
1668         while (num-- && vq)
1669                 vq = vq->next;
1670
1671         return vq;
1672 }
1673
1674 static void save_vq_config(const struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1675                            struct virtqueue *vq)
1676 {
1677         vq->pci_config = *cfg;
1678 }
1679
1680 static void restore_vq_config(struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1681                               struct virtqueue *vq)
1682 {
1683         /* Only restore the per-vq part */
1684         size_t off = offsetof(struct virtio_pci_common_cfg, queue_size);
1685
1686         memcpy((void *)cfg + off, (void *)&vq->pci_config + off,
1687                sizeof(*cfg) - off);
1688 }
1689
1690 /*
1691  * When they enable the virtqueue, we check that their setup is valid.
1692  */
1693 static void enable_virtqueue(struct device *d, struct virtqueue *vq)
1694 {
1695         /*
1696          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1697          * the stack pointer to the end of this region.
1698          */
1699         char *stack = malloc(32768);
1700
1701         /* Because lguest is 32 bit, all the descriptor high bits must be 0 */
1702         if (vq->pci_config.queue_desc_hi
1703             || vq->pci_config.queue_avail_hi
1704             || vq->pci_config.queue_used_hi)
1705                 errx(1, "%s: invalid 64-bit queue address", d->name);
1706
1707         /* Initialize the virtqueue and check they're all in range. */
1708         vq->vring.num = vq->pci_config.queue_size;
1709         vq->vring.desc = check_pointer(vq->pci_config.queue_desc_lo,
1710                                        sizeof(*vq->vring.desc) * vq->vring.num);
1711         vq->vring.avail = check_pointer(vq->pci_config.queue_avail_lo,
1712                                         sizeof(*vq->vring.avail)
1713                                         + (sizeof(vq->vring.avail->ring[0])
1714                                            * vq->vring.num));
1715         vq->vring.used = check_pointer(vq->pci_config.queue_used_lo,
1716                                        sizeof(*vq->vring.used)
1717                                        + (sizeof(vq->vring.used->ring[0])
1718                                           * vq->vring.num));
1719
1720
1721         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1722         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1723         if (vq->eventfd < 0)
1724                 err(1, "Creating eventfd");
1725
1726         /*
1727          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1728          * we get a signal if it dies.
1729          */
1730         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1731         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1732                 err(1, "Creating clone");
1733 }
1734
1735 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask)
1736 {
1737         struct virtqueue *vq;
1738
1739         switch (off) {
1740         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1741                 /*
1742                  * 4.1.4.3.1:
1743                  *
1744                  * The device MUST present the feature bits it is offering in
1745                  * device_feature, starting at bit device_feature_select ∗ 32
1746                  * for any device_feature_select written by the driver
1747                  */
1748                 if (val == 0)
1749                         d->mmio->cfg.device_feature = d->features;
1750                 else if (val == 1)
1751                         d->mmio->cfg.device_feature = (d->features >> 32);
1752                 else
1753                         d->mmio->cfg.device_feature = 0;
1754                 goto write_through32;
1755         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1756                 if (val > 1)
1757                         errx(1, "%s: Unexpected driver select %u",
1758                              d->name, val);
1759                 goto write_through32;
1760         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1761                 if (d->mmio->cfg.guest_feature_select == 0) {
1762                         d->features_accepted &= ~((u64)0xFFFFFFFF);
1763                         d->features_accepted |= val;
1764                 } else {
1765                         assert(d->mmio->cfg.guest_feature_select == 1);
1766                         d->features_accepted &= 0xFFFFFFFF;
1767                         d->features_accepted |= ((u64)val) << 32;
1768                 }
1769                 if (d->features_accepted & ~d->features)
1770                         errx(1, "%s: over-accepted features %#llx of %#llx",
1771                              d->name, d->features_accepted, d->features);
1772                 goto write_through32;
1773         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1774                 verbose("%s: device status -> %#x\n", d->name, val);
1775                 /*
1776                  * 4.1.4.3.1:
1777                  * 
1778                  *  The device MUST reset when 0 is written to device_status,
1779                  *  and present a 0 in device_status once that is done.
1780                  */
1781                 if (val == 0)
1782                         reset_device(d);
1783                 goto write_through8;
1784         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_select):
1785                 vq = vq_by_num(d, val);
1786                 /*
1787                  * 4.1.4.3.1:
1788                  *
1789                  *  The device MUST present a 0 in queue_size if the virtqueue
1790                  *  corresponding to the current queue_select is unavailable.
1791                  */
1792                 if (!vq) {
1793                         d->mmio->cfg.queue_size = 0;
1794                         goto write_through16;
1795                 }
1796                 /* Save registers for old vq, if it was a valid vq */
1797                 if (d->mmio->cfg.queue_size)
1798                         save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1799                                        vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1800                 /* Restore the registers for the queue they asked for */
1801                 restore_vq_config(&d->mmio->cfg, vq);
1802                 goto write_through16;
1803         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_size):
1804                 /*
1805                  * 4.1.4.3.2:
1806                  *
1807                  *  The driver MUST NOT write a value which is not a power of 2
1808                  *  to queue_size.
1809                  */
1810                 if (val & (val-1))
1811                         errx(1, "%s: invalid queue size %u\n", d->name, val);
1812                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1813                         errx(1, "%s: changing queue size on live device",
1814                              d->name);
1815                 goto write_through16;
1816         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_msix_vector):
1817                 errx(1, "%s: attempt to set MSIX vector to %u",
1818                      d->name, val);
1819         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_enable):
1820                 /*
1821                  * 4.1.4.3.2:
1822                  *
1823                  *  The driver MUST NOT write a 0 to queue_enable.
1824                  */
1825                 if (val != 1)
1826                         errx(1, "%s: setting queue_enable to %u", d->name, val);
1827                 d->mmio->cfg.queue_enable = val;
1828                 save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1829                                vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1830                 /*
1831                  * 4.1.4.3.2:
1832                  *
1833                  *  The driver MUST configure the other virtqueue fields before
1834                  *  enabling the virtqueue with queue_enable.
1835                  */
1836                 enable_virtqueue(d, vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1837                 goto write_through16;
1838         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_notify_off):
1839                 errx(1, "%s: attempt to write to queue_notify_off", d->name);
1840         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_lo):
1841         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_hi):
1842         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_lo):
1843         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_hi):
1844         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_lo):
1845         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_hi):
1846                 /*
1847                  * 4.1.4.3.2:
1848                  *
1849                  *  The driver MUST configure the other virtqueue fields before
1850                  *  enabling the virtqueue with queue_enable.
1851                  */
1852                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1853                         errx(1, "%s: changing queue on live device",
1854                              d->name);
1855                 goto write_through32;
1856         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1857                 vq = vq_by_num(d, val);
1858                 if (!vq)
1859                         errx(1, "Invalid vq notification on %u", val);
1860                 /* Notify the process handling this vq by adding 1 to eventfd */
1861                 write(vq->eventfd, "\1\0\0\0\0\0\0\0", 8);
1862                 goto write_through16;
1863         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1864                 errx(1, "%s: Unexpected write to isr", d->name);
1865         /* Weird corner case: write to emerg_wr of console */
1866         case sizeof(struct virtio_pci_mmio)
1867                 + offsetof(struct virtio_console_config, emerg_wr):
1868                 if (strcmp(d->name, "console") == 0) {
1869                         char c = val;
1870                         write(STDOUT_FILENO, &c, 1);
1871                         goto write_through32;
1872                 }
1873                 /* Fall through... */
1874         default:
1875                 /*
1876                  * 4.1.4.3.2:
1877                  *
1878                  *   The driver MUST NOT write to device_feature, num_queues,
1879                  *   config_generation or queue_notify_off.
1880                  */
1881                 errx(1, "%s: Unexpected write to offset %u", d->name, off);
1882         }
1883
1884
1885         /*
1886          * 4.1.3.1:
1887          *
1888          *  The driver MUST access each field using the “natural” access
1889          *  method, i.e. 32-bit accesses for 32-bit fields, 16-bit accesses for
1890          *  16-bit fields and 8-bit accesses for 8-bit fields.
1891          */
1892 write_through32:
1893         if (mask != 0xFFFFFFFF) {
1894                 errx(1, "%s: non-32-bit write to offset %u (%#x)",
1895                      d->name, off, getreg(eip));
1896                 return;
1897         }
1898         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 4);
1899         return;
1900
1901 write_through16:
1902         if (mask != 0xFFFF)
1903                 errx(1, "%s: non-16-bit (%#x) write to offset %u (%#x)",
1904                      d->name, mask, off, getreg(eip));
1905         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 2);
1906         return;
1907
1908 write_through8:
1909         if (mask != 0xFF)
1910                 errx(1, "%s: non-8-bit write to offset %u (%#x)",
1911                      d->name, off, getreg(eip));
1912         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 1);
1913         return;
1914 }
1915
1916 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask)
1917 {
1918         u8 isr;
1919         u32 val = 0;
1920
1921         switch (off) {
1922         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1923         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature):
1924         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1925         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1926                 goto read_through32;
1927         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.msix_config):
1928                 errx(1, "%s: read of msix_config", d->name);
1929         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.num_queues):
1930                 goto read_through16;
1931         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1932         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.config_generation):
1933                 /*
1934                  * 4.1.4.3.1:
1935                  *
1936                  *  The device MUST present a changed config_generation after
1937                  *  the driver has read a device-specific configuration value
1938                  *  which has changed since any part of the device-specific
1939                  *  configuration was last read.
1940                  *
1941                  * This is simple: none of our devices change config, so this
1942                  * is always 0.
1943                  */
1944                 goto read_through8;
1945         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1946                 goto read_through16;
1947         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1948                 if (mask != 0xFF)
1949                         errx(1, "%s: non-8-bit read from offset %u (%#x)",
1950                              d->name, off, getreg(eip));
1951                 isr = d->mmio->isr;
1952                 /*
1953                  * 4.1.4.5.1:
1954                  *
1955                  *  The device MUST reset ISR status to 0 on driver read. 
1956                  */
1957                 d->mmio->isr = 0;
1958                 return isr;
1959         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, padding):
1960                 errx(1, "%s: read from padding (%#x)",
1961                      d->name, getreg(eip));
1962         default:
1963                 /* Read from device config space, beware unaligned overflow */
1964                 if (off > d->mmio_size - 4)
1965                         errx(1, "%s: read past end (%#x)",
1966                              d->name, getreg(eip));
1967                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1968                         goto read_through32;
1969                 else if (mask == 0xFFFF)
1970                         goto read_through16;
1971                 else
1972                         goto read_through8;
1973         }
1974
1975         /*
1976          * 4.1.3.1:
1977          *
1978          *  The driver MUST access each field using the “natural” access
1979          *  method, i.e. 32-bit accesses for 32-bit fields, 16-bit accesses for
1980          *  16-bit fields and 8-bit accesses for 8-bit fields.
1981          */
1982 read_through32:
1983         if (mask != 0xFFFFFFFF)
1984                 errx(1, "%s: non-32-bit read to offset %u (%#x)",
1985                      d->name, off, getreg(eip));
1986         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 4);
1987         return val;
1988
1989 read_through16:
1990         if (mask != 0xFFFF)
1991                 errx(1, "%s: non-16-bit read to offset %u (%#x)",
1992                      d->name, off, getreg(eip));
1993         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 2);
1994         return val;
1995
1996 read_through8:
1997         if (mask != 0xFF)
1998                 errx(1, "%s: non-8-bit read to offset %u (%#x)",
1999                      d->name, off, getreg(eip));
2000         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 1);
2001         return val;
2002 }
2003
2004 static void emulate_mmio(unsigned long paddr, const u8 *insn)
2005 {
2006         u32 val, off, mask = 0xFFFFFFFF, insnlen = 0;
2007         struct device *d = find_mmio_region(paddr, &off);
2008         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 14 };
2009
2010         if (!d) {
2011                 warnx("MMIO touching %#08lx (not a device)", paddr);
2012                 goto reinject;
2013         }
2014
2015         /* Prefix makes it a 16 bit op */
2016         if (insn[0] == 0x66) {
2017                 mask = 0xFFFF;
2018                 insnlen++;
2019         }
2020
2021         /* iowrite */
2022         if (insn[insnlen] == 0x89) {
2023                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
2024                 val = getreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, mask);
2025                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
2026                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
2027         } else if (insn[insnlen] == 0x8b) { /* ioread */
2028                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
2029                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
2030                 setreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, val, mask);
2031                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
2032         } else if (insn[0] == 0x88) { /* 8-bit iowrite */
2033                 mask = 0xff;
2034                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
2035                 val = getreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, mask);
2036                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
2037                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
2038         } else if (insn[0] == 0x8a) { /* 8-bit ioread */
2039                 mask = 0xff;
2040                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
2041                 setreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, val, mask);
2042                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
2043         } else {
2044                 warnx("Unknown MMIO instruction touching %#08lx:"
2045                      " %02x %02x %02x %02x at %u",
2046                      paddr, insn[0], insn[1], insn[2], insn[3], getreg(eip));
2047         reinject:
2048                 /* Inject trap into Guest. */
2049                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
2050                         err(1, "Reinjecting trap 14 for fault at %#x",
2051                             getreg(eip));
2052                 return;
2053         }
2054
2055         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
2056         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
2057 }
2058
2059 /*L:190
2060  * Device Setup
2061  *
2062  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
2063  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
2064  * routines to allocate and manage them.
2065  */
2066 static void add_pci_virtqueue(struct device *dev,
2067                               void (*service)(struct virtqueue *))
2068 {
2069         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2070
2071         /* Initialize the virtqueue */
2072         vq->next = NULL;
2073         vq->last_avail_idx = 0;
2074         vq->dev = dev;
2075
2076         /*
2077          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2078          * once it's running.
2079          */
2080         vq->service = service;
2081         vq->thread = (pid_t)-1;
2082
2083         /* Initialize the configuration. */
2084         reset_vq_pci_config(vq);
2085         vq->pci_config.queue_notify_off = 0;
2086
2087         /* Add one to the number of queues */
2088         vq->dev->mmio->cfg.num_queues++;
2089
2090         /*
2091          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2092          * second.
2093          */
2094         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2095         *i = vq;
2096 }
2097
2098 /* The Guest accesses the feature bits via the PCI common config MMIO region */
2099 static void add_pci_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2100 {
2101         dev->features |= (1ULL << bit);
2102 }
2103
2104 /* For devices with no config. */
2105 static void no_device_config(struct device *dev)
2106 {
2107         dev->mmio_addr = get_mmio_region(dev->mmio_size);
2108
2109         dev->config.bar[0] = dev->mmio_addr;
2110         /* Bottom 4 bits must be zero */
2111         assert(~(dev->config.bar[0] & 0xF));
2112 }
2113
2114 /* This puts the device config into BAR0 */
2115 static void set_device_config(struct device *dev, const void *conf, size_t len)
2116 {
2117         /* Set up BAR 0 */
2118         dev->mmio_size += len;
2119         dev->mmio = realloc(dev->mmio, dev->mmio_size);
2120         memcpy(dev->mmio + 1, conf, len);
2121
2122         /*
2123          * 4.1.4.6:
2124          *
2125          *  The device MUST present at least one VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG
2126          *  capability for any device type which has a device-specific
2127          *  configuration.
2128          */
2129         /* Hook up device cfg */
2130         dev->config.cfg_access.cap.cap_next
2131                 = offsetof(struct pci_config, device);
2132
2133         /*
2134          * 4.1.4.6.1:
2135          *
2136          *  The offset for the device-specific configuration MUST be 4-byte
2137          *  aligned.
2138          */
2139         assert(dev->config.cfg_access.cap.cap_next % 4 == 0);
2140
2141         /* Fix up device cfg field length. */
2142         dev->config.device.length = len;
2143
2144         /* The rest is the same as the no-config case */
2145         no_device_config(dev);
2146 }
2147
2148 static void init_cap(struct virtio_pci_cap *cap, size_t caplen, int type,
2149                      size_t bar_offset, size_t bar_bytes, u8 next)
2150 {
2151         cap->cap_vndr = PCI_CAP_ID_VNDR;
2152         cap->cap_next = next;
2153         cap->cap_len = caplen;
2154         cap->cfg_type = type;
2155         cap->bar = 0;
2156         memset(cap->padding, 0, sizeof(cap->padding));
2157         cap->offset = bar_offset;
2158         cap->length = bar_bytes;
2159 }
2160
2161 /*
2162  * This sets up the pci_config structure, as defined in the virtio 1.0
2163  * standard (and PCI standard).
2164  */
2165 static void init_pci_config(struct pci_config *pci, u16 type,
2166                             u8 class, u8 subclass)
2167 {
2168         size_t bar_offset, bar_len;
2169
2170         /*
2171          * 4.1.4.4.1:
2172          *
2173          *  The device MUST either present notify_off_multiplier as an even
2174          *  power of 2, or present notify_off_multiplier as 0.
2175          */
2176         memset(pci, 0, sizeof(*pci));
2177
2178         /* 4.1.2.1: Devices MUST have the PCI Vendor ID 0x1AF4 */
2179         pci->vendor_id = 0x1AF4;
2180         /* 4.1.2.1: ... PCI Device ID calculated by adding 0x1040 ... */
2181         pci->device_id = 0x1040 + type;
2182
2183         /*
2184          * PCI have specific codes for different types of devices.
2185          * Linux doesn't care, but it's a good clue for people looking
2186          * at the device.
2187          */
2188         pci->class = class;
2189         pci->subclass = subclass;
2190
2191         /*
2192          * 4.1.2.1:
2193          *
2194          *  Non-transitional devices SHOULD have a PCI Revision ID of 1 or
2195          *  higher
2196          */
2197         pci->revid = 1;
2198
2199         /*
2200          * 4.1.2.1:
2201          *
2202          *  Non-transitional devices SHOULD have a PCI Subsystem Device ID of
2203          *  0x40 or higher.
2204          */
2205         pci->subsystem_device_id = 0x40;
2206
2207         /* We use our dummy interrupt controller, and irq_line is the irq */
2208         pci->irq_line = devices.next_irq++;
2209         pci->irq_pin = 0;
2210
2211         /* Support for extended capabilities. */
2212         pci->status = (1 << 4);
2213
2214         /* Link them in. */
2215         /*
2216          * 4.1.4.3.1:
2217          *
2218          *  The device MUST present at least one common configuration
2219          *  capability.
2220          */
2221         pci->capabilities = offsetof(struct pci_config, common);
2222
2223         /* 4.1.4.3.1 ... offset MUST be 4-byte aligned. */
2224         assert(pci->capabilities % 4 == 0);
2225
2226         bar_offset = offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg);
2227         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->cfg);
2228         init_cap(&pci->common, sizeof(pci->common), VIRTIO_PCI_CAP_COMMON_CFG,
2229                  bar_offset, bar_len,
2230                  offsetof(struct pci_config, notify));
2231
2232         /*
2233          * 4.1.4.4.1:
2234          *
2235          *  The device MUST present at least one notification capability.
2236          */
2237         bar_offset += bar_len;
2238         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->notify);
2239
2240         /*
2241          * 4.1.4.4.1:
2242          *
2243          *  The cap.offset MUST be 2-byte aligned.
2244          */
2245         assert(pci->common.cap_next % 2 == 0);
2246
2247         /* FIXME: Use a non-zero notify_off, for per-queue notification? */
2248         /*
2249          * 4.1.4.4.1:
2250          *
2251          *  The value cap.length presented by the device MUST be at least 2 and
2252          *  MUST be large enough to support queue notification offsets for all
2253          *  supported queues in all possible configurations.
2254          */
2255         assert(bar_len >= 2);
2256
2257         init_cap(&pci->notify.cap, sizeof(pci->notify),
2258                  VIRTIO_PCI_CAP_NOTIFY_CFG,
2259                  bar_offset, bar_len,
2260                  offsetof(struct pci_config, isr));
2261
2262         bar_offset += bar_len;
2263         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->isr);
2264         /*
2265          * 4.1.4.5.1:
2266          *
2267          *  The device MUST present at least one VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG
2268          *  capability.
2269          */
2270         init_cap(&pci->isr, sizeof(pci->isr),
2271                  VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG,
2272                  bar_offset, bar_len,
2273                  offsetof(struct pci_config, cfg_access));
2274
2275         /*
2276          * 4.1.4.7.1:
2277          *
2278          * The device MUST present at least one VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG
2279          * capability.
2280          */
2281         /* This doesn't have any presence in the BAR */
2282         init_cap(&pci->cfg_access.cap, sizeof(pci->cfg_access),
2283                  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG,
2284                  0, 0, 0);
2285
2286         bar_offset += bar_len + sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->padding);
2287         assert(bar_offset == sizeof(struct virtio_pci_mmio));
2288
2289         /*
2290          * This gets sewn in and length set in set_device_config().
2291          * Some devices don't have a device configuration interface, so
2292          * we never expose this if we don't call set_device_config().
2293          */
2294         init_cap(&pci->device, sizeof(pci->device), VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG,
2295                  bar_offset, 0, 0);
2296 }
2297
2298 /*
2299  * This routine does all the creation and setup of a new device, but we don't
2300  * actually place the MMIO region until we know the size (if any) of the
2301  * device-specific config.  And we don't actually start the service threads
2302  * until later.
2303  *
2304  * See what I mean about userspace being boring?
2305  */
2306 static struct device *new_pci_device(const char *name, u16 type,
2307                                      u8 class, u8 subclass)
2308 {
2309         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2310
2311         /* Now we populate the fields one at a time. */
2312         dev->name = name;
2313         dev->vq = NULL;
2314         dev->running = false;
2315         dev->mmio_size = sizeof(struct virtio_pci_mmio);
2316         dev->mmio = calloc(1, dev->mmio_size);
2317         dev->features = (u64)1 << VIRTIO_F_VERSION_1;
2318         dev->features_accepted = 0;
2319
2320         if (devices.device_num + 1 >= MAX_PCI_DEVICES)
2321                 errx(1, "Can only handle 31 PCI devices");
2322
2323         init_pci_config(&dev->config, type, class, subclass);
2324         assert(!devices.pci[devices.device_num+1]);
2325         devices.pci[++devices.device_num] = dev;
2326
2327         return dev;
2328 }
2329
2330 /*
2331  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
2332  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
2333  */
2334 static void setup_console(void)
2335 {
2336         struct device *dev;
2337         struct virtio_console_config conf;
2338
2339         /* If we can save the initial standard input settings... */
2340         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
2341                 struct termios term = orig_term;
2342                 /*
2343                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
2344                  * raw input stream to the Guest.
2345                  */
2346                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
2347                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
2348         }
2349
2350         dev = new_pci_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE, 0x07, 0x00);
2351
2352         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
2353         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
2354         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
2355
2356         /*
2357          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
2358          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
2359          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
2360          * stdout.
2361          */
2362         add_pci_virtqueue(dev, console_input);
2363         add_pci_virtqueue(dev, console_output);
2364
2365         /* We need a configuration area for the emerg_wr early writes. */
2366         add_pci_feature(dev, VIRTIO_CONSOLE_F_EMERG_WRITE);
2367         set_device_config(dev, &conf, sizeof(conf));
2368
2369         verbose("device %u: console\n", devices.device_num);
2370 }
2371 /*:*/
2372
2373 /*M:010
2374  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
2375  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
2376  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
2377  *
2378  * More sophisticated is to use one of the tools developed for project like UML
2379  * to do networking.
2380  *
2381  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
2382  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
2383  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
2384  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
2385  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
2386  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
2387  *
2388  * Finally, we could use a virtio network switch in the kernel, ie. vhost.
2389 :*/
2390
2391 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
2392 {
2393         unsigned int b[4];
2394
2395         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
2396                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
2397         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
2398 }
2399
2400 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
2401 {
2402         unsigned int m[6];
2403         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
2404                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
2405                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
2406         mac[0] = m[0];
2407         mac[1] = m[1];
2408         mac[2] = m[2];
2409         mac[3] = m[3];
2410         mac[4] = m[4];
2411         mac[5] = m[5];
2412 }
2413
2414 /*
2415  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
2416  * network device to the bridge device specified by the command line.
2417  *
2418  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
2419  * dislike bridging), and I just try not to break it.
2420  */
2421 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
2422 {
2423         int ifidx;
2424         struct ifreq ifr;
2425
2426         if (!*br_name)
2427                 errx(1, "must specify bridge name");
2428
2429         ifidx = if_nametoindex(if_name);
2430         if (!ifidx)
2431                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
2432
2433         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
2434         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
2435         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
2436         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
2437                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
2438 }
2439
2440 /*
2441  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
2442  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
2443  * pointer.
2444  */
2445 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
2446 {
2447         struct ifreq ifr;
2448         struct sockaddr_in sin;
2449
2450         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2451         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
2452
2453         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
2454         sin.sin_family = AF_INET;
2455         sin.sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
2456         memcpy(&ifr.ifr_addr, &sin, sizeof(sin));
2457         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
2458                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
2459         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
2460         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
2461                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
2462 }
2463
2464 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
2465 {
2466         struct ifreq ifr;
2467         int vnet_hdr_sz;
2468         int netfd;
2469
2470         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
2471         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2472
2473         /*
2474          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
2475          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
2476          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
2477          * works now!
2478          */
2479         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
2480         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
2481         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
2482         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
2483                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
2484
2485         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
2486                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
2487                 err(1, "Could not set features for tun device");
2488
2489         /*
2490          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
2491          * device: trust us!
2492          */
2493         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
2494
2495         /*
2496          * In virtio before 1.0 (aka legacy virtio), we added a 16-bit
2497          * field at the end of the network header iff
2498          * VIRTIO_NET_F_MRG_RXBUF was negotiated.  For virtio 1.0,
2499          * that became the norm, but we need to tell the tun device
2500          * about our expanded header (which is called
2501          * virtio_net_hdr_mrg_rxbuf in the legacy system).
2502          */
2503         vnet_hdr_sz = sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf);
2504         if (ioctl(netfd, TUNSETVNETHDRSZ, &vnet_hdr_sz) != 0)
2505                 err(1, "Setting tun header size to %u", vnet_hdr_sz);
2506
2507         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
2508         return netfd;
2509 }
2510
2511 /*L:195
2512  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
2513  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
2514  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
2515  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
2516  */
2517 static void setup_tun_net(char *arg)
2518 {
2519         struct device *dev;
2520         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
2521         int ipfd;
2522         u32 ip = INADDR_ANY;
2523         bool bridging = false;
2524         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
2525         struct virtio_net_config conf;
2526
2527         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
2528
2529         /* First we create a new network device. */
2530         dev = new_pci_device("net", VIRTIO_ID_NET, 0x02, 0x00);
2531         dev->priv = net_info;
2532
2533         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
2534         add_pci_virtqueue(dev, net_input);
2535         add_pci_virtqueue(dev, net_output);
2536
2537         /*
2538          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
2539          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
2540          */
2541         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
2542         if (ipfd < 0)
2543                 err(1, "opening IP socket");
2544
2545         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
2546         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
2547                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
2548                 bridging = true;
2549         }
2550
2551         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
2552         p = strchr(arg, ':');
2553         if (p) {
2554                 str2mac(p+1, conf.mac);
2555                 add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
2556                 *p = '\0';
2557         }
2558
2559         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
2560         if (bridging)
2561                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
2562         else
2563                 ip = str2ip(arg);
2564
2565         /* Set up the tun device. */
2566         configure_device(ipfd, tapif, ip);
2567
2568         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
2569         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
2570         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
2571         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
2572         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
2573         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
2574         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
2575         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
2576         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
2577         /* We handle indirect ring entries */
2578         add_pci_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
2579         set_device_config(dev, &conf, sizeof(conf));
2580
2581         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
2582         close(ipfd);
2583
2584         if (bridging)
2585                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
2586                         devices.device_num, tapif, arg);
2587         else
2588                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
2589                         devices.device_num, tapif, arg);
2590 }
2591 /*:*/
2592
2593 /* This hangs off device->priv. */
2594 struct vblk_info {
2595         /* The size of the file. */
2596         off64_t len;
2597
2598         /* The file descriptor for the file. */
2599         int fd;
2600
2601 };
2602
2603 /*L:210
2604  * The Disk
2605  *
2606  * The disk only has one virtqueue, so it only has one thread.  It is really
2607  * simple: the Guest asks for a block number and we read or write that position
2608  * in the file.
2609  *
2610  * Before we serviced each virtqueue in a separate thread, that was unacceptably
2611  * slow: the Guest waits until the read is finished before running anything
2612  * else, even if it could have been doing useful work.
2613  *
2614  * We could have used async I/O, except it's reputed to suck so hard that
2615  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
2616  */
2617 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
2618 {
2619         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
2620         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
2621         int ret, i;
2622         u8 *in;
2623         struct virtio_blk_outhdr out;
2624         struct iovec iov[vq->vring.num];
2625         off64_t off;
2626
2627         /*
2628          * Get the next request, where we normally wait.  It triggers the
2629          * interrupt to acknowledge previously serviced requests (if any).
2630          */
2631         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2632
2633         /* Copy the output header from the front of the iov (adjusts iov) */
2634         iov_consume(iov, out_num, &out, sizeof(out));
2635
2636         /* Find and trim end of iov input array, for our status byte. */
2637         in = NULL;
2638         for (i = out_num + in_num - 1; i >= out_num; i--) {
2639                 if (iov[i].iov_len > 0) {
2640                         in = iov[i].iov_base + iov[i].iov_len - 1;
2641                         iov[i].iov_len--;
2642                         break;
2643                 }
2644         }
2645         if (!in)
2646                 errx(1, "Bad virtblk cmd with no room for status");
2647
2648         /*
2649          * For historical reasons, block operations are expressed in 512 byte
2650          * "sectors".
2651          */
2652         off = out.sector * 512;
2653
2654         if (out.type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
2655                 /*
2656                  * Write
2657                  *
2658                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2659                  * if they try to write past end.
2660                  */
2661                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2662                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2663
2664                 ret = writev(vblk->fd, iov, out_num);
2665                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out.sector, ret);
2666
2667                 /*
2668                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
2669                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
2670                  * file (possibly extending it).
2671                  */
2672                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
2673                         /* Trim it back to the correct length */
2674                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
2675                         /* Die, bad Guest, die. */
2676                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
2677                 }
2678
2679                 wlen = sizeof(*in);
2680                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2681         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_FLUSH) {
2682                 /* Flush */
2683                 ret = fdatasync(vblk->fd);
2684                 verbose("FLUSH fdatasync: %i\n", ret);
2685                 wlen = sizeof(*in);
2686                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2687         } else {
2688                 /*
2689                  * Read
2690                  *
2691                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2692                  * if they try to read past end.
2693                  */
2694                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2695                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2696
2697                 ret = readv(vblk->fd, iov + out_num, in_num);
2698                 if (ret >= 0) {
2699                         wlen = sizeof(*in) + ret;
2700                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
2701                 } else {
2702                         wlen = sizeof(*in);
2703                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
2704                 }
2705         }
2706
2707         /* Finished that request. */
2708         add_used(vq, head, wlen);
2709 }
2710
2711 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
2712 static void setup_block_file(const char *filename)
2713 {
2714         struct device *dev;
2715         struct vblk_info *vblk;
2716         struct virtio_blk_config conf;
2717
2718         /* Create the device. */
2719         dev = new_pci_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, 0x01, 0x80);
2720
2721         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
2722         add_pci_virtqueue(dev, blk_request);
2723
2724         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
2725         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
2726
2727         /* First we open the file and store the length. */
2728         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
2729         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
2730
2731         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
2732         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
2733
2734         /*
2735          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
2736          * for the in and out elements.
2737          */
2738         add_pci_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
2739         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
2740
2741         set_device_config(dev, &conf, sizeof(struct virtio_blk_config));
2742
2743         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
2744                 devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
2745 }
2746
2747 /*L:211
2748  * Our random number generator device reads from /dev/urandom into the Guest's
2749  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
2750  * and so has no buffers although /dev/urandom is still readable, whereas
2751  * console is the reverse.
2752  *
2753  * The same logic applies, however.
2754  */
2755 struct rng_info {
2756         int rfd;
2757 };
2758
2759 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
2760 {
2761         int len;
2762         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
2763         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
2764         struct iovec iov[vq->vring.num];
2765
2766         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
2767         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2768         if (out_num)
2769                 errx(1, "Output buffers in rng?");
2770
2771         /*
2772          * Just like the console write, we loop to cover the whole iovec.
2773          * In this case, short reads actually happen quite a bit.
2774          */
2775         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
2776                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
2777                 if (len <= 0)
2778                         err(1, "Read from /dev/urandom gave %i", len);
2779                 iov_consume(iov, in_num, NULL, len);
2780                 totlen += len;
2781         }
2782
2783         /* Tell the Guest about the new input. */
2784         add_used(vq, head, totlen);
2785 }
2786
2787 /*L:199
2788  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
2789  */
2790 static void setup_rng(void)
2791 {
2792         struct device *dev;
2793         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
2794
2795         /* Our device's private info simply contains the /dev/urandom fd. */
2796         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/urandom", O_RDONLY);
2797
2798         /* Create the new device. */
2799         dev = new_pci_device("rng", VIRTIO_ID_RNG, 0xff, 0);
2800         dev->priv = rng_info;
2801
2802         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
2803         add_pci_virtqueue(dev, rng_input);
2804
2805         /* We don't have any configuration space */
2806         no_device_config(dev);
2807
2808         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num);
2809 }
2810 /* That's the end of device setup. */
2811
2812 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
2813 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
2814 {
2815         unsigned int i;
2816
2817         /*
2818          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
2819          * stderr.
2820          */
2821         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
2822                 close(i);
2823
2824         /* Reset all the devices (kills all threads). */
2825         cleanup_devices();
2826
2827         execv(main_args[0], main_args);
2828         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
2829 }
2830
2831 /*L:220
2832  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
2833  * its input and output, and finally, lays it to rest.
2834  */
2835 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
2836 {
2837         for (;;) {
2838                 struct lguest_pending notify;
2839                 int readval;
2840
2841                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
2842                 readval = pread(lguest_fd, &notify, sizeof(notify), cpu_id);
2843                 if (readval == sizeof(notify)) {
2844                         if (notify.trap == 13) {
2845                                 verbose("Emulating instruction at %#x\n",
2846                                         getreg(eip));
2847                                 emulate_insn(notify.insn);
2848                         } else if (notify.trap == 14) {
2849                                 verbose("Emulating MMIO at %#x\n",
2850                                         getreg(eip));
2851                                 emulate_mmio(notify.addr, notify.insn);
2852                         } else
2853                                 errx(1, "Unknown trap %i addr %#08x\n",
2854                                      notify.trap, notify.addr);
2855                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
2856                 } else if (errno == ENOENT) {
2857                         char reason[1024] = { 0 };
2858                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
2859                         errx(1, "%s", reason);
2860                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
2861                 } else if (errno == ERESTART) {
2862                         restart_guest();
2863                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
2864                 } else
2865                         err(1, "Running guest failed");
2866         }
2867 }
2868 /*L:240
2869  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
2870  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
2871  * of us.
2872  *
2873  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
2874  * "make Host".
2875 :*/
2876
2877 static struct option opts[] = {
2878         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
2879         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
2880         { "block", 1, NULL, 'b' },
2881         { "rng", 0, NULL, 'r' },
2882         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
2883         { "username", 1, NULL, 'u' },
2884         { "chroot", 1, NULL, 'c' },
2885         { NULL },
2886 };
2887 static void usage(void)
2888 {
2889         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
2890              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
2891              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
2892              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
2893 }
2894
2895 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
2896 int main(int argc, char *argv[])
2897 {
2898         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
2899         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
2900         /* Two temporaries. */
2901         int i, c;
2902         /* The boot information for the Guest. */
2903         struct boot_params *boot;
2904         /* If they specify an initrd file to load. */
2905         const char *initrd_name = NULL;
2906
2907         /* Password structure for initgroups/setres[gu]id */
2908         struct passwd *user_details = NULL;
2909
2910         /* Directory to chroot to */
2911         char *chroot_path = NULL;
2912
2913         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
2914         main_args = argv;
2915
2916         /*
2917          * First we initialize the device list.  We remember next interrupt
2918          * number to use for devices (1: remember that 0 is used by the timer).
2919          */
2920         devices.next_irq = 1;
2921
2922         /* We're CPU 0.  In fact, that's the only CPU possible right now. */
2923         cpu_id = 0;
2924
2925         /*
2926          * We need to know how much memory so we can set up the device
2927          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
2928          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
2929          * of memory now.
2930          */
2931         for (i = 1; i < argc; i++) {
2932                 if (argv[i][0] != '-') {
2933                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
2934                         /*
2935                          * We start by mapping anonymous pages over all of
2936                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
2937                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
2938                          * tries to access it.
2939                          */
2940                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
2941                                                       + DEVICE_PAGES);
2942                         guest_limit = mem;
2943                         guest_max = guest_mmio = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
2944                         break;
2945                 }
2946         }
2947
2948         /* We always have a console device, and it's always device 1. */
2949         setup_console();
2950
2951         /* The options are fairly straight-forward */
2952         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
2953                 switch (c) {
2954                 case 'v':
2955                         verbose = true;
2956                         break;
2957                 case 't':
2958                         setup_tun_net(optarg);
2959                         break;
2960                 case 'b':
2961                         setup_block_file(optarg);
2962                         break;
2963                 case 'r':
2964                         setup_rng();
2965                         break;
2966                 case 'i':
2967                         initrd_name = optarg;
2968                         break;
2969                 case 'u':
2970                         user_details = getpwnam(optarg);
2971                         if (!user_details)
2972                                 err(1, "getpwnam failed, incorrect username?");
2973                         break;
2974                 case 'c':
2975                         chroot_path = optarg;
2976                         break;
2977                 default:
2978                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
2979                         usage();
2980                 }
2981         }
2982         /*
2983          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
2984          * followed by command line arguments for the kernel.
2985          */
2986         if (optind + 2 > argc)
2987                 usage();
2988
2989         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
2990
2991         /* Initialize the (fake) PCI host bridge device. */
2992         init_pci_host_bridge();
2993
2994         /* Now we load the kernel */
2995         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
2996
2997         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
2998         boot = from_guest_phys(0);
2999
3000         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
3001         if (initrd_name) {
3002                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
3003                 /*
3004                  * These are the location in the Linux boot header where the
3005                  * start and size of the initrd are expected to be found.
3006                  */
3007                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
3008                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
3009                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
3010                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
3011         }
3012
3013         /*
3014          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
3015          * simple, single region.
3016          */
3017         boot->e820_entries = 1;
3018         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
3019         /*
3020          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
3021          * line after the boot header.
3022          */
3023         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
3024         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
3025         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
3026
3027         /* Set kernel alignment to 16M (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN) */
3028         boot->hdr.kernel_alignment = 0x1000000;
3029
3030         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
3031         boot->hdr.version = 0x207;
3032
3033         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
3034         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
3035
3036         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
3037         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
3038
3039         /* We tell the kernel to initialize the Guest. */
3040         tell_kernel(start);
3041
3042         /* Ensure that we terminate if a device-servicing child dies. */
3043         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
3044
3045         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
3046         atexit(cleanup_devices);
3047
3048         /* If requested, chroot to a directory */
3049         if (chroot_path) {
3050                 if (chroot(chroot_path) != 0)
3051                         err(1, "chroot(\"%s\") failed", chroot_path);
3052
3053                 if (chdir("/") != 0)
3054                         err(1, "chdir(\"/\") failed");
3055
3056                 verbose("chroot done\n");
3057         }
3058
3059         /* If requested, drop privileges */
3060         if (user_details) {
3061                 uid_t u;
3062                 gid_t g;
3063
3064                 u = user_details->pw_uid;
3065                 g = user_details->pw_gid;
3066
3067                 if (initgroups(user_details->pw_name, g) != 0)
3068                         err(1, "initgroups failed");
3069
3070                 if (setresgid(g, g, g) != 0)
3071                         err(1, "setresgid failed");
3072
3073                 if (setresuid(u, u, u) != 0)
3074                         err(1, "setresuid failed");
3075
3076                 verbose("Dropping privileges completed\n");
3077         }
3078
3079         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
3080         run_guest();
3081 }
3082 /*:*/
3083
3084 /*M:999
3085  * Mastery is done: you now know everything I do.
3086  *
3087  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
3088  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
3089  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
3090  *
3091  * Farewell, and good coding!
3092  * Rusty Russell.
3093  */