lguest: add a dummy PCI host bridge.
[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_PCI_NO_LEGACY
67
68 /* Use in-kernel ones, which defines VIRTIO_F_VERSION_1 */
69 #include "../../include/uapi/linux/virtio_config.h"
70 #include <linux/virtio_net.h>
71 #include <linux/virtio_blk.h>
72 #include <linux/virtio_console.h>
73 #include <linux/virtio_rng.h>
74 #include <linux/virtio_ring.h>
75 #include "../../include/uapi/linux/virtio_pci.h"
76 #include <asm/bootparam.h>
77 #include "../../include/linux/lguest_launcher.h"
78
79 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
80 #ifndef SIOCBRADDIF
81 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
82 #endif
83 /* We can have up to 256 pages for devices. */
84 #define DEVICE_PAGES 256
85 /* This will occupy 3 pages: it must be a power of 2. */
86 #define VIRTQUEUE_NUM 256
87
88 /*L:120
89  * verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
90  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here.
91  */
92 static bool verbose;
93 #define verbose(args...) \
94         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
95 /*:*/
96
97 /* The pointer to the start of guest memory. */
98 static void *guest_base;
99 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
100 static unsigned long guest_limit, guest_max, guest_mmio;
101 /* The /dev/lguest file descriptor. */
102 static int lguest_fd;
103
104 /* a per-cpu variable indicating whose vcpu is currently running */
105 static unsigned int __thread cpu_id;
106
107 /* 5 bit device number in the PCI_CONFIG_ADDR => 32 only */
108 #define MAX_PCI_DEVICES 32
109
110 /* This is our list of devices. */
111 struct device_list {
112         /* Counter to assign interrupt numbers. */
113         unsigned int next_irq;
114
115         /* Counter to print out convenient device numbers. */
116         unsigned int device_num;
117
118         /* The descriptor page for the devices. */
119         u8 *descpage;
120
121         /* A single linked list of devices. */
122         struct device *dev;
123         /* And a pointer to the last device for easy append. */
124         struct device *lastdev;
125
126         /* PCI devices. */
127         struct device *pci[MAX_PCI_DEVICES];
128 };
129
130 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
131 static struct device_list devices;
132
133 struct virtio_pci_cfg_cap {
134         struct virtio_pci_cap cap;
135         u32 window; /* Data for BAR access. */
136 };
137
138 struct virtio_pci_mmio {
139         struct virtio_pci_common_cfg cfg;
140         u16 notify;
141         u8 isr;
142         u8 padding;
143         /* Device-specific configuration follows this. */
144 };
145
146 /* This is the layout (little-endian) of the PCI config space. */
147 struct pci_config {
148         u16 vendor_id, device_id;
149         u16 command, status;
150         u8 revid, prog_if, subclass, class;
151         u8 cacheline_size, lat_timer, header_type, bist;
152         u32 bar[6];
153         u32 cardbus_cis_ptr;
154         u16 subsystem_vendor_id, subsystem_device_id;
155         u32 expansion_rom_addr;
156         u8 capabilities, reserved1[3];
157         u32 reserved2;
158         u8 irq_line, irq_pin, min_grant, max_latency;
159
160         /* Now, this is the linked capability list. */
161         struct virtio_pci_cap common;
162         struct virtio_pci_notify_cap notify;
163         struct virtio_pci_cap isr;
164         struct virtio_pci_cap device;
165         /* FIXME: Implement this! */
166         struct virtio_pci_cfg_cap cfg_access;
167 };
168
169 /* The device structure describes a single device. */
170 struct device {
171         /* The linked-list pointer. */
172         struct device *next;
173
174         /* The device's descriptor, as mapped into the Guest. */
175         struct lguest_device_desc *desc;
176
177         /* We can't trust desc values once Guest has booted: we use these. */
178         unsigned int feature_len;
179         unsigned int num_vq;
180
181         /* The name of this device, for --verbose. */
182         const char *name;
183
184         /* Any queues attached to this device */
185         struct virtqueue *vq;
186
187         /* Is it operational */
188         bool running;
189
190         /* PCI configuration */
191         union {
192                 struct pci_config config;
193                 u32 config_words[sizeof(struct pci_config) / sizeof(u32)];
194         };
195
196         /* Features we offer, and those accepted. */
197         u64 features, features_accepted;
198
199         /* Device-specific config hangs off the end of this. */
200         struct virtio_pci_mmio *mmio;
201
202         /* PCI MMIO resources (all in BAR0) */
203         size_t mmio_size;
204         u32 mmio_addr;
205
206         /* Device-specific data. */
207         void *priv;
208 };
209
210 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
211 struct virtqueue {
212         struct virtqueue *next;
213
214         /* Which device owns me. */
215         struct device *dev;
216
217         /* The configuration for this queue. */
218         struct lguest_vqconfig config;
219
220         /* The actual ring of buffers. */
221         struct vring vring;
222
223         /* The information about this virtqueue (we only use queue_size on) */
224         struct virtio_pci_common_cfg pci_config;
225
226         /* Last available index we saw. */
227         u16 last_avail_idx;
228
229         /* How many are used since we sent last irq? */
230         unsigned int pending_used;
231
232         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
233         int eventfd;
234
235         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
236         void (*service)(struct virtqueue *vq);
237         pid_t thread;
238 };
239
240 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
241 static char **main_args;
242
243 /* The original tty settings to restore on exit. */
244 static struct termios orig_term;
245
246 /*
247  * We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
248  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
249  * in precise order.
250  */
251 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
252 #define rmb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
253 #define mb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
254
255 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
256 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
257
258 /*
259  * The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
260  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers.
261  */
262 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
263 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
264 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
265 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
266 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
267 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
268
269 /* Is this iovec empty? */
270 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
271 {
272         unsigned int i;
273
274         for (i = 0; i < num_iov; i++)
275                 if (iov[i].iov_len)
276                         return false;
277         return true;
278 }
279
280 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
281 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov,
282                         void *dest, unsigned len)
283 {
284         unsigned int i;
285
286         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
287                 unsigned int used;
288
289                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
290                 if (dest) {
291                         memcpy(dest, iov[i].iov_base, used);
292                         dest += used;
293                 }
294                 iov[i].iov_base += used;
295                 iov[i].iov_len -= used;
296                 len -= used;
297         }
298         if (len != 0)
299                 errx(1, "iovec too short!");
300 }
301
302 /* The device virtqueue descriptors are followed by feature bitmasks. */
303 static u8 *get_feature_bits(struct device *dev)
304 {
305         return (u8 *)(dev->desc + 1)
306                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig);
307 }
308
309 /*L:100
310  * The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place where
311  * pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace programs,
312  * it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the kernel!).
313  * Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it will get
314  * you through this section.  Or, maybe not.
315  *
316  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
317  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
318  * Launcher virtual with an offset.
319  *
320  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
321  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us its
322  * "physical" addresses:
323  */
324 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
325 {
326         return guest_base + addr;
327 }
328
329 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
330 {
331         return (addr - guest_base);
332 }
333
334 /*L:130
335  * Loading the Kernel.
336  *
337  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
338  * error-checking code cluttering the callers:
339  */
340 static int open_or_die(const char *name, int flags)
341 {
342         int fd = open(name, flags);
343         if (fd < 0)
344                 err(1, "Failed to open %s", name);
345         return fd;
346 }
347
348 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
349 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
350 {
351         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
352         void *addr;
353
354         /*
355          * We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
356          * copied). We allocate an extra two pages PROT_NONE to act as guard
357          * pages against read/write attempts that exceed allocated space.
358          */
359         addr = mmap(NULL, getpagesize() * (num+2),
360                     PROT_NONE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
361
362         if (addr == MAP_FAILED)
363                 err(1, "Mmapping %u pages of /dev/zero", num);
364
365         if (mprotect(addr + getpagesize(), getpagesize() * num,
366                      PROT_READ|PROT_WRITE) == -1)
367                 err(1, "mprotect rw %u pages failed", num);
368
369         /*
370          * One neat mmap feature is that you can close the fd, and it
371          * stays mapped.
372          */
373         close(fd);
374
375         /* Return address after PROT_NONE page */
376         return addr + getpagesize();
377 }
378
379 /* Get some more pages for a device. */
380 static void *get_pages(unsigned int num)
381 {
382         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
383
384         guest_limit += num * getpagesize();
385         if (guest_limit > guest_max)
386                 errx(1, "Not enough memory for devices");
387         return addr;
388 }
389
390 /* Get some bytes which won't be mapped into the guest. */
391 static unsigned long get_mmio_region(size_t size)
392 {
393         unsigned long addr = guest_mmio;
394         size_t i;
395
396         if (!size)
397                 return addr;
398
399         /* Size has to be a power of 2 (and multiple of 16) */
400         for (i = 1; i < size; i <<= 1);
401
402         guest_mmio += i;
403
404         return addr;
405 }
406
407 /*
408  * This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
409  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
410  * it falls back to reading the memory in.
411  */
412 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
413 {
414         ssize_t r;
415
416         /*
417          * We map writable even though for some segments are marked read-only.
418          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
419          * instructions.
420          *
421          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
422          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
423          * Guests.
424          */
425         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE,
426                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
427                 return;
428
429         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
430         r = pread(fd, addr, len, offset);
431         if (r != len)
432                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
433 }
434
435 /*
436  * This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
437  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
438  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
439  *
440  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
441  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
442  * virtual address.
443  *
444  * We return the starting address.
445  */
446 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
447 {
448         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
449         unsigned int i;
450
451         /*
452          * Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
453          * reasonable number of correctly-sized program headers.
454          */
455         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
456             || ehdr->e_machine != EM_386
457             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
458             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
459                 errx(1, "Malformed elf header");
460
461         /*
462          * An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
463          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
464          * load where.
465          */
466
467         /* We read in all the program headers at once: */
468         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
469                 err(1, "Seeking to program headers");
470         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
471                 err(1, "Reading program headers");
472
473         /*
474          * Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
475          * a read-write one, and a "note" section which we don't load.
476          */
477         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
478                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
479                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
480                         continue;
481
482                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
483                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
484
485                 /* We map this section of the file at its physical address. */
486                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
487                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
488         }
489
490         /* The entry point is given in the ELF header. */
491         return ehdr->e_entry;
492 }
493
494 /*L:150
495  * A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're supposed
496  * to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to perform some
497  * hairy magic because the unpacking code scared me.
498  *
499  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
500  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
501  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go!
502  */
503 static unsigned long load_bzimage(int fd)
504 {
505         struct boot_params boot;
506         int r;
507         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
508         void *p = from_guest_phys(0x100000);
509
510         /*
511          * Go back to the start of the file and read the header.  It should be
512          * a Linux boot header (see Documentation/x86/boot.txt)
513          */
514         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
515         read(fd, &boot, sizeof(boot));
516
517         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
518         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
519                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
520
521         /* Skip over the extra sectors of the header. */
522         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
523
524         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
525         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
526                 p += r;
527
528         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
529         return boot.hdr.code32_start;
530 }
531
532 /*L:140
533  * Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
534  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
535  * work, we can load those, too.
536  */
537 static unsigned long load_kernel(int fd)
538 {
539         Elf32_Ehdr hdr;
540
541         /* Read in the first few bytes. */
542         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
543                 err(1, "Reading kernel");
544
545         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
546         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
547                 return map_elf(fd, &hdr);
548
549         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
550         return load_bzimage(fd);
551 }
552
553 /*
554  * This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
555  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
556  *
557  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
558  * necessary.  I leave this code as a reaction against that.
559  */
560 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
561 {
562         /* Add upwards and truncate downwards. */
563         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
564 }
565
566 /*L:180
567  * An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with the
568  * kernel which the kernel can use to boot from without needing any drivers.
569  * Most distributions now use this as standard: the initrd contains the code to
570  * load the appropriate driver modules for the current machine.
571  *
572  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
573  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it).
574  */
575 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
576 {
577         int ifd;
578         struct stat st;
579         unsigned long len;
580
581         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
582         /* fstat() is needed to get the file size. */
583         if (fstat(ifd, &st) < 0)
584                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
585
586         /*
587          * We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
588          * page-aligned, so we round the size up for that.
589          */
590         len = page_align(st.st_size);
591         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
592         /*
593          * Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
594          * little odd, but quite useful.
595          */
596         close(ifd);
597         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
598
599         /* We return the initrd size. */
600         return len;
601 }
602 /*:*/
603
604 /*
605  * Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
606  * between them.
607  */
608 static void concat(char *dst, char *args[])
609 {
610         unsigned int i, len = 0;
611
612         for (i = 0; args[i]; i++) {
613                 if (i) {
614                         strcat(dst+len, " ");
615                         len++;
616                 }
617                 strcpy(dst+len, args[i]);
618                 len += strlen(args[i]);
619         }
620         /* In case it's empty. */
621         dst[len] = '\0';
622 }
623
624 /*L:185
625  * This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
626  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
627  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
628  * entry point for the Guest.
629  */
630 static void tell_kernel(unsigned long start)
631 {
632         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
633                                  (unsigned long)guest_base,
634                                  guest_limit / getpagesize(), start,
635                                  (guest_mmio+getpagesize()-1) / getpagesize() };
636         verbose("Guest: %p - %p (%#lx, MMIO %#lx)\n",
637                 guest_base, guest_base + guest_limit,
638                 guest_limit, guest_mmio);
639         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
640         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
641                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
642 }
643 /*:*/
644
645 /*L:200
646  * Device Handling.
647  *
648  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
649  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
650  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
651  * if something funny is going on:
652  */
653 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
654                             unsigned int line)
655 {
656         /*
657          * Check if the requested address and size exceeds the allocated memory,
658          * or addr + size wraps around.
659          */
660         if ((addr + size) > guest_limit || (addr + size) < addr)
661                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
662         /*
663          * We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
664          * safe to use.
665          */
666         return from_guest_phys(addr);
667 }
668 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
669 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
670
671 /*
672  * Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
673  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
674  * at the end.
675  */
676 static unsigned next_desc(struct vring_desc *desc,
677                           unsigned int i, unsigned int max)
678 {
679         unsigned int next;
680
681         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
682         if (!(desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
683                 return max;
684
685         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
686         next = desc[i].next;
687         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
688         wmb();
689
690         if (next >= max)
691                 errx(1, "Desc next is %u", next);
692
693         return next;
694 }
695
696 /*
697  * This actually sends the interrupt for this virtqueue, if we've used a
698  * buffer.
699  */
700 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
701 {
702         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
703
704         /* Don't inform them if nothing used. */
705         if (!vq->pending_used)
706                 return;
707         vq->pending_used = 0;
708
709         /* If they don't want an interrupt, don't send one... */
710         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) {
711                 return;
712         }
713
714         /* For a PCI device, set isr to 1 (queue interrupt pending) */
715         if (vq->dev->mmio)
716                 vq->dev->mmio->isr = 0x1;
717
718         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
719         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
720                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
721 }
722
723 /*
724  * This looks in the virtqueue for the first available buffer, and converts
725  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
726  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
727  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
728  *
729  * This function waits if necessary, and returns the descriptor number found.
730  */
731 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
732                                  struct iovec iov[],
733                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
734 {
735         unsigned int i, head, max;
736         struct vring_desc *desc;
737         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
738
739         /* There's nothing available? */
740         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
741                 u64 event;
742
743                 /*
744                  * Since we're about to sleep, now is a good time to tell the
745                  * Guest about what we've used up to now.
746                  */
747                 trigger_irq(vq);
748
749                 /* OK, now we need to know about added descriptors. */
750                 vq->vring.used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
751
752                 /*
753                  * They could have slipped one in as we were doing that: make
754                  * sure it's written, then check again.
755                  */
756                 mb();
757                 if (last_avail != vq->vring.avail->idx) {
758                         vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
759                         break;
760                 }
761
762                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
763                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
764                         errx(1, "Event read failed?");
765
766                 /* We don't need to be notified again. */
767                 vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
768         }
769
770         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
771         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
772                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
773                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
774
775         /* 
776          * Make sure we read the descriptor number *after* we read the ring
777          * update; don't let the cpu or compiler change the order.
778          */
779         rmb();
780
781         /*
782          * Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
783          * the index we've seen.
784          */
785         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
786         lg_last_avail(vq)++;
787
788         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
789         if (head >= vq->vring.num)
790                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
791
792         /* When we start there are none of either input nor output. */
793         *out_num = *in_num = 0;
794
795         max = vq->vring.num;
796         desc = vq->vring.desc;
797         i = head;
798
799         /*
800          * We have to read the descriptor after we read the descriptor number,
801          * but there's a data dependency there so the CPU shouldn't reorder
802          * that: no rmb() required.
803          */
804
805         /*
806          * If this is an indirect entry, then this buffer contains a descriptor
807          * table which we handle as if it's any normal descriptor chain.
808          */
809         if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_INDIRECT) {
810                 if (desc[i].len % sizeof(struct vring_desc))
811                         errx(1, "Invalid size for indirect buffer table");
812
813                 max = desc[i].len / sizeof(struct vring_desc);
814                 desc = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
815                 i = 0;
816         }
817
818         do {
819                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
820                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = desc[i].len;
821                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
822                         = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
823                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
824                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
825                         (*in_num)++;
826                 else {
827                         /*
828                          * If it's an output descriptor, they're all supposed
829                          * to come before any input descriptors.
830                          */
831                         if (*in_num)
832                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
833                         (*out_num)++;
834                 }
835
836                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
837                 if (*out_num + *in_num > max)
838                         errx(1, "Looped descriptor");
839         } while ((i = next_desc(desc, i, max)) != max);
840
841         return head;
842 }
843
844 /*
845  * After we've used one of their buffers, we tell the Guest about it.  Sometime
846  * later we'll want to send them an interrupt using trigger_irq(); note that
847  * wait_for_vq_desc() does that for us if it has to wait.
848  */
849 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
850 {
851         struct vring_used_elem *used;
852
853         /*
854          * The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
855          * next entry in that used ring.
856          */
857         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
858         used->id = head;
859         used->len = len;
860         /* Make sure buffer is written before we update index. */
861         wmb();
862         vq->vring.used->idx++;
863         vq->pending_used++;
864 }
865
866 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
867 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
868 {
869         add_used(vq, head, len);
870         trigger_irq(vq);
871 }
872
873 /*
874  * The Console
875  *
876  * We associate some data with the console for our exit hack.
877  */
878 struct console_abort {
879         /* How many times have they hit ^C? */
880         int count;
881         /* When did they start? */
882         struct timeval start;
883 };
884
885 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
886 static void console_input(struct virtqueue *vq)
887 {
888         int len;
889         unsigned int head, in_num, out_num;
890         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
891         struct iovec iov[vq->vring.num];
892
893         /* Make sure there's a descriptor available. */
894         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
895         if (out_num)
896                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
897
898         /* Read into it.  This is where we usually wait. */
899         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
900         if (len <= 0) {
901                 /* Ran out of input? */
902                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
903                 /*
904                  * For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
905                  * just nap here.
906                  */
907                 for (;;)
908                         pause();
909         }
910
911         /* Tell the Guest we used a buffer. */
912         add_used_and_trigger(vq, head, len);
913
914         /*
915          * Three ^C within one second?  Exit.
916          *
917          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
918          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
919          * that we get three within about a second, so they can't be too
920          * slow.
921          */
922         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
923                 abort->count = 0;
924                 return;
925         }
926
927         abort->count++;
928         if (abort->count == 1)
929                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
930         else if (abort->count == 3) {
931                 struct timeval now;
932                 gettimeofday(&now, NULL);
933                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
934                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
935                         kill(0, SIGINT);
936                 abort->count = 0;
937         }
938 }
939
940 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
941 static void console_output(struct virtqueue *vq)
942 {
943         unsigned int head, out, in;
944         struct iovec iov[vq->vring.num];
945
946         /* We usually wait in here, for the Guest to give us something. */
947         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
948         if (in)
949                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
950
951         /* writev can return a partial write, so we loop here. */
952         while (!iov_empty(iov, out)) {
953                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
954                 if (len <= 0) {
955                         warn("Write to stdout gave %i (%d)", len, errno);
956                         break;
957                 }
958                 iov_consume(iov, out, NULL, len);
959         }
960
961         /*
962          * We're finished with that buffer: if we're going to sleep,
963          * wait_for_vq_desc() will prod the Guest with an interrupt.
964          */
965         add_used(vq, head, 0);
966 }
967
968 /*
969  * The Network
970  *
971  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
972  * and write them to /dev/net/tun.
973  */
974 struct net_info {
975         int tunfd;
976 };
977
978 static void net_output(struct virtqueue *vq)
979 {
980         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
981         unsigned int head, out, in;
982         struct iovec iov[vq->vring.num];
983
984         /* We usually wait in here for the Guest to give us a packet. */
985         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
986         if (in)
987                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
988         /*
989          * Send the whole thing through to /dev/net/tun.  It expects the exact
990          * same format: what a coincidence!
991          */
992         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
993                 warnx("Write to tun failed (%d)?", errno);
994
995         /*
996          * Done with that one; wait_for_vq_desc() will send the interrupt if
997          * all packets are processed.
998          */
999         add_used(vq, head, 0);
1000 }
1001
1002 /*
1003  * Handling network input is a bit trickier, because I've tried to optimize it.
1004  *
1005  * First we have a helper routine which tells is if from this file descriptor
1006  * (ie. the /dev/net/tun device) will block:
1007  */
1008 static bool will_block(int fd)
1009 {
1010         fd_set fdset;
1011         struct timeval zero = { 0, 0 };
1012         FD_ZERO(&fdset);
1013         FD_SET(fd, &fdset);
1014         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
1015 }
1016
1017 /*
1018  * This handles packets coming in from the tun device to our Guest.  Like all
1019  * service routines, it gets called again as soon as it returns, so you don't
1020  * see a while(1) loop here.
1021  */
1022 static void net_input(struct virtqueue *vq)
1023 {
1024         int len;
1025         unsigned int head, out, in;
1026         struct iovec iov[vq->vring.num];
1027         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
1028
1029         /*
1030          * Get a descriptor to write an incoming packet into.  This will also
1031          * send an interrupt if they're out of descriptors.
1032          */
1033         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
1034         if (out)
1035                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
1036
1037         /*
1038          * If it looks like we'll block reading from the tun device, send them
1039          * an interrupt.
1040          */
1041         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
1042                 trigger_irq(vq);
1043
1044         /*
1045          * Read in the packet.  This is where we normally wait (when there's no
1046          * incoming network traffic).
1047          */
1048         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
1049         if (len <= 0)
1050                 warn("Failed to read from tun (%d).", errno);
1051
1052         /*
1053          * Mark that packet buffer as used, but don't interrupt here.  We want
1054          * to wait until we've done as much work as we can.
1055          */
1056         add_used(vq, head, len);
1057 }
1058 /*:*/
1059
1060 /* This is the helper to create threads: run the service routine in a loop. */
1061 static int do_thread(void *_vq)
1062 {
1063         struct virtqueue *vq = _vq;
1064
1065         for (;;)
1066                 vq->service(vq);
1067         return 0;
1068 }
1069
1070 /*
1071  * When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
1072  * also has the side effect that the shell restores the console for us!
1073  */
1074 static void kill_launcher(int signal)
1075 {
1076         kill(0, SIGTERM);
1077 }
1078
1079 static void reset_device(struct device *dev)
1080 {
1081         struct virtqueue *vq;
1082
1083         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
1084
1085         /* Clear any features they've acked. */
1086         memset(get_feature_bits(dev) + dev->feature_len, 0, dev->feature_len);
1087
1088         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
1089         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
1090
1091         /* Zero out the virtqueues, get rid of their threads */
1092         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1093                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
1094                         kill(vq->thread, SIGTERM);
1095                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
1096                         vq->thread = (pid_t)-1;
1097                 }
1098                 memset(vq->vring.desc, 0,
1099                        vring_size(vq->config.num, LGUEST_VRING_ALIGN));
1100                 lg_last_avail(vq) = 0;
1101         }
1102         dev->running = false;
1103
1104         /* Now we care if threads die. */
1105         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
1106 }
1107
1108 /*L:216
1109  * This actually creates the thread which services the virtqueue for a device.
1110  */
1111 static void create_thread(struct virtqueue *vq)
1112 {
1113         /*
1114          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1115          * the stack pointer to the end of this region.
1116          */
1117         char *stack = malloc(32768);
1118         unsigned long args[] = { LHREQ_EVENTFD,
1119                                  vq->config.pfn*getpagesize(), 0 };
1120
1121         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1122         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1123         if (vq->eventfd < 0)
1124                 err(1, "Creating eventfd");
1125         args[2] = vq->eventfd;
1126
1127         /*
1128          * Attach an eventfd to this virtqueue: it will go off when the Guest
1129          * does an LHCALL_NOTIFY for this vq.
1130          */
1131         if (write(lguest_fd, &args, sizeof(args)) != 0)
1132                 err(1, "Attaching eventfd");
1133
1134         /*
1135          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1136          * we get a signal if it dies.
1137          */
1138         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1139         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1140                 err(1, "Creating clone");
1141
1142         /* We close our local copy now the child has it. */
1143         close(vq->eventfd);
1144 }
1145
1146 static void start_device(struct device *dev)
1147 {
1148         unsigned int i;
1149         struct virtqueue *vq;
1150
1151         verbose("Device %s OK: offered", dev->name);
1152         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
1153                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)[i]);
1154         verbose(", accepted");
1155         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
1156                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)
1157                         [dev->feature_len+i]);
1158
1159         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1160                 if (vq->service)
1161                         create_thread(vq);
1162         }
1163         dev->running = true;
1164 }
1165
1166 static void cleanup_devices(void)
1167 {
1168         struct device *dev;
1169
1170         for (dev = devices.dev; dev; dev = dev->next)
1171                 reset_device(dev);
1172
1173         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
1174         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
1175                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
1176 }
1177
1178 /* When the Guest tells us they updated the status field, we handle it. */
1179 static void update_device_status(struct device *dev)
1180 {
1181         /* A zero status is a reset, otherwise it's a set of flags. */
1182         if (dev->desc->status == 0)
1183                 reset_device(dev);
1184         else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_FAILED) {
1185                 warnx("Device %s configuration FAILED", dev->name);
1186                 if (dev->running)
1187                         reset_device(dev);
1188         } else {
1189                 if (dev->running)
1190                         err(1, "Device %s features finalized twice", dev->name);
1191                 start_device(dev);
1192         }
1193 }
1194
1195 /*L:215
1196  * This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY.  In
1197  * particular, it's used to notify us of device status changes during boot.
1198  */
1199 static void handle_output(unsigned long addr)
1200 {
1201         struct device *i;
1202
1203         /* Check each device. */
1204         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
1205                 struct virtqueue *vq;
1206
1207                 /*
1208                  * Notifications to device descriptors mean they updated the
1209                  * device status.
1210                  */
1211                 if (from_guest_phys(addr) == i->desc) {
1212                         update_device_status(i);
1213                         return;
1214                 }
1215
1216                 /* Devices should not be used before features are finalized. */
1217                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
1218                         if (addr != vq->config.pfn*getpagesize())
1219                                 continue;
1220                         errx(1, "Notification on %s before setup!", i->name);
1221                 }
1222         }
1223
1224         /*
1225          * Early console write is done using notify on a nul-terminated string
1226          * in Guest memory.  It's also great for hacking debugging messages
1227          * into a Guest.
1228          */
1229         if (addr >= guest_limit)
1230                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
1231
1232         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
1233               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
1234 }
1235
1236 /*L:217
1237  * We do PCI.  This is mainly done to let us test the kernel virtio PCI
1238  * code.
1239  */
1240
1241 /* Linux expects a PCI host bridge: ours is a dummy, and first on the bus. */
1242 static struct device pci_host_bridge;
1243
1244 static void init_pci_host_bridge(void)
1245 {
1246         pci_host_bridge.name = "PCI Host Bridge";
1247         pci_host_bridge.config.class = 0x06; /* bridge */
1248         pci_host_bridge.config.subclass = 0; /* host bridge */
1249         devices.pci[0] = &pci_host_bridge;
1250 }
1251
1252 /* The IO ports used to read the PCI config space. */
1253 #define PCI_CONFIG_ADDR 0xCF8
1254 #define PCI_CONFIG_DATA 0xCFC
1255
1256 /*
1257  * Not really portable, but does help readability: this is what the Guest
1258  * writes to the PCI_CONFIG_ADDR IO port.
1259  */
1260 union pci_config_addr {
1261         struct {
1262                 unsigned mbz: 2;
1263                 unsigned offset: 6;
1264                 unsigned funcnum: 3;
1265                 unsigned devnum: 5;
1266                 unsigned busnum: 8;
1267                 unsigned reserved: 7;
1268                 unsigned enabled : 1;
1269         } bits;
1270         u32 val;
1271 };
1272
1273 /*
1274  * We cache what they wrote to the address port, so we know what they're
1275  * talking about when they access the data port.
1276  */
1277 static union pci_config_addr pci_config_addr;
1278
1279 static struct device *find_pci_device(unsigned int index)
1280 {
1281         return devices.pci[index];
1282 }
1283
1284 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte reads; we handle that here. */
1285 static void ioread(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *val)
1286 {
1287         assert(off < 4);
1288         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1289         *val = (v >> (off * 8)) & mask;
1290 }
1291
1292 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte writes; we handle that here. */
1293 static void iowrite(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *dst)
1294 {
1295         assert(off < 4);
1296         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1297         *dst &= ~(mask << (off * 8));
1298         *dst |= (v & mask) << (off * 8);
1299 }
1300
1301 /*
1302  * Where PCI_CONFIG_DATA accesses depends on the previous write to
1303  * PCI_CONFIG_ADDR.
1304  */
1305 static struct device *dev_and_reg(u32 *reg)
1306 {
1307         if (!pci_config_addr.bits.enabled)
1308                 return NULL;
1309
1310         if (pci_config_addr.bits.funcnum != 0)
1311                 return NULL;
1312
1313         if (pci_config_addr.bits.busnum != 0)
1314                 return NULL;
1315
1316         if (pci_config_addr.bits.offset * 4 >= sizeof(struct pci_config))
1317                 return NULL;
1318
1319         *reg = pci_config_addr.bits.offset;
1320         return find_pci_device(pci_config_addr.bits.devnum);
1321 }
1322
1323 /* Is this accessing the PCI config address port?. */
1324 static bool is_pci_addr_port(u16 port)
1325 {
1326         return port >= PCI_CONFIG_ADDR && port < PCI_CONFIG_ADDR + 4;
1327 }
1328
1329 static bool pci_addr_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1330 {
1331         iowrite(port - PCI_CONFIG_ADDR, val, mask,
1332                 &pci_config_addr.val);
1333         verbose("PCI%s: %#x/%x: bus %u dev %u func %u reg %u\n",
1334                 pci_config_addr.bits.enabled ? "" : " DISABLED",
1335                 val, mask,
1336                 pci_config_addr.bits.busnum,
1337                 pci_config_addr.bits.devnum,
1338                 pci_config_addr.bits.funcnum,
1339                 pci_config_addr.bits.offset);
1340         return true;
1341 }
1342
1343 static void pci_addr_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1344 {
1345         ioread(port - PCI_CONFIG_ADDR, pci_config_addr.val, mask, val);
1346 }
1347
1348 /* Is this accessing the PCI config data port?. */
1349 static bool is_pci_data_port(u16 port)
1350 {
1351         return port >= PCI_CONFIG_DATA && port < PCI_CONFIG_DATA + 4;
1352 }
1353
1354 static bool pci_data_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1355 {
1356         u32 reg, portoff;
1357         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1358
1359         /* Complain if they don't belong to a device. */
1360         if (!d)
1361                 return false;
1362
1363         /* They can do 1 byte writes, etc. */
1364         portoff = port - PCI_CONFIG_DATA;
1365
1366         /*
1367          * PCI uses a weird way to determine the BAR size: the OS
1368          * writes all 1's, and sees which ones stick.
1369          */
1370         if (&d->config_words[reg] == &d->config.bar[0]) {
1371                 int i;
1372
1373                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.bar[0]);
1374                 for (i = 0; (1 << i) < d->mmio_size; i++)
1375                         d->config.bar[0] &= ~(1 << i);
1376                 return true;
1377         } else if ((&d->config_words[reg] > &d->config.bar[0]
1378                     && &d->config_words[reg] <= &d->config.bar[6])
1379                    || &d->config_words[reg] == &d->config.expansion_rom_addr) {
1380                 /* Allow writing to any other BAR, or expansion ROM */
1381                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1382                 return true;
1383                 /* We let them overide latency timer and cacheline size */
1384         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.cacheline_size) {
1385                 /* Only let them change the first two fields. */
1386                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1387                         mask = 0xFFFF;
1388                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1389                 return true;
1390         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.command
1391                    && mask == 0xFFFF) {
1392                 /* Ignore command writes. */
1393                 return true;
1394         }
1395
1396         /* Complain about other writes. */
1397         return false;
1398 }
1399
1400 static void pci_data_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1401 {
1402         u32 reg;
1403         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1404
1405         if (!d)
1406                 return;
1407         ioread(port - PCI_CONFIG_DATA, d->config_words[reg], mask, val);
1408 }
1409
1410 /*L:216
1411  * This is where we emulate a handful of Guest instructions.  It's ugly
1412  * and we used to do it in the kernel but it grew over time.
1413  */
1414
1415 /*
1416  * We use the ptrace syscall's pt_regs struct to talk about registers
1417  * to lguest: these macros convert the names to the offsets.
1418  */
1419 #define getreg(name) getreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name))
1420 #define setreg(name, val) \
1421         setreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name), (val))
1422
1423 static u32 getreg_off(size_t offset)
1424 {
1425         u32 r;
1426         unsigned long args[] = { LHREQ_GETREG, offset };
1427
1428         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1429                 err(1, "Getting register %u", offset);
1430         if (pread(lguest_fd, &r, sizeof(r), cpu_id) != sizeof(r))
1431                 err(1, "Reading register %u", offset);
1432
1433         return r;
1434 }
1435
1436 static void setreg_off(size_t offset, u32 val)
1437 {
1438         unsigned long args[] = { LHREQ_SETREG, offset, val };
1439
1440         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1441                 err(1, "Setting register %u", offset);
1442 }
1443
1444 /* Get register by instruction encoding */
1445 static u32 getreg_num(unsigned regnum, u32 mask)
1446 {
1447         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1448         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4))
1449                 return getreg_num(regnum & 0x3, 0xFFFF) >> 8;
1450
1451         switch (regnum) {
1452         case 0: return getreg(eax) & mask;
1453         case 1: return getreg(ecx) & mask;
1454         case 2: return getreg(edx) & mask;
1455         case 3: return getreg(ebx) & mask;
1456         case 4: return getreg(esp) & mask;
1457         case 5: return getreg(ebp) & mask;
1458         case 6: return getreg(esi) & mask;
1459         case 7: return getreg(edi) & mask;
1460         }
1461         abort();
1462 }
1463
1464 /* Set register by instruction encoding */
1465 static void setreg_num(unsigned regnum, u32 val, u32 mask)
1466 {
1467         /* Don't try to set bits out of range */
1468         assert(~(val & ~mask));
1469
1470         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1471         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4)) {
1472                 /* Construct the 16 bits we want. */
1473                 val = (val << 8) | getreg_num(regnum & 0x3, 0xFF);
1474                 setreg_num(regnum & 0x3, val, 0xFFFF);
1475                 return;
1476         }
1477
1478         switch (regnum) {
1479         case 0: setreg(eax, val | (getreg(eax) & ~mask)); return;
1480         case 1: setreg(ecx, val | (getreg(ecx) & ~mask)); return;
1481         case 2: setreg(edx, val | (getreg(edx) & ~mask)); return;
1482         case 3: setreg(ebx, val | (getreg(ebx) & ~mask)); return;
1483         case 4: setreg(esp, val | (getreg(esp) & ~mask)); return;
1484         case 5: setreg(ebp, val | (getreg(ebp) & ~mask)); return;
1485         case 6: setreg(esi, val | (getreg(esi) & ~mask)); return;
1486         case 7: setreg(edi, val | (getreg(edi) & ~mask)); return;
1487         }
1488         abort();
1489 }
1490
1491 /* Get bytes of displacement appended to instruction, from r/m encoding */
1492 static u32 insn_displacement_len(u8 mod_reg_rm)
1493 {
1494         /* Switch on the mod bits */
1495         switch (mod_reg_rm >> 6) {
1496         case 0:
1497                 /* If mod == 0, and r/m == 101, 16-bit displacement follows */
1498                 if ((mod_reg_rm & 0x7) == 0x5)
1499                         return 2;
1500                 /* Normally, mod == 0 means no literal displacement */
1501                 return 0;
1502         case 1:
1503                 /* One byte displacement */
1504                 return 1;
1505         case 2:
1506                 /* Four byte displacement */
1507                 return 4;
1508         case 3:
1509                 /* Register mode */
1510                 return 0;
1511         }
1512         abort();
1513 }
1514
1515 static void emulate_insn(const u8 insn[])
1516 {
1517         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 13 };
1518         unsigned int insnlen = 0, in = 0, small_operand = 0, byte_access;
1519         unsigned int eax, port, mask;
1520         /*
1521          * Default is to return all-ones on IO port reads, which traditionally
1522          * means "there's nothing there".
1523          */
1524         u32 val = 0xFFFFFFFF;
1525
1526         /*
1527          * This must be the Guest kernel trying to do something, not userspace!
1528          * The bottom two bits of the CS segment register are the privilege
1529          * level.
1530          */
1531         if ((getreg(xcs) & 3) != 0x1)
1532                 goto no_emulate;
1533
1534         /* Decoding x86 instructions is icky. */
1535
1536         /*
1537          * Around 2.6.33, the kernel started using an emulation for the
1538          * cmpxchg8b instruction in early boot on many configurations.  This
1539          * code isn't paravirtualized, and it tries to disable interrupts.
1540          * Ignore it, which will Mostly Work.
1541          */
1542         if (insn[insnlen] == 0xfa) {
1543                 /* "cli", or Clear Interrupt Enable instruction.  Skip it. */
1544                 insnlen = 1;
1545                 goto skip_insn;
1546         }
1547
1548         /*
1549          * 0x66 is an "operand prefix".  It means a 16, not 32 bit in/out.
1550          */
1551         if (insn[insnlen] == 0x66) {
1552                 small_operand = 1;
1553                 /* The instruction is 1 byte so far, read the next byte. */
1554                 insnlen = 1;
1555         }
1556
1557         /* If the lower bit isn't set, it's a single byte access */
1558         byte_access = !(insn[insnlen] & 1);
1559
1560         /*
1561          * Now we can ignore the lower bit and decode the 4 opcodes
1562          * we need to emulate.
1563          */
1564         switch (insn[insnlen] & 0xFE) {
1565         case 0xE4: /* in     <next byte>,%al */
1566                 port = insn[insnlen+1];
1567                 insnlen += 2;
1568                 in = 1;
1569                 break;
1570         case 0xEC: /* in     (%dx),%al */
1571                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1572                 insnlen += 1;
1573                 in = 1;
1574                 break;
1575         case 0xE6: /* out    %al,<next byte> */
1576                 port = insn[insnlen+1];
1577                 insnlen += 2;
1578                 break;
1579         case 0xEE: /* out    %al,(%dx) */
1580                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1581                 insnlen += 1;
1582                 break;
1583         default:
1584                 /* OK, we don't know what this is, can't emulate. */
1585                 goto no_emulate;
1586         }
1587
1588         /* Set a mask of the 1, 2 or 4 bytes, depending on size of IO */
1589         if (byte_access)
1590                 mask = 0xFF;
1591         else if (small_operand)
1592                 mask = 0xFFFF;
1593         else
1594                 mask = 0xFFFFFFFF;
1595
1596         /*
1597          * If it was an "IN" instruction, they expect the result to be read
1598          * into %eax, so we change %eax.
1599          */
1600         eax = getreg(eax);
1601
1602         if (in) {
1603                 /* This is the PS/2 keyboard status; 1 means ready for output */
1604                 if (port == 0x64)
1605                         val = 1;
1606                 else if (is_pci_addr_port(port))
1607                         pci_addr_ioread(port, mask, &val);
1608                 else if (is_pci_data_port(port))
1609                         pci_data_ioread(port, mask, &val);
1610
1611                 /* Clear the bits we're about to read */
1612                 eax &= ~mask;
1613                 /* Copy bits in from val. */
1614                 eax |= val & mask;
1615                 /* Now update the register. */
1616                 setreg(eax, eax);
1617         } else {
1618                 if (is_pci_addr_port(port)) {
1619                         if (!pci_addr_iowrite(port, mask, eax))
1620                                 goto bad_io;
1621                 } else if (is_pci_data_port(port)) {
1622                         if (!pci_data_iowrite(port, mask, eax))
1623                                 goto bad_io;
1624                 }
1625                 /* There are many other ports, eg. CMOS clock, serial
1626                  * and parallel ports, so we ignore them all. */
1627         }
1628
1629         verbose("IO %s of %x to %u: %#08x\n",
1630                 in ? "IN" : "OUT", mask, port, eax);
1631 skip_insn:
1632         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1633         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1634         return;
1635
1636 bad_io:
1637         warnx("Attempt to %s port %u (%#x mask)",
1638               in ? "read from" : "write to", port, mask);
1639
1640 no_emulate:
1641         /* Inject trap into Guest. */
1642         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1643                 err(1, "Reinjecting trap 13 for fault at %#x", getreg(eip));
1644 }
1645
1646 static struct device *find_mmio_region(unsigned long paddr, u32 *off)
1647 {
1648         unsigned int i;
1649
1650         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1651                 struct device *d = devices.pci[i];
1652
1653                 if (!d)
1654                         continue;
1655                 if (paddr < d->mmio_addr)
1656                         continue;
1657                 if (paddr >= d->mmio_addr + d->mmio_size)
1658                         continue;
1659                 *off = paddr - d->mmio_addr;
1660                 return d;
1661         }
1662         return NULL;
1663 }
1664
1665 /* FIXME: Use vq array. */
1666 static struct virtqueue *vq_by_num(struct device *d, u32 num)
1667 {
1668         struct virtqueue *vq = d->vq;
1669
1670         while (num-- && vq)
1671                 vq = vq->next;
1672
1673         return vq;
1674 }
1675
1676 static void save_vq_config(const struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1677                            struct virtqueue *vq)
1678 {
1679         vq->pci_config = *cfg;
1680 }
1681
1682 static void restore_vq_config(struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1683                               struct virtqueue *vq)
1684 {
1685         /* Only restore the per-vq part */
1686         size_t off = offsetof(struct virtio_pci_common_cfg, queue_size);
1687
1688         memcpy((void *)cfg + off, (void *)&vq->pci_config + off,
1689                sizeof(*cfg) - off);
1690 }
1691
1692 /*
1693  * When they enable the virtqueue, we check that their setup is valid.
1694  */
1695 static void enable_virtqueue(struct device *d, struct virtqueue *vq)
1696 {
1697         /*
1698          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1699          * the stack pointer to the end of this region.
1700          */
1701         char *stack = malloc(32768);
1702
1703         /* Because lguest is 32 bit, all the descriptor high bits must be 0 */
1704         if (vq->pci_config.queue_desc_hi
1705             || vq->pci_config.queue_avail_hi
1706             || vq->pci_config.queue_used_hi)
1707                 errx(1, "%s: invalid 64-bit queue address", d->name);
1708
1709         /* Initialize the virtqueue and check they're all in range. */
1710         vq->vring.num = vq->pci_config.queue_size;
1711         vq->vring.desc = check_pointer(vq->pci_config.queue_desc_lo,
1712                                        sizeof(*vq->vring.desc) * vq->vring.num);
1713         vq->vring.avail = check_pointer(vq->pci_config.queue_avail_lo,
1714                                         sizeof(*vq->vring.avail)
1715                                         + (sizeof(vq->vring.avail->ring[0])
1716                                            * vq->vring.num));
1717         vq->vring.used = check_pointer(vq->pci_config.queue_used_lo,
1718                                        sizeof(*vq->vring.used)
1719                                        + (sizeof(vq->vring.used->ring[0])
1720                                           * vq->vring.num));
1721
1722
1723         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1724         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1725         if (vq->eventfd < 0)
1726                 err(1, "Creating eventfd");
1727
1728         /*
1729          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1730          * we get a signal if it dies.
1731          */
1732         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1733         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1734                 err(1, "Creating clone");
1735 }
1736
1737 static void reset_pci_device(struct device *dev)
1738 {
1739         /* FIXME */
1740 }
1741
1742 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask)
1743 {
1744         struct virtqueue *vq;
1745
1746         switch (off) {
1747         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
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 &= ((u64)0xFFFFFFFF << 32);
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                 if (val == 0)
1776                         reset_pci_device(d);
1777                 goto write_through8;
1778         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_select):
1779                 vq = vq_by_num(d, val);
1780                 /* Out of range?  Return size 0 */
1781                 if (!vq) {
1782                         d->mmio->cfg.queue_size = 0;
1783                         goto write_through16;
1784                 }
1785                 /* Save registers for old vq, if it was a valid vq */
1786                 if (d->mmio->cfg.queue_size)
1787                         save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1788                                        vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1789                 /* Restore the registers for the queue they asked for */
1790                 restore_vq_config(&d->mmio->cfg, vq);
1791                 goto write_through16;
1792         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_size):
1793                 if (val & (val-1))
1794                         errx(1, "%s: invalid queue size %u\n", d->name, val);
1795                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1796                         errx(1, "%s: changing queue size on live device",
1797                              d->name);
1798                 goto write_through16;
1799         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_msix_vector):
1800                 errx(1, "%s: attempt to set MSIX vector to %u",
1801                      d->name, val);
1802         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_enable):
1803                 if (val != 1)
1804                         errx(1, "%s: setting queue_enable to %u", d->name, val);
1805                 d->mmio->cfg.queue_enable = val;
1806                 save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1807                                vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1808                 enable_virtqueue(d, vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1809                 goto write_through16;
1810         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_notify_off):
1811                 errx(1, "%s: attempt to write to queue_notify_off", d->name);
1812         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_lo):
1813         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_hi):
1814         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_lo):
1815         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_hi):
1816         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_lo):
1817         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_hi):
1818                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1819                         errx(1, "%s: changing queue on live device",
1820                              d->name);
1821                 goto write_through32;
1822         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1823                 vq = vq_by_num(d, val);
1824                 if (!vq)
1825                         errx(1, "Invalid vq notification on %u", val);
1826                 /* Notify the process handling this vq by adding 1 to eventfd */
1827                 write(vq->eventfd, "\1\0\0\0\0\0\0\0", 8);
1828                 goto write_through16;
1829         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1830                 errx(1, "%s: Unexpected write to isr", d->name);
1831         default:
1832                 errx(1, "%s: Unexpected write to offset %u", d->name, off);
1833         }
1834
1835 write_through32:
1836         if (mask != 0xFFFFFFFF) {
1837                 errx(1, "%s: non-32-bit write to offset %u (%#x)",
1838                      d->name, off, getreg(eip));
1839                 return;
1840         }
1841         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 4);
1842         return;
1843
1844 write_through16:
1845         if (mask != 0xFFFF)
1846                 errx(1, "%s: non-16-bit (%#x) write to offset %u (%#x)",
1847                      d->name, mask, off, getreg(eip));
1848         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 2);
1849         return;
1850
1851 write_through8:
1852         if (mask != 0xFF)
1853                 errx(1, "%s: non-8-bit write to offset %u (%#x)",
1854                      d->name, off, getreg(eip));
1855         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 1);
1856         return;
1857 }
1858
1859 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask)
1860 {
1861         u8 isr;
1862         u32 val = 0;
1863
1864         switch (off) {
1865         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1866         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature):
1867         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1868         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1869                 goto read_through32;
1870         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.msix_config):
1871                 errx(1, "%s: read of msix_config", d->name);
1872         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.num_queues):
1873                 goto read_through16;
1874         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1875         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.config_generation):
1876                 goto read_through8;
1877         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1878                 goto read_through16;
1879         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1880                 if (mask != 0xFF)
1881                         errx(1, "%s: non-8-bit read from offset %u (%#x)",
1882                              d->name, off, getreg(eip));
1883                 /* Read resets the isr */
1884                 isr = d->mmio->isr;
1885                 d->mmio->isr = 0;
1886                 return isr;
1887         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, padding):
1888                 errx(1, "%s: read from padding (%#x)",
1889                      d->name, getreg(eip));
1890         default:
1891                 /* Read from device config space, beware unaligned overflow */
1892                 if (off > d->mmio_size - 4)
1893                         errx(1, "%s: read past end (%#x)",
1894                              d->name, getreg(eip));
1895                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1896                         goto read_through32;
1897                 else if (mask == 0xFFFF)
1898                         goto read_through16;
1899                 else
1900                         goto read_through8;
1901         }
1902
1903 read_through32:
1904         if (mask != 0xFFFFFFFF)
1905                 errx(1, "%s: non-32-bit read to offset %u (%#x)",
1906                      d->name, off, getreg(eip));
1907         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 4);
1908         return val;
1909
1910 read_through16:
1911         if (mask != 0xFFFF)
1912                 errx(1, "%s: non-16-bit read to offset %u (%#x)",
1913                      d->name, off, getreg(eip));
1914         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 2);
1915         return val;
1916
1917 read_through8:
1918         if (mask != 0xFF)
1919                 errx(1, "%s: non-8-bit read to offset %u (%#x)",
1920                      d->name, off, getreg(eip));
1921         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 1);
1922         return val;
1923 }
1924
1925 static void emulate_mmio(unsigned long paddr, const u8 *insn)
1926 {
1927         u32 val, off, mask = 0xFFFFFFFF, insnlen = 0;
1928         struct device *d = find_mmio_region(paddr, &off);
1929         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 14 };
1930
1931         if (!d) {
1932                 warnx("MMIO touching %#08lx (not a device)", paddr);
1933                 goto reinject;
1934         }
1935
1936         /* Prefix makes it a 16 bit op */
1937         if (insn[0] == 0x66) {
1938                 mask = 0xFFFF;
1939                 insnlen++;
1940         }
1941
1942         /* iowrite */
1943         if (insn[insnlen] == 0x89) {
1944                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1945                 val = getreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, mask);
1946                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
1947                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
1948         } else if (insn[insnlen] == 0x8b) { /* ioread */
1949                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1950                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
1951                 setreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, val, mask);
1952                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
1953         } else if (insn[0] == 0x88) { /* 8-bit iowrite */
1954                 mask = 0xff;
1955                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1956                 val = getreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, mask);
1957                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
1958                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
1959         } else if (insn[0] == 0x8a) { /* 8-bit ioread */
1960                 mask = 0xff;
1961                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
1962                 setreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, val, mask);
1963                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
1964         } else {
1965                 warnx("Unknown MMIO instruction touching %#08lx:"
1966                      " %02x %02x %02x %02x at %u",
1967                      paddr, insn[0], insn[1], insn[2], insn[3], getreg(eip));
1968         reinject:
1969                 /* Inject trap into Guest. */
1970                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1971                         err(1, "Reinjecting trap 14 for fault at %#x",
1972                             getreg(eip));
1973                 return;
1974         }
1975
1976         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1977         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1978 }
1979
1980 /*L:190
1981  * Device Setup
1982  *
1983  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
1984  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
1985  * routines to allocate and manage them.
1986  */
1987
1988 /*
1989  * The layout of the device page is a "struct lguest_device_desc" followed by a
1990  * number of virtqueue descriptors, then two sets of feature bits, then an
1991  * array of configuration bytes.  This routine returns the configuration
1992  * pointer.
1993  */
1994 static u8 *device_config(const struct device *dev)
1995 {
1996         return (void *)(dev->desc + 1)
1997                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig)
1998                 + dev->feature_len * 2;
1999 }
2000
2001 /*
2002  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
2003  * table page just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to
2004  * that descriptor.
2005  */
2006 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
2007 {
2008         struct lguest_device_desc d = { .type = type };
2009         void *p;
2010
2011         /* Figure out where the next device config is, based on the last one. */
2012         if (devices.lastdev)
2013                 p = device_config(devices.lastdev)
2014                         + devices.lastdev->desc->config_len;
2015         else
2016                 p = devices.descpage;
2017
2018         /* We only have one page for all the descriptors. */
2019         if (p + sizeof(d) > (void *)devices.descpage + getpagesize())
2020                 errx(1, "Too many devices");
2021
2022         /* p might not be aligned, so we memcpy in. */
2023         return memcpy(p, &d, sizeof(d));
2024 }
2025
2026 /*
2027  * Each device descriptor is followed by the description of its virtqueues.  We
2028  * specify how many descriptors the virtqueue is to have.
2029  */
2030 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
2031                           void (*service)(struct virtqueue *))
2032 {
2033         unsigned int pages;
2034         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2035         void *p;
2036
2037         /* First we need some memory for this virtqueue. */
2038         pages = (vring_size(num_descs, LGUEST_VRING_ALIGN) + getpagesize() - 1)
2039                 / getpagesize();
2040         p = get_pages(pages);
2041
2042         /* Initialize the virtqueue */
2043         vq->next = NULL;
2044         vq->last_avail_idx = 0;
2045         vq->dev = dev;
2046
2047         /*
2048          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2049          * once it's running.
2050          */
2051         vq->service = service;
2052         vq->thread = (pid_t)-1;
2053
2054         /* Initialize the configuration. */
2055         vq->config.num = num_descs;
2056         vq->config.irq = devices.next_irq++;
2057         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
2058
2059         /* Initialize the vring. */
2060         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, LGUEST_VRING_ALIGN);
2061
2062         /*
2063          * Append virtqueue to this device's descriptor.  We use
2064          * device_config() to get the end of the device's current virtqueues;
2065          * we check that we haven't added any config or feature information
2066          * yet, otherwise we'd be overwriting them.
2067          */
2068         assert(dev->desc->config_len == 0 && dev->desc->feature_len == 0);
2069         memcpy(device_config(dev), &vq->config, sizeof(vq->config));
2070         dev->num_vq++;
2071         dev->desc->num_vq++;
2072
2073         verbose("Virtqueue page %#lx\n", to_guest_phys(p));
2074
2075         /*
2076          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2077          * second.
2078          */
2079         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2080         *i = vq;
2081 }
2082
2083 static void add_pci_virtqueue(struct device *dev,
2084                               void (*service)(struct virtqueue *))
2085 {
2086         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2087
2088         /* Initialize the virtqueue */
2089         vq->next = NULL;
2090         vq->last_avail_idx = 0;
2091         vq->dev = dev;
2092
2093         /*
2094          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2095          * once it's running.
2096          */
2097         vq->service = service;
2098         vq->thread = (pid_t)-1;
2099
2100         /* Initialize the configuration. */
2101         vq->pci_config.queue_size = VIRTQUEUE_NUM;
2102         vq->pci_config.queue_enable = 0;
2103         vq->pci_config.queue_notify_off = 0;
2104
2105         /* Add one to the number of queues */
2106         vq->dev->mmio->cfg.num_queues++;
2107
2108         /* FIXME: Do irq per virtqueue, not per device. */
2109         vq->config.irq = vq->dev->config.irq_line;
2110
2111         /*
2112          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2113          * second.
2114          */
2115         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2116         *i = vq;
2117 }
2118
2119 /*
2120  * The first half of the feature bitmask is for us to advertise features.  The
2121  * second half is for the Guest to accept features.
2122  */
2123 static void add_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2124 {
2125         u8 *features = get_feature_bits(dev);
2126
2127         /* We can't extend the feature bits once we've added config bytes */
2128         if (dev->desc->feature_len <= bit / CHAR_BIT) {
2129                 assert(dev->desc->config_len == 0);
2130                 dev->feature_len = dev->desc->feature_len = (bit/CHAR_BIT) + 1;
2131         }
2132
2133         features[bit / CHAR_BIT] |= (1 << (bit % CHAR_BIT));
2134 }
2135
2136 static void add_pci_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2137 {
2138         dev->features |= (1ULL << bit);
2139 }
2140
2141 /*
2142  * This routine sets the configuration fields for an existing device's
2143  * descriptor.  It only works for the last device, but that's OK because that's
2144  * how we use it.
2145  */
2146 static void set_config(struct device *dev, unsigned len, const void *conf)
2147 {
2148         /* Check we haven't overflowed our single page. */
2149         if (device_config(dev) + len > devices.descpage + getpagesize())
2150                 errx(1, "Too many devices");
2151
2152         /* Copy in the config information, and store the length. */
2153         memcpy(device_config(dev), conf, len);
2154         dev->desc->config_len = len;
2155
2156         /* Size must fit in config_len field (8 bits)! */
2157         assert(dev->desc->config_len == len);
2158 }
2159
2160 /* For devices with no config. */
2161 static void no_device_config(struct device *dev)
2162 {
2163         dev->mmio_addr = get_mmio_region(dev->mmio_size);
2164
2165         dev->config.bar[0] = dev->mmio_addr;
2166         /* Bottom 4 bits must be zero */
2167         assert(~(dev->config.bar[0] & 0xF));
2168 }
2169
2170 /* This puts the device config into BAR0 */
2171 static void set_device_config(struct device *dev, const void *conf, size_t len)
2172 {
2173         /* Set up BAR 0 */
2174         dev->mmio_size += len;
2175         dev->mmio = realloc(dev->mmio, dev->mmio_size);
2176         memcpy(dev->mmio + 1, conf, len);
2177
2178         /* Hook up device cfg */
2179         dev->config.cfg_access.cap.cap_next
2180                 = offsetof(struct pci_config, device);
2181
2182         /* Fix up device cfg field length. */
2183         dev->config.device.length = len;
2184
2185         /* The rest is the same as the no-config case */
2186         no_device_config(dev);
2187 }
2188
2189 static void init_cap(struct virtio_pci_cap *cap, size_t caplen, int type,
2190                      size_t bar_offset, size_t bar_bytes, u8 next)
2191 {
2192         cap->cap_vndr = PCI_CAP_ID_VNDR;
2193         cap->cap_next = next;
2194         cap->cap_len = caplen;
2195         cap->cfg_type = type;
2196         cap->bar = 0;
2197         memset(cap->padding, 0, sizeof(cap->padding));
2198         cap->offset = bar_offset;
2199         cap->length = bar_bytes;
2200 }
2201
2202 /*
2203  * This sets up the pci_config structure, as defined in the virtio 1.0
2204  * standard (and PCI standard).
2205  */
2206 static void init_pci_config(struct pci_config *pci, u16 type,
2207                             u8 class, u8 subclass)
2208 {
2209         size_t bar_offset, bar_len;
2210
2211         /* Save typing: most thing are happy being zero. */
2212         memset(pci, 0, sizeof(*pci));
2213
2214         /* 4.1.2.1: Devices MUST have the PCI Vendor ID 0x1AF4 */
2215         pci->vendor_id = 0x1AF4;
2216         /* 4.1.2.1: ... PCI Device ID calculated by adding 0x1040 ... */
2217         pci->device_id = 0x1040 + type;
2218
2219         /*
2220          * PCI have specific codes for different types of devices.
2221          * Linux doesn't care, but it's a good clue for people looking
2222          * at the device.
2223          *
2224          * eg :
2225          *  VIRTIO_ID_CONSOLE: class = 0x07, subclass = 0x00
2226          *  VIRTIO_ID_NET: class = 0x02, subclass = 0x00
2227          *  VIRTIO_ID_BLOCK: class = 0x01, subclass = 0x80
2228          *  VIRTIO_ID_RNG: class = 0xff, subclass = 0
2229          */
2230         pci->class = class;
2231         pci->subclass = subclass;
2232
2233         /*
2234          * 4.1.2.1 Non-transitional devices SHOULD have a PCI Revision
2235          * ID of 1 or higher
2236          */
2237         pci->revid = 1;
2238
2239         /*
2240          * 4.1.2.1 Non-transitional devices SHOULD have a PCI
2241          * Subsystem Device ID of 0x40 or higher.
2242          */
2243         pci->subsystem_device_id = 0x40;
2244
2245         /* We use our dummy interrupt controller, and irq_line is the irq */
2246         pci->irq_line = devices.next_irq++;
2247         pci->irq_pin = 0;
2248
2249         /* Support for extended capabilities. */
2250         pci->status = (1 << 4);
2251
2252         /* Link them in. */
2253         pci->capabilities = offsetof(struct pci_config, common);
2254
2255         bar_offset = offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg);
2256         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->cfg);
2257         init_cap(&pci->common, sizeof(pci->common), VIRTIO_PCI_CAP_COMMON_CFG,
2258                  bar_offset, bar_len,
2259                  offsetof(struct pci_config, notify));
2260
2261         bar_offset += bar_len;
2262         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->notify);
2263         /* FIXME: Use a non-zero notify_off, for per-queue notification? */
2264         init_cap(&pci->notify.cap, sizeof(pci->notify),
2265                  VIRTIO_PCI_CAP_NOTIFY_CFG,
2266                  bar_offset, bar_len,
2267                  offsetof(struct pci_config, isr));
2268
2269         bar_offset += bar_len;
2270         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->isr);
2271         init_cap(&pci->isr, sizeof(pci->isr),
2272                  VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG,
2273                  bar_offset, bar_len,
2274                  offsetof(struct pci_config, cfg_access));
2275
2276         /* This doesn't have any presence in the BAR */
2277         init_cap(&pci->cfg_access.cap, sizeof(pci->cfg_access),
2278                  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG,
2279                  0, 0, 0);
2280
2281         bar_offset += bar_len + sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->padding);
2282         assert(bar_offset == sizeof(struct virtio_pci_mmio));
2283
2284         /*
2285          * This gets sewn in and length set in set_device_config().
2286          * Some devices don't have a device configuration interface, so
2287          * we never expose this if we don't call set_device_config().
2288          */
2289         init_cap(&pci->device, sizeof(pci->device), VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG,
2290                  bar_offset, 0, 0);
2291 }
2292
2293 /*
2294  * This routine does all the creation and setup of a new device, including
2295  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory.  We
2296  * don't actually start the service threads until later.
2297  *
2298  * See what I mean about userspace being boring?
2299  */
2300 static struct device *new_device(const char *name, u16 type)
2301 {
2302         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2303
2304         /* Now we populate the fields one at a time. */
2305         dev->desc = new_dev_desc(type);
2306         dev->name = name;
2307         dev->vq = NULL;
2308         dev->feature_len = 0;
2309         dev->num_vq = 0;
2310         dev->running = false;
2311         dev->next = NULL;
2312
2313         /*
2314          * Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
2315          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
2316          * in command-line order.  The first network device on the command line
2317          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc.
2318          */
2319         if (devices.lastdev)
2320                 devices.lastdev->next = dev;
2321         else
2322                 devices.dev = dev;
2323         devices.lastdev = dev;
2324
2325         return dev;
2326 }
2327
2328 static struct device *new_pci_device(const char *name, u16 type,
2329                                      u8 class, u8 subclass)
2330 {
2331         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2332
2333         /* Now we populate the fields one at a time. */
2334         dev->desc = NULL;
2335         dev->name = name;
2336         dev->vq = NULL;
2337         dev->feature_len = 0;
2338         dev->num_vq = 0;
2339         dev->running = false;
2340         dev->next = NULL;
2341         dev->mmio_size = sizeof(struct virtio_pci_mmio);
2342         dev->mmio = calloc(1, dev->mmio_size);
2343         dev->features = (u64)1 << VIRTIO_F_VERSION_1;
2344         dev->features_accepted = 0;
2345
2346         if (devices.device_num + 1 >= 32)
2347                 errx(1, "Can only handle 31 PCI devices");
2348
2349         init_pci_config(&dev->config, type, class, subclass);
2350         assert(!devices.pci[devices.device_num+1]);
2351         devices.pci[++devices.device_num] = dev;
2352
2353         return dev;
2354 }
2355
2356 /*
2357  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
2358  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
2359  */
2360 static void setup_console(void)
2361 {
2362         struct device *dev;
2363
2364         /* If we can save the initial standard input settings... */
2365         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
2366                 struct termios term = orig_term;
2367                 /*
2368                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
2369                  * raw input stream to the Guest.
2370                  */
2371                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
2372                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
2373         }
2374
2375         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE);
2376
2377         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
2378         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
2379         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
2380
2381         /*
2382          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
2383          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
2384          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
2385          * stdout.
2386          */
2387         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_input);
2388         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_output);
2389
2390         verbose("device %u: console\n", ++devices.device_num);
2391 }
2392 /*:*/
2393
2394 /*M:010
2395  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
2396  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
2397  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
2398  *
2399  * More sophisticated is to use one of the tools developed for project like UML
2400  * to do networking.
2401  *
2402  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
2403  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
2404  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
2405  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
2406  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
2407  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
2408  *
2409  * Finally, we could use a virtio network switch in the kernel, ie. vhost.
2410 :*/
2411
2412 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
2413 {
2414         unsigned int b[4];
2415
2416         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
2417                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
2418         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
2419 }
2420
2421 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
2422 {
2423         unsigned int m[6];
2424         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
2425                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
2426                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
2427         mac[0] = m[0];
2428         mac[1] = m[1];
2429         mac[2] = m[2];
2430         mac[3] = m[3];
2431         mac[4] = m[4];
2432         mac[5] = m[5];
2433 }
2434
2435 /*
2436  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
2437  * network device to the bridge device specified by the command line.
2438  *
2439  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
2440  * dislike bridging), and I just try not to break it.
2441  */
2442 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
2443 {
2444         int ifidx;
2445         struct ifreq ifr;
2446
2447         if (!*br_name)
2448                 errx(1, "must specify bridge name");
2449
2450         ifidx = if_nametoindex(if_name);
2451         if (!ifidx)
2452                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
2453
2454         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
2455         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
2456         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
2457         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
2458                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
2459 }
2460
2461 /*
2462  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
2463  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
2464  * pointer.
2465  */
2466 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
2467 {
2468         struct ifreq ifr;
2469         struct sockaddr_in sin;
2470
2471         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2472         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
2473
2474         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
2475         sin.sin_family = AF_INET;
2476         sin.sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
2477         memcpy(&ifr.ifr_addr, &sin, sizeof(sin));
2478         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
2479                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
2480         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
2481         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
2482                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
2483 }
2484
2485 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
2486 {
2487         struct ifreq ifr;
2488         int netfd;
2489
2490         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
2491         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2492
2493         /*
2494          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
2495          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
2496          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
2497          * works now!
2498          */
2499         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
2500         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
2501         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
2502         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
2503                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
2504
2505         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
2506                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
2507                 err(1, "Could not set features for tun device");
2508
2509         /*
2510          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
2511          * device: trust us!
2512          */
2513         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
2514
2515         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
2516         return netfd;
2517 }
2518
2519 /*L:195
2520  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
2521  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
2522  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
2523  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
2524  */
2525 static void setup_tun_net(char *arg)
2526 {
2527         struct device *dev;
2528         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
2529         int ipfd;
2530         u32 ip = INADDR_ANY;
2531         bool bridging = false;
2532         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
2533         struct virtio_net_config conf;
2534
2535         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
2536
2537         /* First we create a new network device. */
2538         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET);
2539         dev->priv = net_info;
2540
2541         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
2542         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_input);
2543         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_output);
2544
2545         /*
2546          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
2547          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
2548          */
2549         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
2550         if (ipfd < 0)
2551                 err(1, "opening IP socket");
2552
2553         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
2554         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
2555                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
2556                 bridging = true;
2557         }
2558
2559         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
2560         p = strchr(arg, ':');
2561         if (p) {
2562                 str2mac(p+1, conf.mac);
2563                 add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
2564                 *p = '\0';
2565         }
2566
2567         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
2568         if (bridging)
2569                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
2570         else
2571                 ip = str2ip(arg);
2572
2573         /* Set up the tun device. */
2574         configure_device(ipfd, tapif, ip);
2575
2576         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
2577         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
2578         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
2579         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
2580         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
2581         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
2582         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
2583         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
2584         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
2585         /* We handle indirect ring entries */
2586         add_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
2587         /* We're compliant with the damn spec. */
2588         add_feature(dev, VIRTIO_F_ANY_LAYOUT);
2589         set_config(dev, sizeof(conf), &conf);
2590
2591         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
2592         close(ipfd);
2593
2594         devices.device_num++;
2595
2596         if (bridging)
2597                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
2598                         devices.device_num, tapif, arg);
2599         else
2600                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
2601                         devices.device_num, tapif, arg);
2602 }
2603 /*:*/
2604
2605 /* This hangs off device->priv. */
2606 struct vblk_info {
2607         /* The size of the file. */
2608         off64_t len;
2609
2610         /* The file descriptor for the file. */
2611         int fd;
2612
2613 };
2614
2615 /*L:210
2616  * The Disk
2617  *
2618  * The disk only has one virtqueue, so it only has one thread.  It is really
2619  * simple: the Guest asks for a block number and we read or write that position
2620  * in the file.
2621  *
2622  * Before we serviced each virtqueue in a separate thread, that was unacceptably
2623  * slow: the Guest waits until the read is finished before running anything
2624  * else, even if it could have been doing useful work.
2625  *
2626  * We could have used async I/O, except it's reputed to suck so hard that
2627  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
2628  */
2629 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
2630 {
2631         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
2632         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
2633         int ret, i;
2634         u8 *in;
2635         struct virtio_blk_outhdr out;
2636         struct iovec iov[vq->vring.num];
2637         off64_t off;
2638
2639         /*
2640          * Get the next request, where we normally wait.  It triggers the
2641          * interrupt to acknowledge previously serviced requests (if any).
2642          */
2643         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2644
2645         /* Copy the output header from the front of the iov (adjusts iov) */
2646         iov_consume(iov, out_num, &out, sizeof(out));
2647
2648         /* Find and trim end of iov input array, for our status byte. */
2649         in = NULL;
2650         for (i = out_num + in_num - 1; i >= out_num; i--) {
2651                 if (iov[i].iov_len > 0) {
2652                         in = iov[i].iov_base + iov[i].iov_len - 1;
2653                         iov[i].iov_len--;
2654                         break;
2655                 }
2656         }
2657         if (!in)
2658                 errx(1, "Bad virtblk cmd with no room for status");
2659
2660         /*
2661          * For historical reasons, block operations are expressed in 512 byte
2662          * "sectors".
2663          */
2664         off = out.sector * 512;
2665
2666         /*
2667          * In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
2668          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't.
2669          */
2670         if (out.type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
2671                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
2672                 *in = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
2673                 wlen = sizeof(*in);
2674         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
2675                 /*
2676                  * Write
2677                  *
2678                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2679                  * if they try to write past end.
2680                  */
2681                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2682                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2683
2684                 ret = writev(vblk->fd, iov, out_num);
2685                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out.sector, ret);
2686
2687                 /*
2688                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
2689                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
2690                  * file (possibly extending it).
2691                  */
2692                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
2693                         /* Trim it back to the correct length */
2694                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
2695                         /* Die, bad Guest, die. */
2696                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
2697                 }
2698
2699                 wlen = sizeof(*in);
2700                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2701         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_FLUSH) {
2702                 /* Flush */
2703                 ret = fdatasync(vblk->fd);
2704                 verbose("FLUSH fdatasync: %i\n", ret);
2705                 wlen = sizeof(*in);
2706                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2707         } else {
2708                 /*
2709                  * Read
2710                  *
2711                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2712                  * if they try to read past end.
2713                  */
2714                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2715                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2716
2717                 ret = readv(vblk->fd, iov + out_num, in_num);
2718                 if (ret >= 0) {
2719                         wlen = sizeof(*in) + ret;
2720                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
2721                 } else {
2722                         wlen = sizeof(*in);
2723                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
2724                 }
2725         }
2726
2727         /* Finished that request. */
2728         add_used(vq, head, wlen);
2729 }
2730
2731 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
2732 static void setup_block_file(const char *filename)
2733 {
2734         struct device *dev;
2735         struct vblk_info *vblk;
2736         struct virtio_blk_config conf;
2737
2738         /* Creat the device. */
2739         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK);
2740
2741         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
2742         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, blk_request);
2743
2744         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
2745         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
2746
2747         /* First we open the file and store the length. */
2748         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
2749         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
2750
2751         /* We support FLUSH. */
2752         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_FLUSH);
2753
2754         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
2755         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
2756
2757         /*
2758          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
2759          * for the in and out elements.
2760          */
2761         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
2762         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
2763
2764         /* Don't try to put whole struct: we have 8 bit limit. */
2765         set_config(dev, offsetof(struct virtio_blk_config, geometry), &conf);
2766
2767         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
2768                 ++devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
2769 }
2770
2771 /*L:211
2772  * Our random number generator device reads from /dev/urandom into the Guest's
2773  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
2774  * and so has no buffers although /dev/urandom is still readable, whereas
2775  * console is the reverse.
2776  *
2777  * The same logic applies, however.
2778  */
2779 struct rng_info {
2780         int rfd;
2781 };
2782
2783 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
2784 {
2785         int len;
2786         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
2787         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
2788         struct iovec iov[vq->vring.num];
2789
2790         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
2791         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2792         if (out_num)
2793                 errx(1, "Output buffers in rng?");
2794
2795         /*
2796          * Just like the console write, we loop to cover the whole iovec.
2797          * In this case, short reads actually happen quite a bit.
2798          */
2799         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
2800                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
2801                 if (len <= 0)
2802                         err(1, "Read from /dev/urandom gave %i", len);
2803                 iov_consume(iov, in_num, NULL, len);
2804                 totlen += len;
2805         }
2806
2807         /* Tell the Guest about the new input. */
2808         add_used(vq, head, totlen);
2809 }
2810
2811 /*L:199
2812  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
2813  */
2814 static void setup_rng(void)
2815 {
2816         struct device *dev;
2817         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
2818
2819         /* Our device's private info simply contains the /dev/urandom fd. */
2820         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/urandom", O_RDONLY);
2821
2822         /* Create the new device. */
2823         dev = new_device("rng", VIRTIO_ID_RNG);
2824         dev->priv = rng_info;
2825
2826         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
2827         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, rng_input);
2828
2829         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num++);
2830 }
2831 /* That's the end of device setup. */
2832
2833 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
2834 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
2835 {
2836         unsigned int i;
2837
2838         /*
2839          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
2840          * stderr.
2841          */
2842         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
2843                 close(i);
2844
2845         /* Reset all the devices (kills all threads). */
2846         cleanup_devices();
2847
2848         execv(main_args[0], main_args);
2849         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
2850 }
2851
2852 /*L:220
2853  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
2854  * its input and output, and finally, lays it to rest.
2855  */
2856 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
2857 {
2858         for (;;) {
2859                 struct lguest_pending notify;
2860                 int readval;
2861
2862                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
2863                 readval = pread(lguest_fd, &notify, sizeof(notify), cpu_id);
2864
2865                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
2866                 if (readval == sizeof(notify)) {
2867                         if (notify.trap == 0x1F) {
2868                                 verbose("Notify on address %#08x\n",
2869                                         notify.addr);
2870                                 handle_output(notify.addr);
2871                         } else if (notify.trap == 13) {
2872                                 verbose("Emulating instruction at %#x\n",
2873                                         getreg(eip));
2874                                 emulate_insn(notify.insn);
2875                         } else if (notify.trap == 14) {
2876                                 verbose("Emulating MMIO at %#x\n",
2877                                         getreg(eip));
2878                                 emulate_mmio(notify.addr, notify.insn);
2879                         } else
2880                                 errx(1, "Unknown trap %i addr %#08x\n",
2881                                      notify.trap, notify.addr);
2882                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
2883                 } else if (errno == ENOENT) {
2884                         char reason[1024] = { 0 };
2885                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
2886                         errx(1, "%s", reason);
2887                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
2888                 } else if (errno == ERESTART) {
2889                         restart_guest();
2890                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
2891                 } else
2892                         err(1, "Running guest failed");
2893         }
2894 }
2895 /*L:240
2896  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
2897  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
2898  * of us.
2899  *
2900  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
2901  * "make Host".
2902 :*/
2903
2904 static struct option opts[] = {
2905         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
2906         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
2907         { "block", 1, NULL, 'b' },
2908         { "rng", 0, NULL, 'r' },
2909         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
2910         { "username", 1, NULL, 'u' },
2911         { "chroot", 1, NULL, 'c' },
2912         { NULL },
2913 };
2914 static void usage(void)
2915 {
2916         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
2917              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
2918              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
2919              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
2920 }
2921
2922 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
2923 int main(int argc, char *argv[])
2924 {
2925         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
2926         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
2927         /* Two temporaries. */
2928         int i, c;
2929         /* The boot information for the Guest. */
2930         struct boot_params *boot;
2931         /* If they specify an initrd file to load. */
2932         const char *initrd_name = NULL;
2933
2934         /* Password structure for initgroups/setres[gu]id */
2935         struct passwd *user_details = NULL;
2936
2937         /* Directory to chroot to */
2938         char *chroot_path = NULL;
2939
2940         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
2941         main_args = argv;
2942
2943         /*
2944          * First we initialize the device list.  We keep a pointer to the last
2945          * device, and the next interrupt number to use for devices (1:
2946          * remember that 0 is used by the timer).
2947          */
2948         devices.lastdev = NULL;
2949         devices.next_irq = 1;
2950
2951         /* We're CPU 0.  In fact, that's the only CPU possible right now. */
2952         cpu_id = 0;
2953
2954         /*
2955          * We need to know how much memory so we can set up the device
2956          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
2957          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
2958          * of memory now.
2959          */
2960         for (i = 1; i < argc; i++) {
2961                 if (argv[i][0] != '-') {
2962                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
2963                         /*
2964                          * We start by mapping anonymous pages over all of
2965                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
2966                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
2967                          * tries to access it.
2968                          */
2969                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
2970                                                       + DEVICE_PAGES);
2971                         guest_limit = mem;
2972                         guest_max = guest_mmio = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
2973                         devices.descpage = get_pages(1);
2974                         break;
2975                 }
2976         }
2977
2978         /* The options are fairly straight-forward */
2979         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
2980                 switch (c) {
2981                 case 'v':
2982                         verbose = true;
2983                         break;
2984                 case 't':
2985                         setup_tun_net(optarg);
2986                         break;
2987                 case 'b':
2988                         setup_block_file(optarg);
2989                         break;
2990                 case 'r':
2991                         setup_rng();
2992                         break;
2993                 case 'i':
2994                         initrd_name = optarg;
2995                         break;
2996                 case 'u':
2997                         user_details = getpwnam(optarg);
2998                         if (!user_details)
2999                                 err(1, "getpwnam failed, incorrect username?");
3000                         break;
3001                 case 'c':
3002                         chroot_path = optarg;
3003                         break;
3004                 default:
3005                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
3006                         usage();
3007                 }
3008         }
3009         /*
3010          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
3011          * followed by command line arguments for the kernel.
3012          */
3013         if (optind + 2 > argc)
3014                 usage();
3015
3016         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
3017
3018         /* We always have a console device */
3019         setup_console();
3020
3021         /* Initialize the (fake) PCI host bridge device. */
3022         init_pci_host_bridge();
3023
3024         /* Now we load the kernel */
3025         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
3026
3027         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
3028         boot = from_guest_phys(0);
3029
3030         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
3031         if (initrd_name) {
3032                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
3033                 /*
3034                  * These are the location in the Linux boot header where the
3035                  * start and size of the initrd are expected to be found.
3036                  */
3037                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
3038                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
3039                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
3040                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
3041         }
3042
3043         /*
3044          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
3045          * simple, single region.
3046          */
3047         boot->e820_entries = 1;
3048         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
3049         /*
3050          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
3051          * line after the boot header.
3052          */
3053         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
3054         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
3055         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
3056
3057         /* Set kernel alignment to 16M (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN) */
3058         boot->hdr.kernel_alignment = 0x1000000;
3059
3060         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
3061         boot->hdr.version = 0x207;
3062
3063         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
3064         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
3065
3066         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
3067         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
3068
3069         /* We tell the kernel to initialize the Guest. */
3070         tell_kernel(start);
3071
3072         /* Ensure that we terminate if a device-servicing child dies. */
3073         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
3074
3075         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
3076         atexit(cleanup_devices);
3077
3078         /* If requested, chroot to a directory */
3079         if (chroot_path) {
3080                 if (chroot(chroot_path) != 0)
3081                         err(1, "chroot(\"%s\") failed", chroot_path);
3082
3083                 if (chdir("/") != 0)
3084                         err(1, "chdir(\"/\") failed");
3085
3086                 verbose("chroot done\n");
3087         }
3088
3089         /* If requested, drop privileges */
3090         if (user_details) {
3091                 uid_t u;
3092                 gid_t g;
3093
3094                 u = user_details->pw_uid;
3095                 g = user_details->pw_gid;
3096
3097                 if (initgroups(user_details->pw_name, g) != 0)
3098                         err(1, "initgroups failed");
3099
3100                 if (setresgid(g, g, g) != 0)
3101                         err(1, "setresgid failed");
3102
3103                 if (setresuid(u, u, u) != 0)
3104                         err(1, "setresuid failed");
3105
3106                 verbose("Dropping privileges completed\n");
3107         }
3108
3109         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
3110         run_guest();
3111 }
3112 /*:*/
3113
3114 /*M:999
3115  * Mastery is done: you now know everything I do.
3116  *
3117  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
3118  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
3119  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
3120  *
3121  * Farewell, and good coding!
3122  * Rusty Russell.
3123  */