lguest: implement virtio-PCI MMIO accesses.
[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 /* The IO ports used to read the PCI config space. */
1242 #define PCI_CONFIG_ADDR 0xCF8
1243 #define PCI_CONFIG_DATA 0xCFC
1244
1245 /*
1246  * Not really portable, but does help readability: this is what the Guest
1247  * writes to the PCI_CONFIG_ADDR IO port.
1248  */
1249 union pci_config_addr {
1250         struct {
1251                 unsigned mbz: 2;
1252                 unsigned offset: 6;
1253                 unsigned funcnum: 3;
1254                 unsigned devnum: 5;
1255                 unsigned busnum: 8;
1256                 unsigned reserved: 7;
1257                 unsigned enabled : 1;
1258         } bits;
1259         u32 val;
1260 };
1261
1262 /*
1263  * We cache what they wrote to the address port, so we know what they're
1264  * talking about when they access the data port.
1265  */
1266 static union pci_config_addr pci_config_addr;
1267
1268 static struct device *find_pci_device(unsigned int index)
1269 {
1270         return devices.pci[index];
1271 }
1272
1273 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte reads; we handle that here. */
1274 static void ioread(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *val)
1275 {
1276         assert(off < 4);
1277         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1278         *val = (v >> (off * 8)) & mask;
1279 }
1280
1281 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte writes; we handle that here. */
1282 static void iowrite(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *dst)
1283 {
1284         assert(off < 4);
1285         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1286         *dst &= ~(mask << (off * 8));
1287         *dst |= (v & mask) << (off * 8);
1288 }
1289
1290 /*
1291  * Where PCI_CONFIG_DATA accesses depends on the previous write to
1292  * PCI_CONFIG_ADDR.
1293  */
1294 static struct device *dev_and_reg(u32 *reg)
1295 {
1296         if (!pci_config_addr.bits.enabled)
1297                 return NULL;
1298
1299         if (pci_config_addr.bits.funcnum != 0)
1300                 return NULL;
1301
1302         if (pci_config_addr.bits.busnum != 0)
1303                 return NULL;
1304
1305         if (pci_config_addr.bits.offset * 4 >= sizeof(struct pci_config))
1306                 return NULL;
1307
1308         *reg = pci_config_addr.bits.offset;
1309         return find_pci_device(pci_config_addr.bits.devnum);
1310 }
1311
1312 /* Is this accessing the PCI config address port?. */
1313 static bool is_pci_addr_port(u16 port)
1314 {
1315         return port >= PCI_CONFIG_ADDR && port < PCI_CONFIG_ADDR + 4;
1316 }
1317
1318 static bool pci_addr_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1319 {
1320         iowrite(port - PCI_CONFIG_ADDR, val, mask,
1321                 &pci_config_addr.val);
1322         verbose("PCI%s: %#x/%x: bus %u dev %u func %u reg %u\n",
1323                 pci_config_addr.bits.enabled ? "" : " DISABLED",
1324                 val, mask,
1325                 pci_config_addr.bits.busnum,
1326                 pci_config_addr.bits.devnum,
1327                 pci_config_addr.bits.funcnum,
1328                 pci_config_addr.bits.offset);
1329         return true;
1330 }
1331
1332 static void pci_addr_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1333 {
1334         ioread(port - PCI_CONFIG_ADDR, pci_config_addr.val, mask, val);
1335 }
1336
1337 /* Is this accessing the PCI config data port?. */
1338 static bool is_pci_data_port(u16 port)
1339 {
1340         return port >= PCI_CONFIG_DATA && port < PCI_CONFIG_DATA + 4;
1341 }
1342
1343 static bool pci_data_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1344 {
1345         u32 reg, portoff;
1346         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1347
1348         /* Complain if they don't belong to a device. */
1349         if (!d)
1350                 return false;
1351
1352         /* They can do 1 byte writes, etc. */
1353         portoff = port - PCI_CONFIG_DATA;
1354
1355         /*
1356          * PCI uses a weird way to determine the BAR size: the OS
1357          * writes all 1's, and sees which ones stick.
1358          */
1359         if (&d->config_words[reg] == &d->config.bar[0]) {
1360                 int i;
1361
1362                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.bar[0]);
1363                 for (i = 0; (1 << i) < d->mmio_size; i++)
1364                         d->config.bar[0] &= ~(1 << i);
1365                 return true;
1366         } else if ((&d->config_words[reg] > &d->config.bar[0]
1367                     && &d->config_words[reg] <= &d->config.bar[6])
1368                    || &d->config_words[reg] == &d->config.expansion_rom_addr) {
1369                 /* Allow writing to any other BAR, or expansion ROM */
1370                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1371                 return true;
1372                 /* We let them overide latency timer and cacheline size */
1373         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.cacheline_size) {
1374                 /* Only let them change the first two fields. */
1375                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1376                         mask = 0xFFFF;
1377                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1378                 return true;
1379         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.command
1380                    && mask == 0xFFFF) {
1381                 /* Ignore command writes. */
1382                 return true;
1383         }
1384
1385         /* Complain about other writes. */
1386         return false;
1387 }
1388
1389 static void pci_data_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1390 {
1391         u32 reg;
1392         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1393
1394         if (!d)
1395                 return;
1396         ioread(port - PCI_CONFIG_DATA, d->config_words[reg], mask, val);
1397 }
1398
1399 /*L:216
1400  * This is where we emulate a handful of Guest instructions.  It's ugly
1401  * and we used to do it in the kernel but it grew over time.
1402  */
1403
1404 /*
1405  * We use the ptrace syscall's pt_regs struct to talk about registers
1406  * to lguest: these macros convert the names to the offsets.
1407  */
1408 #define getreg(name) getreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name))
1409 #define setreg(name, val) \
1410         setreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name), (val))
1411
1412 static u32 getreg_off(size_t offset)
1413 {
1414         u32 r;
1415         unsigned long args[] = { LHREQ_GETREG, offset };
1416
1417         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1418                 err(1, "Getting register %u", offset);
1419         if (pread(lguest_fd, &r, sizeof(r), cpu_id) != sizeof(r))
1420                 err(1, "Reading register %u", offset);
1421
1422         return r;
1423 }
1424
1425 static void setreg_off(size_t offset, u32 val)
1426 {
1427         unsigned long args[] = { LHREQ_SETREG, offset, val };
1428
1429         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1430                 err(1, "Setting register %u", offset);
1431 }
1432
1433 /* Get register by instruction encoding */
1434 static u32 getreg_num(unsigned regnum, u32 mask)
1435 {
1436         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1437         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4))
1438                 return getreg_num(regnum & 0x3, 0xFFFF) >> 8;
1439
1440         switch (regnum) {
1441         case 0: return getreg(eax) & mask;
1442         case 1: return getreg(ecx) & mask;
1443         case 2: return getreg(edx) & mask;
1444         case 3: return getreg(ebx) & mask;
1445         case 4: return getreg(esp) & mask;
1446         case 5: return getreg(ebp) & mask;
1447         case 6: return getreg(esi) & mask;
1448         case 7: return getreg(edi) & mask;
1449         }
1450         abort();
1451 }
1452
1453 /* Set register by instruction encoding */
1454 static void setreg_num(unsigned regnum, u32 val, u32 mask)
1455 {
1456         /* Don't try to set bits out of range */
1457         assert(~(val & ~mask));
1458
1459         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1460         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4)) {
1461                 /* Construct the 16 bits we want. */
1462                 val = (val << 8) | getreg_num(regnum & 0x3, 0xFF);
1463                 setreg_num(regnum & 0x3, val, 0xFFFF);
1464                 return;
1465         }
1466
1467         switch (regnum) {
1468         case 0: setreg(eax, val | (getreg(eax) & ~mask)); return;
1469         case 1: setreg(ecx, val | (getreg(ecx) & ~mask)); return;
1470         case 2: setreg(edx, val | (getreg(edx) & ~mask)); return;
1471         case 3: setreg(ebx, val | (getreg(ebx) & ~mask)); return;
1472         case 4: setreg(esp, val | (getreg(esp) & ~mask)); return;
1473         case 5: setreg(ebp, val | (getreg(ebp) & ~mask)); return;
1474         case 6: setreg(esi, val | (getreg(esi) & ~mask)); return;
1475         case 7: setreg(edi, val | (getreg(edi) & ~mask)); return;
1476         }
1477         abort();
1478 }
1479
1480 /* Get bytes of displacement appended to instruction, from r/m encoding */
1481 static u32 insn_displacement_len(u8 mod_reg_rm)
1482 {
1483         /* Switch on the mod bits */
1484         switch (mod_reg_rm >> 6) {
1485         case 0:
1486                 /* If mod == 0, and r/m == 101, 16-bit displacement follows */
1487                 if ((mod_reg_rm & 0x7) == 0x5)
1488                         return 2;
1489                 /* Normally, mod == 0 means no literal displacement */
1490                 return 0;
1491         case 1:
1492                 /* One byte displacement */
1493                 return 1;
1494         case 2:
1495                 /* Four byte displacement */
1496                 return 4;
1497         case 3:
1498                 /* Register mode */
1499                 return 0;
1500         }
1501         abort();
1502 }
1503
1504 static void emulate_insn(const u8 insn[])
1505 {
1506         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 13 };
1507         unsigned int insnlen = 0, in = 0, small_operand = 0, byte_access;
1508         unsigned int eax, port, mask;
1509         /*
1510          * Default is to return all-ones on IO port reads, which traditionally
1511          * means "there's nothing there".
1512          */
1513         u32 val = 0xFFFFFFFF;
1514
1515         /*
1516          * This must be the Guest kernel trying to do something, not userspace!
1517          * The bottom two bits of the CS segment register are the privilege
1518          * level.
1519          */
1520         if ((getreg(xcs) & 3) != 0x1)
1521                 goto no_emulate;
1522
1523         /* Decoding x86 instructions is icky. */
1524
1525         /*
1526          * Around 2.6.33, the kernel started using an emulation for the
1527          * cmpxchg8b instruction in early boot on many configurations.  This
1528          * code isn't paravirtualized, and it tries to disable interrupts.
1529          * Ignore it, which will Mostly Work.
1530          */
1531         if (insn[insnlen] == 0xfa) {
1532                 /* "cli", or Clear Interrupt Enable instruction.  Skip it. */
1533                 insnlen = 1;
1534                 goto skip_insn;
1535         }
1536
1537         /*
1538          * 0x66 is an "operand prefix".  It means a 16, not 32 bit in/out.
1539          */
1540         if (insn[insnlen] == 0x66) {
1541                 small_operand = 1;
1542                 /* The instruction is 1 byte so far, read the next byte. */
1543                 insnlen = 1;
1544         }
1545
1546         /* If the lower bit isn't set, it's a single byte access */
1547         byte_access = !(insn[insnlen] & 1);
1548
1549         /*
1550          * Now we can ignore the lower bit and decode the 4 opcodes
1551          * we need to emulate.
1552          */
1553         switch (insn[insnlen] & 0xFE) {
1554         case 0xE4: /* in     <next byte>,%al */
1555                 port = insn[insnlen+1];
1556                 insnlen += 2;
1557                 in = 1;
1558                 break;
1559         case 0xEC: /* in     (%dx),%al */
1560                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1561                 insnlen += 1;
1562                 in = 1;
1563                 break;
1564         case 0xE6: /* out    %al,<next byte> */
1565                 port = insn[insnlen+1];
1566                 insnlen += 2;
1567                 break;
1568         case 0xEE: /* out    %al,(%dx) */
1569                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1570                 insnlen += 1;
1571                 break;
1572         default:
1573                 /* OK, we don't know what this is, can't emulate. */
1574                 goto no_emulate;
1575         }
1576
1577         /* Set a mask of the 1, 2 or 4 bytes, depending on size of IO */
1578         if (byte_access)
1579                 mask = 0xFF;
1580         else if (small_operand)
1581                 mask = 0xFFFF;
1582         else
1583                 mask = 0xFFFFFFFF;
1584
1585         /*
1586          * If it was an "IN" instruction, they expect the result to be read
1587          * into %eax, so we change %eax.
1588          */
1589         eax = getreg(eax);
1590
1591         if (in) {
1592                 /* This is the PS/2 keyboard status; 1 means ready for output */
1593                 if (port == 0x64)
1594                         val = 1;
1595                 else if (is_pci_addr_port(port))
1596                         pci_addr_ioread(port, mask, &val);
1597                 else if (is_pci_data_port(port))
1598                         pci_data_ioread(port, mask, &val);
1599
1600                 /* Clear the bits we're about to read */
1601                 eax &= ~mask;
1602                 /* Copy bits in from val. */
1603                 eax |= val & mask;
1604                 /* Now update the register. */
1605                 setreg(eax, eax);
1606         } else {
1607                 if (is_pci_addr_port(port)) {
1608                         if (!pci_addr_iowrite(port, mask, eax))
1609                                 goto bad_io;
1610                 } else if (is_pci_data_port(port)) {
1611                         if (!pci_data_iowrite(port, mask, eax))
1612                                 goto bad_io;
1613                 }
1614                 /* There are many other ports, eg. CMOS clock, serial
1615                  * and parallel ports, so we ignore them all. */
1616         }
1617
1618         verbose("IO %s of %x to %u: %#08x\n",
1619                 in ? "IN" : "OUT", mask, port, eax);
1620 skip_insn:
1621         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1622         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1623         return;
1624
1625 bad_io:
1626         warnx("Attempt to %s port %u (%#x mask)",
1627               in ? "read from" : "write to", port, mask);
1628
1629 no_emulate:
1630         /* Inject trap into Guest. */
1631         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1632                 err(1, "Reinjecting trap 13 for fault at %#x", getreg(eip));
1633 }
1634
1635 static struct device *find_mmio_region(unsigned long paddr, u32 *off)
1636 {
1637         unsigned int i;
1638
1639         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1640                 struct device *d = devices.pci[i];
1641
1642                 if (!d)
1643                         continue;
1644                 if (paddr < d->mmio_addr)
1645                         continue;
1646                 if (paddr >= d->mmio_addr + d->mmio_size)
1647                         continue;
1648                 *off = paddr - d->mmio_addr;
1649                 return d;
1650         }
1651         return NULL;
1652 }
1653
1654 /* FIXME: Use vq array. */
1655 static struct virtqueue *vq_by_num(struct device *d, u32 num)
1656 {
1657         struct virtqueue *vq = d->vq;
1658
1659         while (num-- && vq)
1660                 vq = vq->next;
1661
1662         return vq;
1663 }
1664
1665 static void save_vq_config(const struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1666                            struct virtqueue *vq)
1667 {
1668         vq->pci_config = *cfg;
1669 }
1670
1671 static void restore_vq_config(struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1672                               struct virtqueue *vq)
1673 {
1674         /* Only restore the per-vq part */
1675         size_t off = offsetof(struct virtio_pci_common_cfg, queue_size);
1676
1677         memcpy((void *)cfg + off, (void *)&vq->pci_config + off,
1678                sizeof(*cfg) - off);
1679 }
1680
1681 /*
1682  * When they enable the virtqueue, we check that their setup is valid.
1683  */
1684 static void enable_virtqueue(struct device *d, struct virtqueue *vq)
1685 {
1686         /*
1687          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1688          * the stack pointer to the end of this region.
1689          */
1690         char *stack = malloc(32768);
1691
1692         /* Because lguest is 32 bit, all the descriptor high bits must be 0 */
1693         if (vq->pci_config.queue_desc_hi
1694             || vq->pci_config.queue_avail_hi
1695             || vq->pci_config.queue_used_hi)
1696                 errx(1, "%s: invalid 64-bit queue address", d->name);
1697
1698         /* Initialize the virtqueue and check they're all in range. */
1699         vq->vring.num = vq->pci_config.queue_size;
1700         vq->vring.desc = check_pointer(vq->pci_config.queue_desc_lo,
1701                                        sizeof(*vq->vring.desc) * vq->vring.num);
1702         vq->vring.avail = check_pointer(vq->pci_config.queue_avail_lo,
1703                                         sizeof(*vq->vring.avail)
1704                                         + (sizeof(vq->vring.avail->ring[0])
1705                                            * vq->vring.num));
1706         vq->vring.used = check_pointer(vq->pci_config.queue_used_lo,
1707                                        sizeof(*vq->vring.used)
1708                                        + (sizeof(vq->vring.used->ring[0])
1709                                           * vq->vring.num));
1710
1711
1712         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1713         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1714         if (vq->eventfd < 0)
1715                 err(1, "Creating eventfd");
1716
1717         /*
1718          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1719          * we get a signal if it dies.
1720          */
1721         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1722         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1723                 err(1, "Creating clone");
1724 }
1725
1726 static void reset_pci_device(struct device *dev)
1727 {
1728         /* FIXME */
1729 }
1730
1731 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask)
1732 {
1733         struct virtqueue *vq;
1734
1735         switch (off) {
1736         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1737                 if (val == 0)
1738                         d->mmio->cfg.device_feature = d->features;
1739                 else if (val == 1)
1740                         d->mmio->cfg.device_feature = (d->features >> 32);
1741                 else
1742                         d->mmio->cfg.device_feature = 0;
1743                 goto write_through32;
1744         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1745                 if (val > 1)
1746                         errx(1, "%s: Unexpected driver select %u",
1747                              d->name, val);
1748                 goto write_through32;
1749         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1750                 if (d->mmio->cfg.guest_feature_select == 0) {
1751                         d->features_accepted &= ~((u64)0xFFFFFFFF);
1752                         d->features_accepted |= val;
1753                 } else {
1754                         assert(d->mmio->cfg.guest_feature_select == 1);
1755                         d->features_accepted &= ((u64)0xFFFFFFFF << 32);
1756                         d->features_accepted |= ((u64)val) << 32;
1757                 }
1758                 if (d->features_accepted & ~d->features)
1759                         errx(1, "%s: over-accepted features %#llx of %#llx",
1760                              d->name, d->features_accepted, d->features);
1761                 goto write_through32;
1762         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1763                 verbose("%s: device status -> %#x\n", d->name, val);
1764                 if (val == 0)
1765                         reset_pci_device(d);
1766                 goto write_through8;
1767         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_select):
1768                 vq = vq_by_num(d, val);
1769                 /* Out of range?  Return size 0 */
1770                 if (!vq) {
1771                         d->mmio->cfg.queue_size = 0;
1772                         goto write_through16;
1773                 }
1774                 /* Save registers for old vq, if it was a valid vq */
1775                 if (d->mmio->cfg.queue_size)
1776                         save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1777                                        vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1778                 /* Restore the registers for the queue they asked for */
1779                 restore_vq_config(&d->mmio->cfg, vq);
1780                 goto write_through16;
1781         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_size):
1782                 if (val & (val-1))
1783                         errx(1, "%s: invalid queue size %u\n", d->name, val);
1784                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1785                         errx(1, "%s: changing queue size on live device",
1786                              d->name);
1787                 goto write_through16;
1788         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_msix_vector):
1789                 errx(1, "%s: attempt to set MSIX vector to %u",
1790                      d->name, val);
1791         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_enable):
1792                 if (val != 1)
1793                         errx(1, "%s: setting queue_enable to %u", d->name, val);
1794                 d->mmio->cfg.queue_enable = val;
1795                 save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1796                                vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1797                 enable_virtqueue(d, vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1798                 goto write_through16;
1799         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_notify_off):
1800                 errx(1, "%s: attempt to write to queue_notify_off", d->name);
1801         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_lo):
1802         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_hi):
1803         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_lo):
1804         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_hi):
1805         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_lo):
1806         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_hi):
1807                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1808                         errx(1, "%s: changing queue on live device",
1809                              d->name);
1810                 goto write_through32;
1811         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1812                 vq = vq_by_num(d, val);
1813                 if (!vq)
1814                         errx(1, "Invalid vq notification on %u", val);
1815                 /* Notify the process handling this vq by adding 1 to eventfd */
1816                 write(vq->eventfd, "\1\0\0\0\0\0\0\0", 8);
1817                 goto write_through16;
1818         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1819                 errx(1, "%s: Unexpected write to isr", d->name);
1820         default:
1821                 errx(1, "%s: Unexpected write to offset %u", d->name, off);
1822         }
1823
1824 write_through32:
1825         if (mask != 0xFFFFFFFF) {
1826                 errx(1, "%s: non-32-bit write to offset %u (%#x)",
1827                      d->name, off, getreg(eip));
1828                 return;
1829         }
1830         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 4);
1831         return;
1832
1833 write_through16:
1834         if (mask != 0xFFFF)
1835                 errx(1, "%s: non-16-bit (%#x) write to offset %u (%#x)",
1836                      d->name, mask, off, getreg(eip));
1837         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 2);
1838         return;
1839
1840 write_through8:
1841         if (mask != 0xFF)
1842                 errx(1, "%s: non-8-bit write to offset %u (%#x)",
1843                      d->name, off, getreg(eip));
1844         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 1);
1845         return;
1846 }
1847
1848 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask)
1849 {
1850         u8 isr;
1851         u32 val = 0;
1852
1853         switch (off) {
1854         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1855         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature):
1856         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1857         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1858                 goto read_through32;
1859         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.msix_config):
1860                 errx(1, "%s: read of msix_config", d->name);
1861         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.num_queues):
1862                 goto read_through16;
1863         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1864         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.config_generation):
1865                 goto read_through8;
1866         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1867                 goto read_through16;
1868         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1869                 if (mask != 0xFF)
1870                         errx(1, "%s: non-8-bit read from offset %u (%#x)",
1871                              d->name, off, getreg(eip));
1872                 /* Read resets the isr */
1873                 isr = d->mmio->isr;
1874                 d->mmio->isr = 0;
1875                 return isr;
1876         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, padding):
1877                 errx(1, "%s: read from padding (%#x)",
1878                      d->name, getreg(eip));
1879         default:
1880                 /* Read from device config space, beware unaligned overflow */
1881                 if (off > d->mmio_size - 4)
1882                         errx(1, "%s: read past end (%#x)",
1883                              d->name, getreg(eip));
1884                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1885                         goto read_through32;
1886                 else if (mask == 0xFFFF)
1887                         goto read_through16;
1888                 else
1889                         goto read_through8;
1890         }
1891
1892 read_through32:
1893         if (mask != 0xFFFFFFFF)
1894                 errx(1, "%s: non-32-bit read to offset %u (%#x)",
1895                      d->name, off, getreg(eip));
1896         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 4);
1897         return val;
1898
1899 read_through16:
1900         if (mask != 0xFFFF)
1901                 errx(1, "%s: non-16-bit read to offset %u (%#x)",
1902                      d->name, off, getreg(eip));
1903         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 2);
1904         return val;
1905
1906 read_through8:
1907         if (mask != 0xFF)
1908                 errx(1, "%s: non-8-bit read to offset %u (%#x)",
1909                      d->name, off, getreg(eip));
1910         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 1);
1911         return val;
1912 }
1913
1914 static void emulate_mmio(unsigned long paddr, const u8 *insn)
1915 {
1916         u32 val, off, mask = 0xFFFFFFFF, insnlen = 0;
1917         struct device *d = find_mmio_region(paddr, &off);
1918         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 14 };
1919
1920         if (!d) {
1921                 warnx("MMIO touching %#08lx (not a device)", paddr);
1922                 goto reinject;
1923         }
1924
1925         /* Prefix makes it a 16 bit op */
1926         if (insn[0] == 0x66) {
1927                 mask = 0xFFFF;
1928                 insnlen++;
1929         }
1930
1931         /* iowrite */
1932         if (insn[insnlen] == 0x89) {
1933                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1934                 val = getreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, mask);
1935                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
1936                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
1937         } else if (insn[insnlen] == 0x8b) { /* ioread */
1938                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1939                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
1940                 setreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, val, mask);
1941                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
1942         } else if (insn[0] == 0x88) { /* 8-bit iowrite */
1943                 mask = 0xff;
1944                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1945                 val = getreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, mask);
1946                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
1947                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
1948         } else if (insn[0] == 0x8a) { /* 8-bit ioread */
1949                 mask = 0xff;
1950                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
1951                 setreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, val, mask);
1952                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
1953         } else {
1954                 warnx("Unknown MMIO instruction touching %#08lx:"
1955                      " %02x %02x %02x %02x at %u",
1956                      paddr, insn[0], insn[1], insn[2], insn[3], getreg(eip));
1957         reinject:
1958                 /* Inject trap into Guest. */
1959                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1960                         err(1, "Reinjecting trap 14 for fault at %#x",
1961                             getreg(eip));
1962                 return;
1963         }
1964
1965         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1966         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1967 }
1968
1969 /*L:190
1970  * Device Setup
1971  *
1972  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
1973  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
1974  * routines to allocate and manage them.
1975  */
1976
1977 /*
1978  * The layout of the device page is a "struct lguest_device_desc" followed by a
1979  * number of virtqueue descriptors, then two sets of feature bits, then an
1980  * array of configuration bytes.  This routine returns the configuration
1981  * pointer.
1982  */
1983 static u8 *device_config(const struct device *dev)
1984 {
1985         return (void *)(dev->desc + 1)
1986                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig)
1987                 + dev->feature_len * 2;
1988 }
1989
1990 /*
1991  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
1992  * table page just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to
1993  * that descriptor.
1994  */
1995 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
1996 {
1997         struct lguest_device_desc d = { .type = type };
1998         void *p;
1999
2000         /* Figure out where the next device config is, based on the last one. */
2001         if (devices.lastdev)
2002                 p = device_config(devices.lastdev)
2003                         + devices.lastdev->desc->config_len;
2004         else
2005                 p = devices.descpage;
2006
2007         /* We only have one page for all the descriptors. */
2008         if (p + sizeof(d) > (void *)devices.descpage + getpagesize())
2009                 errx(1, "Too many devices");
2010
2011         /* p might not be aligned, so we memcpy in. */
2012         return memcpy(p, &d, sizeof(d));
2013 }
2014
2015 /*
2016  * Each device descriptor is followed by the description of its virtqueues.  We
2017  * specify how many descriptors the virtqueue is to have.
2018  */
2019 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
2020                           void (*service)(struct virtqueue *))
2021 {
2022         unsigned int pages;
2023         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2024         void *p;
2025
2026         /* First we need some memory for this virtqueue. */
2027         pages = (vring_size(num_descs, LGUEST_VRING_ALIGN) + getpagesize() - 1)
2028                 / getpagesize();
2029         p = get_pages(pages);
2030
2031         /* Initialize the virtqueue */
2032         vq->next = NULL;
2033         vq->last_avail_idx = 0;
2034         vq->dev = dev;
2035
2036         /*
2037          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2038          * once it's running.
2039          */
2040         vq->service = service;
2041         vq->thread = (pid_t)-1;
2042
2043         /* Initialize the configuration. */
2044         vq->config.num = num_descs;
2045         vq->config.irq = devices.next_irq++;
2046         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
2047
2048         /* Initialize the vring. */
2049         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, LGUEST_VRING_ALIGN);
2050
2051         /*
2052          * Append virtqueue to this device's descriptor.  We use
2053          * device_config() to get the end of the device's current virtqueues;
2054          * we check that we haven't added any config or feature information
2055          * yet, otherwise we'd be overwriting them.
2056          */
2057         assert(dev->desc->config_len == 0 && dev->desc->feature_len == 0);
2058         memcpy(device_config(dev), &vq->config, sizeof(vq->config));
2059         dev->num_vq++;
2060         dev->desc->num_vq++;
2061
2062         verbose("Virtqueue page %#lx\n", to_guest_phys(p));
2063
2064         /*
2065          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2066          * second.
2067          */
2068         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2069         *i = vq;
2070 }
2071
2072 static void add_pci_virtqueue(struct device *dev,
2073                               void (*service)(struct virtqueue *))
2074 {
2075         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2076
2077         /* Initialize the virtqueue */
2078         vq->next = NULL;
2079         vq->last_avail_idx = 0;
2080         vq->dev = dev;
2081
2082         /*
2083          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2084          * once it's running.
2085          */
2086         vq->service = service;
2087         vq->thread = (pid_t)-1;
2088
2089         /* Initialize the configuration. */
2090         vq->pci_config.queue_size = VIRTQUEUE_NUM;
2091         vq->pci_config.queue_enable = 0;
2092         vq->pci_config.queue_notify_off = 0;
2093
2094         /* Add one to the number of queues */
2095         vq->dev->mmio->cfg.num_queues++;
2096
2097         /* FIXME: Do irq per virtqueue, not per device. */
2098         vq->config.irq = vq->dev->config.irq_line;
2099
2100         /*
2101          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2102          * second.
2103          */
2104         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2105         *i = vq;
2106 }
2107
2108 /*
2109  * The first half of the feature bitmask is for us to advertise features.  The
2110  * second half is for the Guest to accept features.
2111  */
2112 static void add_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2113 {
2114         u8 *features = get_feature_bits(dev);
2115
2116         /* We can't extend the feature bits once we've added config bytes */
2117         if (dev->desc->feature_len <= bit / CHAR_BIT) {
2118                 assert(dev->desc->config_len == 0);
2119                 dev->feature_len = dev->desc->feature_len = (bit/CHAR_BIT) + 1;
2120         }
2121
2122         features[bit / CHAR_BIT] |= (1 << (bit % CHAR_BIT));
2123 }
2124
2125 static void add_pci_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2126 {
2127         dev->features |= (1ULL << bit);
2128 }
2129
2130 /*
2131  * This routine sets the configuration fields for an existing device's
2132  * descriptor.  It only works for the last device, but that's OK because that's
2133  * how we use it.
2134  */
2135 static void set_config(struct device *dev, unsigned len, const void *conf)
2136 {
2137         /* Check we haven't overflowed our single page. */
2138         if (device_config(dev) + len > devices.descpage + getpagesize())
2139                 errx(1, "Too many devices");
2140
2141         /* Copy in the config information, and store the length. */
2142         memcpy(device_config(dev), conf, len);
2143         dev->desc->config_len = len;
2144
2145         /* Size must fit in config_len field (8 bits)! */
2146         assert(dev->desc->config_len == len);
2147 }
2148
2149 /* For devices with no config. */
2150 static void no_device_config(struct device *dev)
2151 {
2152         dev->mmio_addr = get_mmio_region(dev->mmio_size);
2153
2154         dev->config.bar[0] = dev->mmio_addr;
2155         /* Bottom 4 bits must be zero */
2156         assert(~(dev->config.bar[0] & 0xF));
2157 }
2158
2159 /* This puts the device config into BAR0 */
2160 static void set_device_config(struct device *dev, const void *conf, size_t len)
2161 {
2162         /* Set up BAR 0 */
2163         dev->mmio_size += len;
2164         dev->mmio = realloc(dev->mmio, dev->mmio_size);
2165         memcpy(dev->mmio + 1, conf, len);
2166
2167         /* Hook up device cfg */
2168         dev->config.cfg_access.cap.cap_next
2169                 = offsetof(struct pci_config, device);
2170
2171         /* Fix up device cfg field length. */
2172         dev->config.device.length = len;
2173
2174         /* The rest is the same as the no-config case */
2175         no_device_config(dev);
2176 }
2177
2178 static void init_cap(struct virtio_pci_cap *cap, size_t caplen, int type,
2179                      size_t bar_offset, size_t bar_bytes, u8 next)
2180 {
2181         cap->cap_vndr = PCI_CAP_ID_VNDR;
2182         cap->cap_next = next;
2183         cap->cap_len = caplen;
2184         cap->cfg_type = type;
2185         cap->bar = 0;
2186         memset(cap->padding, 0, sizeof(cap->padding));
2187         cap->offset = bar_offset;
2188         cap->length = bar_bytes;
2189 }
2190
2191 /*
2192  * This sets up the pci_config structure, as defined in the virtio 1.0
2193  * standard (and PCI standard).
2194  */
2195 static void init_pci_config(struct pci_config *pci, u16 type,
2196                             u8 class, u8 subclass)
2197 {
2198         size_t bar_offset, bar_len;
2199
2200         /* Save typing: most thing are happy being zero. */
2201         memset(pci, 0, sizeof(*pci));
2202
2203         /* 4.1.2.1: Devices MUST have the PCI Vendor ID 0x1AF4 */
2204         pci->vendor_id = 0x1AF4;
2205         /* 4.1.2.1: ... PCI Device ID calculated by adding 0x1040 ... */
2206         pci->device_id = 0x1040 + type;
2207
2208         /*
2209          * PCI have specific codes for different types of devices.
2210          * Linux doesn't care, but it's a good clue for people looking
2211          * at the device.
2212          *
2213          * eg :
2214          *  VIRTIO_ID_CONSOLE: class = 0x07, subclass = 0x00
2215          *  VIRTIO_ID_NET: class = 0x02, subclass = 0x00
2216          *  VIRTIO_ID_BLOCK: class = 0x01, subclass = 0x80
2217          *  VIRTIO_ID_RNG: class = 0xff, subclass = 0
2218          */
2219         pci->class = class;
2220         pci->subclass = subclass;
2221
2222         /*
2223          * 4.1.2.1 Non-transitional devices SHOULD have a PCI Revision
2224          * ID of 1 or higher
2225          */
2226         pci->revid = 1;
2227
2228         /*
2229          * 4.1.2.1 Non-transitional devices SHOULD have a PCI
2230          * Subsystem Device ID of 0x40 or higher.
2231          */
2232         pci->subsystem_device_id = 0x40;
2233
2234         /* We use our dummy interrupt controller, and irq_line is the irq */
2235         pci->irq_line = devices.next_irq++;
2236         pci->irq_pin = 0;
2237
2238         /* Support for extended capabilities. */
2239         pci->status = (1 << 4);
2240
2241         /* Link them in. */
2242         pci->capabilities = offsetof(struct pci_config, common);
2243
2244         bar_offset = offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg);
2245         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->cfg);
2246         init_cap(&pci->common, sizeof(pci->common), VIRTIO_PCI_CAP_COMMON_CFG,
2247                  bar_offset, bar_len,
2248                  offsetof(struct pci_config, notify));
2249
2250         bar_offset += bar_len;
2251         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->notify);
2252         /* FIXME: Use a non-zero notify_off, for per-queue notification? */
2253         init_cap(&pci->notify.cap, sizeof(pci->notify),
2254                  VIRTIO_PCI_CAP_NOTIFY_CFG,
2255                  bar_offset, bar_len,
2256                  offsetof(struct pci_config, isr));
2257
2258         bar_offset += bar_len;
2259         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->isr);
2260         init_cap(&pci->isr, sizeof(pci->isr),
2261                  VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG,
2262                  bar_offset, bar_len,
2263                  offsetof(struct pci_config, cfg_access));
2264
2265         /* This doesn't have any presence in the BAR */
2266         init_cap(&pci->cfg_access.cap, sizeof(pci->cfg_access),
2267                  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG,
2268                  0, 0, 0);
2269
2270         bar_offset += bar_len + sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->padding);
2271         assert(bar_offset == sizeof(struct virtio_pci_mmio));
2272
2273         /*
2274          * This gets sewn in and length set in set_device_config().
2275          * Some devices don't have a device configuration interface, so
2276          * we never expose this if we don't call set_device_config().
2277          */
2278         init_cap(&pci->device, sizeof(pci->device), VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG,
2279                  bar_offset, 0, 0);
2280 }
2281
2282 /*
2283  * This routine does all the creation and setup of a new device, including
2284  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory.  We
2285  * don't actually start the service threads until later.
2286  *
2287  * See what I mean about userspace being boring?
2288  */
2289 static struct device *new_device(const char *name, u16 type)
2290 {
2291         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2292
2293         /* Now we populate the fields one at a time. */
2294         dev->desc = new_dev_desc(type);
2295         dev->name = name;
2296         dev->vq = NULL;
2297         dev->feature_len = 0;
2298         dev->num_vq = 0;
2299         dev->running = false;
2300         dev->next = NULL;
2301
2302         /*
2303          * Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
2304          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
2305          * in command-line order.  The first network device on the command line
2306          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc.
2307          */
2308         if (devices.lastdev)
2309                 devices.lastdev->next = dev;
2310         else
2311                 devices.dev = dev;
2312         devices.lastdev = dev;
2313
2314         return dev;
2315 }
2316
2317 static struct device *new_pci_device(const char *name, u16 type,
2318                                      u8 class, u8 subclass)
2319 {
2320         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2321
2322         /* Now we populate the fields one at a time. */
2323         dev->desc = NULL;
2324         dev->name = name;
2325         dev->vq = NULL;
2326         dev->feature_len = 0;
2327         dev->num_vq = 0;
2328         dev->running = false;
2329         dev->next = NULL;
2330         dev->mmio_size = sizeof(struct virtio_pci_mmio);
2331         dev->mmio = calloc(1, dev->mmio_size);
2332         dev->features = (u64)1 << VIRTIO_F_VERSION_1;
2333         dev->features_accepted = 0;
2334
2335         if (devices.device_num + 1 >= 32)
2336                 errx(1, "Can only handle 31 PCI devices");
2337
2338         init_pci_config(&dev->config, type, class, subclass);
2339         assert(!devices.pci[devices.device_num+1]);
2340         devices.pci[++devices.device_num] = dev;
2341
2342         return dev;
2343 }
2344
2345 /*
2346  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
2347  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
2348  */
2349 static void setup_console(void)
2350 {
2351         struct device *dev;
2352
2353         /* If we can save the initial standard input settings... */
2354         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
2355                 struct termios term = orig_term;
2356                 /*
2357                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
2358                  * raw input stream to the Guest.
2359                  */
2360                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
2361                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
2362         }
2363
2364         dev = new_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE);
2365
2366         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
2367         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
2368         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
2369
2370         /*
2371          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
2372          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
2373          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
2374          * stdout.
2375          */
2376         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_input);
2377         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, console_output);
2378
2379         verbose("device %u: console\n", ++devices.device_num);
2380 }
2381 /*:*/
2382
2383 /*M:010
2384  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
2385  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
2386  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
2387  *
2388  * More sophisticated is to use one of the tools developed for project like UML
2389  * to do networking.
2390  *
2391  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
2392  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
2393  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
2394  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
2395  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
2396  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
2397  *
2398  * Finally, we could use a virtio network switch in the kernel, ie. vhost.
2399 :*/
2400
2401 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
2402 {
2403         unsigned int b[4];
2404
2405         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
2406                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
2407         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
2408 }
2409
2410 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
2411 {
2412         unsigned int m[6];
2413         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
2414                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
2415                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
2416         mac[0] = m[0];
2417         mac[1] = m[1];
2418         mac[2] = m[2];
2419         mac[3] = m[3];
2420         mac[4] = m[4];
2421         mac[5] = m[5];
2422 }
2423
2424 /*
2425  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
2426  * network device to the bridge device specified by the command line.
2427  *
2428  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
2429  * dislike bridging), and I just try not to break it.
2430  */
2431 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
2432 {
2433         int ifidx;
2434         struct ifreq ifr;
2435
2436         if (!*br_name)
2437                 errx(1, "must specify bridge name");
2438
2439         ifidx = if_nametoindex(if_name);
2440         if (!ifidx)
2441                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
2442
2443         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
2444         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
2445         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
2446         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
2447                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
2448 }
2449
2450 /*
2451  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
2452  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
2453  * pointer.
2454  */
2455 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
2456 {
2457         struct ifreq ifr;
2458         struct sockaddr_in sin;
2459
2460         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2461         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
2462
2463         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
2464         sin.sin_family = AF_INET;
2465         sin.sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
2466         memcpy(&ifr.ifr_addr, &sin, sizeof(sin));
2467         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
2468                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
2469         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
2470         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
2471                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
2472 }
2473
2474 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
2475 {
2476         struct ifreq ifr;
2477         int netfd;
2478
2479         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
2480         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2481
2482         /*
2483          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
2484          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
2485          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
2486          * works now!
2487          */
2488         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
2489         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
2490         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
2491         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
2492                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
2493
2494         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
2495                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
2496                 err(1, "Could not set features for tun device");
2497
2498         /*
2499          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
2500          * device: trust us!
2501          */
2502         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
2503
2504         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
2505         return netfd;
2506 }
2507
2508 /*L:195
2509  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
2510  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
2511  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
2512  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
2513  */
2514 static void setup_tun_net(char *arg)
2515 {
2516         struct device *dev;
2517         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
2518         int ipfd;
2519         u32 ip = INADDR_ANY;
2520         bool bridging = false;
2521         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
2522         struct virtio_net_config conf;
2523
2524         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
2525
2526         /* First we create a new network device. */
2527         dev = new_device("net", VIRTIO_ID_NET);
2528         dev->priv = net_info;
2529
2530         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
2531         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_input);
2532         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, net_output);
2533
2534         /*
2535          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
2536          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
2537          */
2538         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
2539         if (ipfd < 0)
2540                 err(1, "opening IP socket");
2541
2542         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
2543         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
2544                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
2545                 bridging = true;
2546         }
2547
2548         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
2549         p = strchr(arg, ':');
2550         if (p) {
2551                 str2mac(p+1, conf.mac);
2552                 add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
2553                 *p = '\0';
2554         }
2555
2556         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
2557         if (bridging)
2558                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
2559         else
2560                 ip = str2ip(arg);
2561
2562         /* Set up the tun device. */
2563         configure_device(ipfd, tapif, ip);
2564
2565         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
2566         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
2567         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
2568         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
2569         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
2570         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
2571         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
2572         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
2573         add_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
2574         /* We handle indirect ring entries */
2575         add_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
2576         /* We're compliant with the damn spec. */
2577         add_feature(dev, VIRTIO_F_ANY_LAYOUT);
2578         set_config(dev, sizeof(conf), &conf);
2579
2580         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
2581         close(ipfd);
2582
2583         devices.device_num++;
2584
2585         if (bridging)
2586                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
2587                         devices.device_num, tapif, arg);
2588         else
2589                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
2590                         devices.device_num, tapif, arg);
2591 }
2592 /*:*/
2593
2594 /* This hangs off device->priv. */
2595 struct vblk_info {
2596         /* The size of the file. */
2597         off64_t len;
2598
2599         /* The file descriptor for the file. */
2600         int fd;
2601
2602 };
2603
2604 /*L:210
2605  * The Disk
2606  *
2607  * The disk only has one virtqueue, so it only has one thread.  It is really
2608  * simple: the Guest asks for a block number and we read or write that position
2609  * in the file.
2610  *
2611  * Before we serviced each virtqueue in a separate thread, that was unacceptably
2612  * slow: the Guest waits until the read is finished before running anything
2613  * else, even if it could have been doing useful work.
2614  *
2615  * We could have used async I/O, except it's reputed to suck so hard that
2616  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
2617  */
2618 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
2619 {
2620         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
2621         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
2622         int ret, i;
2623         u8 *in;
2624         struct virtio_blk_outhdr out;
2625         struct iovec iov[vq->vring.num];
2626         off64_t off;
2627
2628         /*
2629          * Get the next request, where we normally wait.  It triggers the
2630          * interrupt to acknowledge previously serviced requests (if any).
2631          */
2632         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2633
2634         /* Copy the output header from the front of the iov (adjusts iov) */
2635         iov_consume(iov, out_num, &out, sizeof(out));
2636
2637         /* Find and trim end of iov input array, for our status byte. */
2638         in = NULL;
2639         for (i = out_num + in_num - 1; i >= out_num; i--) {
2640                 if (iov[i].iov_len > 0) {
2641                         in = iov[i].iov_base + iov[i].iov_len - 1;
2642                         iov[i].iov_len--;
2643                         break;
2644                 }
2645         }
2646         if (!in)
2647                 errx(1, "Bad virtblk cmd with no room for status");
2648
2649         /*
2650          * For historical reasons, block operations are expressed in 512 byte
2651          * "sectors".
2652          */
2653         off = out.sector * 512;
2654
2655         /*
2656          * In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
2657          * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't.
2658          */
2659         if (out.type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
2660                 fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
2661                 *in = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
2662                 wlen = sizeof(*in);
2663         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
2664                 /*
2665                  * Write
2666                  *
2667                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2668                  * if they try to write past end.
2669                  */
2670                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2671                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2672
2673                 ret = writev(vblk->fd, iov, out_num);
2674                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out.sector, ret);
2675
2676                 /*
2677                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
2678                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
2679                  * file (possibly extending it).
2680                  */
2681                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
2682                         /* Trim it back to the correct length */
2683                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
2684                         /* Die, bad Guest, die. */
2685                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
2686                 }
2687
2688                 wlen = sizeof(*in);
2689                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2690         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_FLUSH) {
2691                 /* Flush */
2692                 ret = fdatasync(vblk->fd);
2693                 verbose("FLUSH fdatasync: %i\n", ret);
2694                 wlen = sizeof(*in);
2695                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2696         } else {
2697                 /*
2698                  * Read
2699                  *
2700                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2701                  * if they try to read past end.
2702                  */
2703                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2704                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2705
2706                 ret = readv(vblk->fd, iov + out_num, in_num);
2707                 if (ret >= 0) {
2708                         wlen = sizeof(*in) + ret;
2709                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
2710                 } else {
2711                         wlen = sizeof(*in);
2712                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
2713                 }
2714         }
2715
2716         /* Finished that request. */
2717         add_used(vq, head, wlen);
2718 }
2719
2720 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
2721 static void setup_block_file(const char *filename)
2722 {
2723         struct device *dev;
2724         struct vblk_info *vblk;
2725         struct virtio_blk_config conf;
2726
2727         /* Creat the device. */
2728         dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK);
2729
2730         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
2731         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, blk_request);
2732
2733         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
2734         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
2735
2736         /* First we open the file and store the length. */
2737         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
2738         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
2739
2740         /* We support FLUSH. */
2741         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_FLUSH);
2742
2743         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
2744         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
2745
2746         /*
2747          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
2748          * for the in and out elements.
2749          */
2750         add_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
2751         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
2752
2753         /* Don't try to put whole struct: we have 8 bit limit. */
2754         set_config(dev, offsetof(struct virtio_blk_config, geometry), &conf);
2755
2756         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
2757                 ++devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
2758 }
2759
2760 /*L:211
2761  * Our random number generator device reads from /dev/urandom into the Guest's
2762  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
2763  * and so has no buffers although /dev/urandom is still readable, whereas
2764  * console is the reverse.
2765  *
2766  * The same logic applies, however.
2767  */
2768 struct rng_info {
2769         int rfd;
2770 };
2771
2772 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
2773 {
2774         int len;
2775         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
2776         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
2777         struct iovec iov[vq->vring.num];
2778
2779         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
2780         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2781         if (out_num)
2782                 errx(1, "Output buffers in rng?");
2783
2784         /*
2785          * Just like the console write, we loop to cover the whole iovec.
2786          * In this case, short reads actually happen quite a bit.
2787          */
2788         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
2789                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
2790                 if (len <= 0)
2791                         err(1, "Read from /dev/urandom gave %i", len);
2792                 iov_consume(iov, in_num, NULL, len);
2793                 totlen += len;
2794         }
2795
2796         /* Tell the Guest about the new input. */
2797         add_used(vq, head, totlen);
2798 }
2799
2800 /*L:199
2801  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
2802  */
2803 static void setup_rng(void)
2804 {
2805         struct device *dev;
2806         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
2807
2808         /* Our device's private info simply contains the /dev/urandom fd. */
2809         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/urandom", O_RDONLY);
2810
2811         /* Create the new device. */
2812         dev = new_device("rng", VIRTIO_ID_RNG);
2813         dev->priv = rng_info;
2814
2815         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
2816         add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, rng_input);
2817
2818         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num++);
2819 }
2820 /* That's the end of device setup. */
2821
2822 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
2823 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
2824 {
2825         unsigned int i;
2826
2827         /*
2828          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
2829          * stderr.
2830          */
2831         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
2832                 close(i);
2833
2834         /* Reset all the devices (kills all threads). */
2835         cleanup_devices();
2836
2837         execv(main_args[0], main_args);
2838         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
2839 }
2840
2841 /*L:220
2842  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
2843  * its input and output, and finally, lays it to rest.
2844  */
2845 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
2846 {
2847         for (;;) {
2848                 struct lguest_pending notify;
2849                 int readval;
2850
2851                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
2852                 readval = pread(lguest_fd, &notify, sizeof(notify), cpu_id);
2853
2854                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
2855                 if (readval == sizeof(notify)) {
2856                         if (notify.trap == 0x1F) {
2857                                 verbose("Notify on address %#08x\n",
2858                                         notify.addr);
2859                                 handle_output(notify.addr);
2860                         } else if (notify.trap == 13) {
2861                                 verbose("Emulating instruction at %#x\n",
2862                                         getreg(eip));
2863                                 emulate_insn(notify.insn);
2864                         } else if (notify.trap == 14) {
2865                                 verbose("Emulating MMIO at %#x\n",
2866                                         getreg(eip));
2867                                 emulate_mmio(notify.addr, notify.insn);
2868                         } else
2869                                 errx(1, "Unknown trap %i addr %#08x\n",
2870                                      notify.trap, notify.addr);
2871                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
2872                 } else if (errno == ENOENT) {
2873                         char reason[1024] = { 0 };
2874                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
2875                         errx(1, "%s", reason);
2876                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
2877                 } else if (errno == ERESTART) {
2878                         restart_guest();
2879                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
2880                 } else
2881                         err(1, "Running guest failed");
2882         }
2883 }
2884 /*L:240
2885  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
2886  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
2887  * of us.
2888  *
2889  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
2890  * "make Host".
2891 :*/
2892
2893 static struct option opts[] = {
2894         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
2895         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
2896         { "block", 1, NULL, 'b' },
2897         { "rng", 0, NULL, 'r' },
2898         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
2899         { "username", 1, NULL, 'u' },
2900         { "chroot", 1, NULL, 'c' },
2901         { NULL },
2902 };
2903 static void usage(void)
2904 {
2905         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
2906              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
2907              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
2908              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
2909 }
2910
2911 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
2912 int main(int argc, char *argv[])
2913 {
2914         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
2915         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
2916         /* Two temporaries. */
2917         int i, c;
2918         /* The boot information for the Guest. */
2919         struct boot_params *boot;
2920         /* If they specify an initrd file to load. */
2921         const char *initrd_name = NULL;
2922
2923         /* Password structure for initgroups/setres[gu]id */
2924         struct passwd *user_details = NULL;
2925
2926         /* Directory to chroot to */
2927         char *chroot_path = NULL;
2928
2929         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
2930         main_args = argv;
2931
2932         /*
2933          * First we initialize the device list.  We keep a pointer to the last
2934          * device, and the next interrupt number to use for devices (1:
2935          * remember that 0 is used by the timer).
2936          */
2937         devices.lastdev = NULL;
2938         devices.next_irq = 1;
2939
2940         /* We're CPU 0.  In fact, that's the only CPU possible right now. */
2941         cpu_id = 0;
2942
2943         /*
2944          * We need to know how much memory so we can set up the device
2945          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
2946          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
2947          * of memory now.
2948          */
2949         for (i = 1; i < argc; i++) {
2950                 if (argv[i][0] != '-') {
2951                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
2952                         /*
2953                          * We start by mapping anonymous pages over all of
2954                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
2955                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
2956                          * tries to access it.
2957                          */
2958                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
2959                                                       + DEVICE_PAGES);
2960                         guest_limit = mem;
2961                         guest_max = guest_mmio = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
2962                         devices.descpage = get_pages(1);
2963                         break;
2964                 }
2965         }
2966
2967         /* The options are fairly straight-forward */
2968         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
2969                 switch (c) {
2970                 case 'v':
2971                         verbose = true;
2972                         break;
2973                 case 't':
2974                         setup_tun_net(optarg);
2975                         break;
2976                 case 'b':
2977                         setup_block_file(optarg);
2978                         break;
2979                 case 'r':
2980                         setup_rng();
2981                         break;
2982                 case 'i':
2983                         initrd_name = optarg;
2984                         break;
2985                 case 'u':
2986                         user_details = getpwnam(optarg);
2987                         if (!user_details)
2988                                 err(1, "getpwnam failed, incorrect username?");
2989                         break;
2990                 case 'c':
2991                         chroot_path = optarg;
2992                         break;
2993                 default:
2994                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
2995                         usage();
2996                 }
2997         }
2998         /*
2999          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
3000          * followed by command line arguments for the kernel.
3001          */
3002         if (optind + 2 > argc)
3003                 usage();
3004
3005         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
3006
3007         /* We always have a console device */
3008         setup_console();
3009
3010         /* Now we load the kernel */
3011         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
3012
3013         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
3014         boot = from_guest_phys(0);
3015
3016         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
3017         if (initrd_name) {
3018                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
3019                 /*
3020                  * These are the location in the Linux boot header where the
3021                  * start and size of the initrd are expected to be found.
3022                  */
3023                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
3024                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
3025                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
3026                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
3027         }
3028
3029         /*
3030          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
3031          * simple, single region.
3032          */
3033         boot->e820_entries = 1;
3034         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
3035         /*
3036          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
3037          * line after the boot header.
3038          */
3039         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
3040         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
3041         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
3042
3043         /* Set kernel alignment to 16M (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN) */
3044         boot->hdr.kernel_alignment = 0x1000000;
3045
3046         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
3047         boot->hdr.version = 0x207;
3048
3049         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
3050         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
3051
3052         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
3053         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
3054
3055         /* We tell the kernel to initialize the Guest. */
3056         tell_kernel(start);
3057
3058         /* Ensure that we terminate if a device-servicing child dies. */
3059         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
3060
3061         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
3062         atexit(cleanup_devices);
3063
3064         /* If requested, chroot to a directory */
3065         if (chroot_path) {
3066                 if (chroot(chroot_path) != 0)
3067                         err(1, "chroot(\"%s\") failed", chroot_path);
3068
3069                 if (chdir("/") != 0)
3070                         err(1, "chdir(\"/\") failed");
3071
3072                 verbose("chroot done\n");
3073         }
3074
3075         /* If requested, drop privileges */
3076         if (user_details) {
3077                 uid_t u;
3078                 gid_t g;
3079
3080                 u = user_details->pw_uid;
3081                 g = user_details->pw_gid;
3082
3083                 if (initgroups(user_details->pw_name, g) != 0)
3084                         err(1, "initgroups failed");
3085
3086                 if (setresgid(g, g, g) != 0)
3087                         err(1, "setresgid failed");
3088
3089                 if (setresuid(u, u, u) != 0)
3090                         err(1, "setresuid failed");
3091
3092                 verbose("Dropping privileges completed\n");
3093         }
3094
3095         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
3096         run_guest();
3097 }
3098 /*:*/
3099
3100 /*M:999
3101  * Mastery is done: you now know everything I do.
3102  *
3103  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
3104  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
3105  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
3106  *
3107  * Farewell, and good coding!
3108  * Rusty Russell.
3109  */