tools/lguest: don't start devices until DRIVER_OK status set.
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / tools / lguest / lguest.c
1 /*P:100
2  * This is the Launcher code, a simple program which lays out the "physical"
3  * memory for the new Guest by mapping the kernel image and the virtual
4  * devices, then opens /dev/lguest to tell the kernel about the Guest and
5  * control it.
6 :*/
7 #define _LARGEFILE64_SOURCE
8 #define _GNU_SOURCE
9 #include <stdio.h>
10 #include <string.h>
11 #include <unistd.h>
12 #include <err.h>
13 #include <stdint.h>
14 #include <stdlib.h>
15 #include <elf.h>
16 #include <sys/mman.h>
17 #include <sys/param.h>
18 #include <sys/types.h>
19 #include <sys/stat.h>
20 #include <sys/wait.h>
21 #include <sys/eventfd.h>
22 #include <fcntl.h>
23 #include <stdbool.h>
24 #include <errno.h>
25 #include <ctype.h>
26 #include <sys/socket.h>
27 #include <sys/ioctl.h>
28 #include <sys/time.h>
29 #include <time.h>
30 #include <netinet/in.h>
31 #include <net/if.h>
32 #include <linux/sockios.h>
33 #include <linux/if_tun.h>
34 #include <sys/uio.h>
35 #include <termios.h>
36 #include <getopt.h>
37 #include <assert.h>
38 #include <sched.h>
39 #include <limits.h>
40 #include <stddef.h>
41 #include <signal.h>
42 #include <pwd.h>
43 #include <grp.h>
44 #include <sys/user.h>
45 #include <linux/pci_regs.h>
46
47 #ifndef VIRTIO_F_ANY_LAYOUT
48 #define VIRTIO_F_ANY_LAYOUT             27
49 #endif
50
51 /*L:110
52  * We can ignore the 43 include files we need for this program, but I do want
53  * to draw attention to the use of kernel-style types.
54  *
55  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
56  * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
57  * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
58  * use %llu in printf for any u64.
59  */
60 typedef unsigned long long u64;
61 typedef uint32_t u32;
62 typedef uint16_t u16;
63 typedef uint8_t u8;
64 /*:*/
65
66 #define VIRTIO_CONFIG_NO_LEGACY
67 #define VIRTIO_PCI_NO_LEGACY
68 #define VIRTIO_BLK_NO_LEGACY
69
70 /* Use in-kernel ones, which defines VIRTIO_F_VERSION_1 */
71 #include "../../include/uapi/linux/virtio_config.h"
72 #include "../../include/uapi/linux/virtio_net.h"
73 #include "../../include/uapi/linux/virtio_blk.h"
74 #include "../../include/uapi/linux/virtio_console.h"
75 #include "../../include/uapi/linux/virtio_rng.h"
76 #include <linux/virtio_ring.h>
77 #include "../../include/uapi/linux/virtio_pci.h"
78 #include <asm/bootparam.h>
79 #include "../../include/linux/lguest_launcher.h"
80
81 #define BRIDGE_PFX "bridge:"
82 #ifndef SIOCBRADDIF
83 #define SIOCBRADDIF     0x89a2          /* add interface to bridge      */
84 #endif
85 /* We can have up to 256 pages for devices. */
86 #define DEVICE_PAGES 256
87 /* This will occupy 3 pages: it must be a power of 2. */
88 #define VIRTQUEUE_NUM 256
89
90 /*L:120
91  * verbose is both a global flag and a macro.  The C preprocessor allows
92  * this, and although I wouldn't recommend it, it works quite nicely here.
93  */
94 static bool verbose;
95 #define verbose(args...) \
96         do { if (verbose) printf(args); } while(0)
97 /*:*/
98
99 /* The pointer to the start of guest memory. */
100 static void *guest_base;
101 /* The maximum guest physical address allowed, and maximum possible. */
102 static unsigned long guest_limit, guest_max, guest_mmio;
103 /* The /dev/lguest file descriptor. */
104 static int lguest_fd;
105
106 /* a per-cpu variable indicating whose vcpu is currently running */
107 static unsigned int __thread cpu_id;
108
109 /* 5 bit device number in the PCI_CONFIG_ADDR => 32 only */
110 #define MAX_PCI_DEVICES 32
111
112 /* This is our list of devices. */
113 struct device_list {
114         /* Counter to assign interrupt numbers. */
115         unsigned int next_irq;
116
117         /* Counter to print out convenient device numbers. */
118         unsigned int device_num;
119
120         /* PCI devices. */
121         struct device *pci[MAX_PCI_DEVICES];
122 };
123
124 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
125 static struct device_list devices;
126
127 struct virtio_pci_cfg_cap {
128         struct virtio_pci_cap cap;
129         u32 pci_cfg_data; /* Data for BAR access. */
130 };
131
132 struct virtio_pci_mmio {
133         struct virtio_pci_common_cfg cfg;
134         u16 notify;
135         u8 isr;
136         u8 padding;
137         /* Device-specific configuration follows this. */
138 };
139
140 /* This is the layout (little-endian) of the PCI config space. */
141 struct pci_config {
142         u16 vendor_id, device_id;
143         u16 command, status;
144         u8 revid, prog_if, subclass, class;
145         u8 cacheline_size, lat_timer, header_type, bist;
146         u32 bar[6];
147         u32 cardbus_cis_ptr;
148         u16 subsystem_vendor_id, subsystem_device_id;
149         u32 expansion_rom_addr;
150         u8 capabilities, reserved1[3];
151         u32 reserved2;
152         u8 irq_line, irq_pin, min_grant, max_latency;
153
154         /* Now, this is the linked capability list. */
155         struct virtio_pci_cap common;
156         struct virtio_pci_notify_cap notify;
157         struct virtio_pci_cap isr;
158         struct virtio_pci_cap device;
159         struct virtio_pci_cfg_cap cfg_access;
160 };
161
162 /* The device structure describes a single device. */
163 struct device {
164         /* The name of this device, for --verbose. */
165         const char *name;
166
167         /* Any queues attached to this device */
168         struct virtqueue *vq;
169
170         /* Is it operational */
171         bool running;
172
173         /* PCI configuration */
174         union {
175                 struct pci_config config;
176                 u32 config_words[sizeof(struct pci_config) / sizeof(u32)];
177         };
178
179         /* Features we offer, and those accepted. */
180         u64 features, features_accepted;
181
182         /* Device-specific config hangs off the end of this. */
183         struct virtio_pci_mmio *mmio;
184
185         /* PCI MMIO resources (all in BAR0) */
186         size_t mmio_size;
187         u32 mmio_addr;
188
189         /* Device-specific data. */
190         void *priv;
191 };
192
193 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
194 struct virtqueue {
195         struct virtqueue *next;
196
197         /* Which device owns me. */
198         struct device *dev;
199
200         /* The actual ring of buffers. */
201         struct vring vring;
202
203         /* The information about this virtqueue (we only use queue_size on) */
204         struct virtio_pci_common_cfg pci_config;
205
206         /* Last available index we saw. */
207         u16 last_avail_idx;
208
209         /* How many are used since we sent last irq? */
210         unsigned int pending_used;
211
212         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
213         int eventfd;
214
215         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
216         void (*service)(struct virtqueue *vq);
217         pid_t thread;
218 };
219
220 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
221 static char **main_args;
222
223 /* The original tty settings to restore on exit. */
224 static struct termios orig_term;
225
226 /*
227  * We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
228  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
229  * in precise order.
230  */
231 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
232 #define rmb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
233 #define mb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
234
235 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
236 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
237
238 /*
239  * The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
240  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers.
241  */
242 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
243 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
244 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
245 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
246 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
247 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
248
249 /* Is this iovec empty? */
250 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
251 {
252         unsigned int i;
253
254         for (i = 0; i < num_iov; i++)
255                 if (iov[i].iov_len)
256                         return false;
257         return true;
258 }
259
260 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
261 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov,
262                         void *dest, unsigned len)
263 {
264         unsigned int i;
265
266         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
267                 unsigned int used;
268
269                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
270                 if (dest) {
271                         memcpy(dest, iov[i].iov_base, used);
272                         dest += used;
273                 }
274                 iov[i].iov_base += used;
275                 iov[i].iov_len -= used;
276                 len -= used;
277         }
278         if (len != 0)
279                 errx(1, "iovec too short!");
280 }
281
282 /*L:100
283  * The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place where
284  * pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace programs,
285  * it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the kernel!).
286  * Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it will get
287  * you through this section.  Or, maybe not.
288  *
289  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
290  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
291  * Launcher virtual with an offset.
292  *
293  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
294  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us its
295  * "physical" addresses:
296  */
297 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
298 {
299         return guest_base + addr;
300 }
301
302 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
303 {
304         return (addr - guest_base);
305 }
306
307 /*L:130
308  * Loading the Kernel.
309  *
310  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
311  * error-checking code cluttering the callers:
312  */
313 static int open_or_die(const char *name, int flags)
314 {
315         int fd = open(name, flags);
316         if (fd < 0)
317                 err(1, "Failed to open %s", name);
318         return fd;
319 }
320
321 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
322 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
323 {
324         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
325         void *addr;
326
327         /*
328          * We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
329          * copied). We allocate an extra two pages PROT_NONE to act as guard
330          * pages against read/write attempts that exceed allocated space.
331          */
332         addr = mmap(NULL, getpagesize() * (num+2),
333                     PROT_NONE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
334
335         if (addr == MAP_FAILED)
336                 err(1, "Mmapping %u pages of /dev/zero", num);
337
338         if (mprotect(addr + getpagesize(), getpagesize() * num,
339                      PROT_READ|PROT_WRITE) == -1)
340                 err(1, "mprotect rw %u pages failed", num);
341
342         /*
343          * One neat mmap feature is that you can close the fd, and it
344          * stays mapped.
345          */
346         close(fd);
347
348         /* Return address after PROT_NONE page */
349         return addr + getpagesize();
350 }
351
352 /* Get some bytes which won't be mapped into the guest. */
353 static unsigned long get_mmio_region(size_t size)
354 {
355         unsigned long addr = guest_mmio;
356         size_t i;
357
358         if (!size)
359                 return addr;
360
361         /* Size has to be a power of 2 (and multiple of 16) */
362         for (i = 1; i < size; i <<= 1);
363
364         guest_mmio += i;
365
366         return addr;
367 }
368
369 /*
370  * This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
371  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
372  * it falls back to reading the memory in.
373  */
374 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
375 {
376         ssize_t r;
377
378         /*
379          * We map writable even though for some segments are marked read-only.
380          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
381          * instructions.
382          *
383          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
384          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
385          * Guests.
386          */
387         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE,
388                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
389                 return;
390
391         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
392         r = pread(fd, addr, len, offset);
393         if (r != len)
394                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
395 }
396
397 /*
398  * This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
399  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
400  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
401  *
402  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
403  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
404  * virtual address.
405  *
406  * We return the starting address.
407  */
408 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
409 {
410         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
411         unsigned int i;
412
413         /*
414          * Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
415          * reasonable number of correctly-sized program headers.
416          */
417         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
418             || ehdr->e_machine != EM_386
419             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
420             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
421                 errx(1, "Malformed elf header");
422
423         /*
424          * An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
425          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
426          * load where.
427          */
428
429         /* We read in all the program headers at once: */
430         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
431                 err(1, "Seeking to program headers");
432         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
433                 err(1, "Reading program headers");
434
435         /*
436          * Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
437          * a read-write one, and a "note" section which we don't load.
438          */
439         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
440                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
441                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
442                         continue;
443
444                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
445                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
446
447                 /* We map this section of the file at its physical address. */
448                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
449                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
450         }
451
452         /* The entry point is given in the ELF header. */
453         return ehdr->e_entry;
454 }
455
456 /*L:150
457  * A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're supposed
458  * to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to perform some
459  * hairy magic because the unpacking code scared me.
460  *
461  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
462  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
463  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go!
464  */
465 static unsigned long load_bzimage(int fd)
466 {
467         struct boot_params boot;
468         int r;
469         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
470         void *p = from_guest_phys(0x100000);
471
472         /*
473          * Go back to the start of the file and read the header.  It should be
474          * a Linux boot header (see Documentation/x86/boot.txt)
475          */
476         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
477         read(fd, &boot, sizeof(boot));
478
479         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
480         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
481                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
482
483         /* Skip over the extra sectors of the header. */
484         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
485
486         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
487         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
488                 p += r;
489
490         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
491         return boot.hdr.code32_start;
492 }
493
494 /*L:140
495  * Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
496  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
497  * work, we can load those, too.
498  */
499 static unsigned long load_kernel(int fd)
500 {
501         Elf32_Ehdr hdr;
502
503         /* Read in the first few bytes. */
504         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
505                 err(1, "Reading kernel");
506
507         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
508         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
509                 return map_elf(fd, &hdr);
510
511         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
512         return load_bzimage(fd);
513 }
514
515 /*
516  * This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
517  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
518  *
519  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
520  * necessary.  I leave this code as a reaction against that.
521  */
522 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
523 {
524         /* Add upwards and truncate downwards. */
525         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
526 }
527
528 /*L:180
529  * An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with the
530  * kernel which the kernel can use to boot from without needing any drivers.
531  * Most distributions now use this as standard: the initrd contains the code to
532  * load the appropriate driver modules for the current machine.
533  *
534  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
535  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it).
536  */
537 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
538 {
539         int ifd;
540         struct stat st;
541         unsigned long len;
542
543         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
544         /* fstat() is needed to get the file size. */
545         if (fstat(ifd, &st) < 0)
546                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
547
548         /*
549          * We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
550          * page-aligned, so we round the size up for that.
551          */
552         len = page_align(st.st_size);
553         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
554         /*
555          * Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
556          * little odd, but quite useful.
557          */
558         close(ifd);
559         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
560
561         /* We return the initrd size. */
562         return len;
563 }
564 /*:*/
565
566 /*
567  * Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
568  * between them.
569  */
570 static void concat(char *dst, char *args[])
571 {
572         unsigned int i, len = 0;
573
574         for (i = 0; args[i]; i++) {
575                 if (i) {
576                         strcat(dst+len, " ");
577                         len++;
578                 }
579                 strcpy(dst+len, args[i]);
580                 len += strlen(args[i]);
581         }
582         /* In case it's empty. */
583         dst[len] = '\0';
584 }
585
586 /*L:185
587  * This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
588  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
589  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
590  * entry point for the Guest.
591  */
592 static void tell_kernel(unsigned long start)
593 {
594         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
595                                  (unsigned long)guest_base,
596                                  guest_limit / getpagesize(), start,
597                                  (guest_mmio+getpagesize()-1) / getpagesize() };
598         verbose("Guest: %p - %p (%#lx, MMIO %#lx)\n",
599                 guest_base, guest_base + guest_limit,
600                 guest_limit, guest_mmio);
601         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
602         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
603                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
604 }
605 /*:*/
606
607 /*L:200
608  * Device Handling.
609  *
610  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
611  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
612  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
613  * if something funny is going on:
614  */
615 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
616                             unsigned int line)
617 {
618         /*
619          * Check if the requested address and size exceeds the allocated memory,
620          * or addr + size wraps around.
621          */
622         if ((addr + size) > guest_limit || (addr + size) < addr)
623                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
624         /*
625          * We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
626          * safe to use.
627          */
628         return from_guest_phys(addr);
629 }
630 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
631 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
632
633 /*
634  * Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
635  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
636  * at the end.
637  */
638 static unsigned next_desc(struct vring_desc *desc,
639                           unsigned int i, unsigned int max)
640 {
641         unsigned int next;
642
643         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
644         if (!(desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
645                 return max;
646
647         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
648         next = desc[i].next;
649         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
650         wmb();
651
652         if (next >= max)
653                 errx(1, "Desc next is %u", next);
654
655         return next;
656 }
657
658 /*
659  * This actually sends the interrupt for this virtqueue, if we've used a
660  * buffer.
661  */
662 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
663 {
664         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->dev->config.irq_line };
665
666         /* Don't inform them if nothing used. */
667         if (!vq->pending_used)
668                 return;
669         vq->pending_used = 0;
670
671         /* If they don't want an interrupt, don't send one... */
672         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) {
673                 return;
674         }
675
676         /*
677          * 4.1.4.5.1:
678          *
679          *  If MSI-X capability is disabled, the device MUST set the Queue
680          *  Interrupt bit in ISR status before sending a virtqueue notification
681          *  to the driver.
682          */
683         vq->dev->mmio->isr = 0x1;
684
685         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
686         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
687                 err(1, "Triggering irq %i", vq->dev->config.irq_line);
688 }
689
690 /*
691  * This looks in the virtqueue for the first available buffer, and converts
692  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
693  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
694  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
695  *
696  * This function waits if necessary, and returns the descriptor number found.
697  */
698 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
699                                  struct iovec iov[],
700                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
701 {
702         unsigned int i, head, max;
703         struct vring_desc *desc;
704         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
705
706         /* There's nothing available? */
707         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
708                 u64 event;
709
710                 /*
711                  * Since we're about to sleep, now is a good time to tell the
712                  * Guest about what we've used up to now.
713                  */
714                 trigger_irq(vq);
715
716                 /* OK, now we need to know about added descriptors. */
717                 vq->vring.used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
718
719                 /*
720                  * They could have slipped one in as we were doing that: make
721                  * sure it's written, then check again.
722                  */
723                 mb();
724                 if (last_avail != vq->vring.avail->idx) {
725                         vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
726                         break;
727                 }
728
729                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
730                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
731                         errx(1, "Event read failed?");
732
733                 /* We don't need to be notified again. */
734                 vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
735         }
736
737         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
738         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
739                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
740                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
741
742         /* 
743          * Make sure we read the descriptor number *after* we read the ring
744          * update; don't let the cpu or compiler change the order.
745          */
746         rmb();
747
748         /*
749          * Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
750          * the index we've seen.
751          */
752         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
753         lg_last_avail(vq)++;
754
755         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
756         if (head >= vq->vring.num)
757                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
758
759         /* When we start there are none of either input nor output. */
760         *out_num = *in_num = 0;
761
762         max = vq->vring.num;
763         desc = vq->vring.desc;
764         i = head;
765
766         /*
767          * We have to read the descriptor after we read the descriptor number,
768          * but there's a data dependency there so the CPU shouldn't reorder
769          * that: no rmb() required.
770          */
771
772         do {
773                 /*
774                  * If this is an indirect entry, then this buffer contains a
775                  * descriptor table which we handle as if it's any normal
776                  * descriptor chain.
777                  */
778                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_INDIRECT) {
779                         if (desc[i].len % sizeof(struct vring_desc))
780                                 errx(1, "Invalid size for indirect buffer table");
781
782                         max = desc[i].len / sizeof(struct vring_desc);
783                         desc = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
784                         i = 0;
785                 }
786
787                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
788                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = desc[i].len;
789                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
790                         = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
791                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
792                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
793                         (*in_num)++;
794                 else {
795                         /*
796                          * If it's an output descriptor, they're all supposed
797                          * to come before any input descriptors.
798                          */
799                         if (*in_num)
800                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
801                         (*out_num)++;
802                 }
803
804                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
805                 if (*out_num + *in_num > max)
806                         errx(1, "Looped descriptor");
807         } while ((i = next_desc(desc, i, max)) != max);
808
809         return head;
810 }
811
812 /*
813  * After we've used one of their buffers, we tell the Guest about it.  Sometime
814  * later we'll want to send them an interrupt using trigger_irq(); note that
815  * wait_for_vq_desc() does that for us if it has to wait.
816  */
817 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
818 {
819         struct vring_used_elem *used;
820
821         /*
822          * The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
823          * next entry in that used ring.
824          */
825         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
826         used->id = head;
827         used->len = len;
828         /* Make sure buffer is written before we update index. */
829         wmb();
830         vq->vring.used->idx++;
831         vq->pending_used++;
832 }
833
834 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
835 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
836 {
837         add_used(vq, head, len);
838         trigger_irq(vq);
839 }
840
841 /*
842  * The Console
843  *
844  * We associate some data with the console for our exit hack.
845  */
846 struct console_abort {
847         /* How many times have they hit ^C? */
848         int count;
849         /* When did they start? */
850         struct timeval start;
851 };
852
853 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
854 static void console_input(struct virtqueue *vq)
855 {
856         int len;
857         unsigned int head, in_num, out_num;
858         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
859         struct iovec iov[vq->vring.num];
860
861         /* Make sure there's a descriptor available. */
862         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
863         if (out_num)
864                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
865
866         /* Read into it.  This is where we usually wait. */
867         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
868         if (len <= 0) {
869                 /* Ran out of input? */
870                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
871                 /*
872                  * For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
873                  * just nap here.
874                  */
875                 for (;;)
876                         pause();
877         }
878
879         /* Tell the Guest we used a buffer. */
880         add_used_and_trigger(vq, head, len);
881
882         /*
883          * Three ^C within one second?  Exit.
884          *
885          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
886          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
887          * that we get three within about a second, so they can't be too
888          * slow.
889          */
890         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
891                 abort->count = 0;
892                 return;
893         }
894
895         abort->count++;
896         if (abort->count == 1)
897                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
898         else if (abort->count == 3) {
899                 struct timeval now;
900                 gettimeofday(&now, NULL);
901                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
902                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
903                         kill(0, SIGINT);
904                 abort->count = 0;
905         }
906 }
907
908 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
909 static void console_output(struct virtqueue *vq)
910 {
911         unsigned int head, out, in;
912         struct iovec iov[vq->vring.num];
913
914         /* We usually wait in here, for the Guest to give us something. */
915         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
916         if (in)
917                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
918
919         /* writev can return a partial write, so we loop here. */
920         while (!iov_empty(iov, out)) {
921                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
922                 if (len <= 0) {
923                         warn("Write to stdout gave %i (%d)", len, errno);
924                         break;
925                 }
926                 iov_consume(iov, out, NULL, len);
927         }
928
929         /*
930          * We're finished with that buffer: if we're going to sleep,
931          * wait_for_vq_desc() will prod the Guest with an interrupt.
932          */
933         add_used(vq, head, 0);
934 }
935
936 /*
937  * The Network
938  *
939  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
940  * and write them to /dev/net/tun.
941  */
942 struct net_info {
943         int tunfd;
944 };
945
946 static void net_output(struct virtqueue *vq)
947 {
948         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
949         unsigned int head, out, in;
950         struct iovec iov[vq->vring.num];
951
952         /* We usually wait in here for the Guest to give us a packet. */
953         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
954         if (in)
955                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
956         /*
957          * Send the whole thing through to /dev/net/tun.  It expects the exact
958          * same format: what a coincidence!
959          */
960         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
961                 warnx("Write to tun failed (%d)?", errno);
962
963         /*
964          * Done with that one; wait_for_vq_desc() will send the interrupt if
965          * all packets are processed.
966          */
967         add_used(vq, head, 0);
968 }
969
970 /*
971  * Handling network input is a bit trickier, because I've tried to optimize it.
972  *
973  * First we have a helper routine which tells is if from this file descriptor
974  * (ie. the /dev/net/tun device) will block:
975  */
976 static bool will_block(int fd)
977 {
978         fd_set fdset;
979         struct timeval zero = { 0, 0 };
980         FD_ZERO(&fdset);
981         FD_SET(fd, &fdset);
982         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
983 }
984
985 /*
986  * This handles packets coming in from the tun device to our Guest.  Like all
987  * service routines, it gets called again as soon as it returns, so you don't
988  * see a while(1) loop here.
989  */
990 static void net_input(struct virtqueue *vq)
991 {
992         int len;
993         unsigned int head, out, in;
994         struct iovec iov[vq->vring.num];
995         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
996
997         /*
998          * Get a descriptor to write an incoming packet into.  This will also
999          * send an interrupt if they're out of descriptors.
1000          */
1001         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
1002         if (out)
1003                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
1004
1005         /*
1006          * If it looks like we'll block reading from the tun device, send them
1007          * an interrupt.
1008          */
1009         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
1010                 trigger_irq(vq);
1011
1012         /*
1013          * Read in the packet.  This is where we normally wait (when there's no
1014          * incoming network traffic).
1015          */
1016         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
1017         if (len <= 0)
1018                 warn("Failed to read from tun (%d).", errno);
1019
1020         /*
1021          * Mark that packet buffer as used, but don't interrupt here.  We want
1022          * to wait until we've done as much work as we can.
1023          */
1024         add_used(vq, head, len);
1025 }
1026 /*:*/
1027
1028 /* This is the helper to create threads: run the service routine in a loop. */
1029 static int do_thread(void *_vq)
1030 {
1031         struct virtqueue *vq = _vq;
1032
1033         for (;;)
1034                 vq->service(vq);
1035         return 0;
1036 }
1037
1038 /*
1039  * When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
1040  * also has the side effect that the shell restores the console for us!
1041  */
1042 static void kill_launcher(int signal)
1043 {
1044         kill(0, SIGTERM);
1045 }
1046
1047 static void reset_vq_pci_config(struct virtqueue *vq)
1048 {
1049         vq->pci_config.queue_size = VIRTQUEUE_NUM;
1050         vq->pci_config.queue_enable = 0;
1051 }
1052
1053 static void reset_device(struct device *dev)
1054 {
1055         struct virtqueue *vq;
1056
1057         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
1058
1059         /* Clear any features they've acked. */
1060         dev->features_accepted = 0;
1061
1062         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
1063         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
1064
1065         /*
1066          * 4.1.4.3.1:
1067          *
1068          *   The device MUST present a 0 in queue_enable on reset. 
1069          *
1070          * This means we set it here, and reset the saved ones in every vq.
1071          */
1072         dev->mmio->cfg.queue_enable = 0;
1073
1074         /* Get rid of the virtqueue threads */
1075         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1076                 vq->last_avail_idx = 0;
1077                 reset_vq_pci_config(vq);
1078                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
1079                         kill(vq->thread, SIGTERM);
1080                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
1081                         vq->thread = (pid_t)-1;
1082                 }
1083         }
1084         dev->running = false;
1085
1086         /* Now we care if threads die. */
1087         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
1088 }
1089
1090 static void cleanup_devices(void)
1091 {
1092         unsigned int i;
1093
1094         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1095                 struct device *d = devices.pci[i];
1096                 if (!d)
1097                         continue;
1098                 reset_device(d);
1099         }
1100
1101         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
1102         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
1103                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
1104 }
1105
1106 /*L:217
1107  * We do PCI.  This is mainly done to let us test the kernel virtio PCI
1108  * code.
1109  */
1110
1111 /* Linux expects a PCI host bridge: ours is a dummy, and first on the bus. */
1112 static struct device pci_host_bridge;
1113
1114 static void init_pci_host_bridge(void)
1115 {
1116         pci_host_bridge.name = "PCI Host Bridge";
1117         pci_host_bridge.config.class = 0x06; /* bridge */
1118         pci_host_bridge.config.subclass = 0; /* host bridge */
1119         devices.pci[0] = &pci_host_bridge;
1120 }
1121
1122 /* The IO ports used to read the PCI config space. */
1123 #define PCI_CONFIG_ADDR 0xCF8
1124 #define PCI_CONFIG_DATA 0xCFC
1125
1126 /*
1127  * Not really portable, but does help readability: this is what the Guest
1128  * writes to the PCI_CONFIG_ADDR IO port.
1129  */
1130 union pci_config_addr {
1131         struct {
1132                 unsigned mbz: 2;
1133                 unsigned offset: 6;
1134                 unsigned funcnum: 3;
1135                 unsigned devnum: 5;
1136                 unsigned busnum: 8;
1137                 unsigned reserved: 7;
1138                 unsigned enabled : 1;
1139         } bits;
1140         u32 val;
1141 };
1142
1143 /*
1144  * We cache what they wrote to the address port, so we know what they're
1145  * talking about when they access the data port.
1146  */
1147 static union pci_config_addr pci_config_addr;
1148
1149 static struct device *find_pci_device(unsigned int index)
1150 {
1151         return devices.pci[index];
1152 }
1153
1154 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte reads; we handle that here. */
1155 static void ioread(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *val)
1156 {
1157         assert(off < 4);
1158         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1159         *val = (v >> (off * 8)) & mask;
1160 }
1161
1162 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte writes; we handle that here. */
1163 static void iowrite(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *dst)
1164 {
1165         assert(off < 4);
1166         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1167         *dst &= ~(mask << (off * 8));
1168         *dst |= (v & mask) << (off * 8);
1169 }
1170
1171 /*
1172  * Where PCI_CONFIG_DATA accesses depends on the previous write to
1173  * PCI_CONFIG_ADDR.
1174  */
1175 static struct device *dev_and_reg(u32 *reg)
1176 {
1177         if (!pci_config_addr.bits.enabled)
1178                 return NULL;
1179
1180         if (pci_config_addr.bits.funcnum != 0)
1181                 return NULL;
1182
1183         if (pci_config_addr.bits.busnum != 0)
1184                 return NULL;
1185
1186         if (pci_config_addr.bits.offset * 4 >= sizeof(struct pci_config))
1187                 return NULL;
1188
1189         *reg = pci_config_addr.bits.offset;
1190         return find_pci_device(pci_config_addr.bits.devnum);
1191 }
1192
1193 /*
1194  * We can get invalid combinations of values while they're writing, so we
1195  * only fault if they try to write with some invalid bar/offset/length.
1196  */
1197 static bool valid_bar_access(struct device *d,
1198                              struct virtio_pci_cfg_cap *cfg_access)
1199 {
1200         /* We only have 1 bar (BAR0) */
1201         if (cfg_access->cap.bar != 0)
1202                 return false;
1203
1204         /* Check it's within BAR0. */
1205         if (cfg_access->cap.offset >= d->mmio_size
1206             || cfg_access->cap.offset + cfg_access->cap.length > d->mmio_size)
1207                 return false;
1208
1209         /* Check length is 1, 2 or 4. */
1210         if (cfg_access->cap.length != 1
1211             && cfg_access->cap.length != 2
1212             && cfg_access->cap.length != 4)
1213                 return false;
1214
1215         /*
1216          * 4.1.4.7.2:
1217          *
1218          *  The driver MUST NOT write a cap.offset which is not a multiple of
1219          *  cap.length (ie. all accesses MUST be aligned).
1220          */
1221         if (cfg_access->cap.offset % cfg_access->cap.length != 0)
1222                 return false;
1223
1224         /* Return pointer into word in BAR0. */
1225         return true;
1226 }
1227
1228 /* Is this accessing the PCI config address port?. */
1229 static bool is_pci_addr_port(u16 port)
1230 {
1231         return port >= PCI_CONFIG_ADDR && port < PCI_CONFIG_ADDR + 4;
1232 }
1233
1234 static bool pci_addr_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1235 {
1236         iowrite(port - PCI_CONFIG_ADDR, val, mask,
1237                 &pci_config_addr.val);
1238         verbose("PCI%s: %#x/%x: bus %u dev %u func %u reg %u\n",
1239                 pci_config_addr.bits.enabled ? "" : " DISABLED",
1240                 val, mask,
1241                 pci_config_addr.bits.busnum,
1242                 pci_config_addr.bits.devnum,
1243                 pci_config_addr.bits.funcnum,
1244                 pci_config_addr.bits.offset);
1245         return true;
1246 }
1247
1248 static void pci_addr_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1249 {
1250         ioread(port - PCI_CONFIG_ADDR, pci_config_addr.val, mask, val);
1251 }
1252
1253 /* Is this accessing the PCI config data port?. */
1254 static bool is_pci_data_port(u16 port)
1255 {
1256         return port >= PCI_CONFIG_DATA && port < PCI_CONFIG_DATA + 4;
1257 }
1258
1259 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask);
1260
1261 static bool pci_data_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1262 {
1263         u32 reg, portoff;
1264         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1265
1266         /* Complain if they don't belong to a device. */
1267         if (!d)
1268                 return false;
1269
1270         /* They can do 1 byte writes, etc. */
1271         portoff = port - PCI_CONFIG_DATA;
1272
1273         /*
1274          * PCI uses a weird way to determine the BAR size: the OS
1275          * writes all 1's, and sees which ones stick.
1276          */
1277         if (&d->config_words[reg] == &d->config.bar[0]) {
1278                 int i;
1279
1280                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.bar[0]);
1281                 for (i = 0; (1 << i) < d->mmio_size; i++)
1282                         d->config.bar[0] &= ~(1 << i);
1283                 return true;
1284         } else if ((&d->config_words[reg] > &d->config.bar[0]
1285                     && &d->config_words[reg] <= &d->config.bar[6])
1286                    || &d->config_words[reg] == &d->config.expansion_rom_addr) {
1287                 /* Allow writing to any other BAR, or expansion ROM */
1288                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1289                 return true;
1290                 /* We let them overide latency timer and cacheline size */
1291         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.cacheline_size) {
1292                 /* Only let them change the first two fields. */
1293                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1294                         mask = 0xFFFF;
1295                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1296                 return true;
1297         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.command
1298                    && mask == 0xFFFF) {
1299                 /* Ignore command writes. */
1300                 return true;
1301         } else if (&d->config_words[reg]
1302                    == (void *)&d->config.cfg_access.cap.bar
1303                    || &d->config_words[reg]
1304                    == &d->config.cfg_access.cap.length
1305                    || &d->config_words[reg]
1306                    == &d->config.cfg_access.cap.offset) {
1307
1308                 /*
1309                  * The VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG capability
1310                  * provides a backdoor to access the MMIO
1311                  * regions without mapping them.  Weird, but
1312                  * useful.
1313                  */
1314                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1315                 return true;
1316         } else if (&d->config_words[reg] == &d->config.cfg_access.pci_cfg_data) {
1317                 u32 write_mask;
1318
1319                 /*
1320                  * 4.1.4.7.1:
1321                  *
1322                  *  Upon detecting driver write access to pci_cfg_data, the
1323                  *  device MUST execute a write access at offset cap.offset at
1324                  *  BAR selected by cap.bar using the first cap.length bytes
1325                  *  from pci_cfg_data.
1326                  */
1327
1328                 /* Must be bar 0 */
1329                 if (!valid_bar_access(d, &d->config.cfg_access))
1330                         return false;
1331
1332                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.cfg_access.pci_cfg_data);
1333
1334                 /*
1335                  * Now emulate a write.  The mask we use is set by
1336                  * len, *not* this write!
1337                  */
1338                 write_mask = (1ULL<<(8*d->config.cfg_access.cap.length)) - 1;
1339                 verbose("Window writing %#x/%#x to bar %u, offset %u len %u\n",
1340                         d->config.cfg_access.pci_cfg_data, write_mask,
1341                         d->config.cfg_access.cap.bar,
1342                         d->config.cfg_access.cap.offset,
1343                         d->config.cfg_access.cap.length);
1344
1345                 emulate_mmio_write(d, d->config.cfg_access.cap.offset,
1346                                    d->config.cfg_access.pci_cfg_data,
1347                                    write_mask);
1348                 return true;
1349         }
1350
1351         /*
1352          * 4.1.4.1:
1353          *
1354          *  The driver MUST NOT write into any field of the capability
1355          *  structure, with the exception of those with cap_type
1356          *  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG...
1357          */
1358         return false;
1359 }
1360
1361 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask);
1362
1363 static void pci_data_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1364 {
1365         u32 reg;
1366         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1367
1368         if (!d)
1369                 return;
1370
1371         /* Read through the PCI MMIO access window is special */
1372         if (&d->config_words[reg] == &d->config.cfg_access.pci_cfg_data) {
1373                 u32 read_mask;
1374
1375                 /*
1376                  * 4.1.4.7.1:
1377                  *
1378                  *  Upon detecting driver read access to pci_cfg_data, the
1379                  *  device MUST execute a read access of length cap.length at
1380                  *  offset cap.offset at BAR selected by cap.bar and store the
1381                  *  first cap.length bytes in pci_cfg_data.
1382                  */
1383                 /* Must be bar 0 */
1384                 if (!valid_bar_access(d, &d->config.cfg_access))
1385                         errx(1, "Invalid cfg_access to bar%u, offset %u len %u",
1386                              d->config.cfg_access.cap.bar,
1387                              d->config.cfg_access.cap.offset,
1388                              d->config.cfg_access.cap.length);
1389
1390                 /*
1391                  * Read into the window.  The mask we use is set by
1392                  * len, *not* this read!
1393                  */
1394                 read_mask = (1ULL<<(8*d->config.cfg_access.cap.length))-1;
1395                 d->config.cfg_access.pci_cfg_data
1396                         = emulate_mmio_read(d,
1397                                             d->config.cfg_access.cap.offset,
1398                                             read_mask);
1399                 verbose("Window read %#x/%#x from bar %u, offset %u len %u\n",
1400                         d->config.cfg_access.pci_cfg_data, read_mask,
1401                         d->config.cfg_access.cap.bar,
1402                         d->config.cfg_access.cap.offset,
1403                         d->config.cfg_access.cap.length);
1404         }
1405         ioread(port - PCI_CONFIG_DATA, d->config_words[reg], mask, val);
1406 }
1407
1408 /*L:216
1409  * This is where we emulate a handful of Guest instructions.  It's ugly
1410  * and we used to do it in the kernel but it grew over time.
1411  */
1412
1413 /*
1414  * We use the ptrace syscall's pt_regs struct to talk about registers
1415  * to lguest: these macros convert the names to the offsets.
1416  */
1417 #define getreg(name) getreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name))
1418 #define setreg(name, val) \
1419         setreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name), (val))
1420
1421 static u32 getreg_off(size_t offset)
1422 {
1423         u32 r;
1424         unsigned long args[] = { LHREQ_GETREG, offset };
1425
1426         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1427                 err(1, "Getting register %u", offset);
1428         if (pread(lguest_fd, &r, sizeof(r), cpu_id) != sizeof(r))
1429                 err(1, "Reading register %u", offset);
1430
1431         return r;
1432 }
1433
1434 static void setreg_off(size_t offset, u32 val)
1435 {
1436         unsigned long args[] = { LHREQ_SETREG, offset, val };
1437
1438         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1439                 err(1, "Setting register %u", offset);
1440 }
1441
1442 /* Get register by instruction encoding */
1443 static u32 getreg_num(unsigned regnum, u32 mask)
1444 {
1445         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1446         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4))
1447                 return getreg_num(regnum & 0x3, 0xFFFF) >> 8;
1448
1449         switch (regnum) {
1450         case 0: return getreg(eax) & mask;
1451         case 1: return getreg(ecx) & mask;
1452         case 2: return getreg(edx) & mask;
1453         case 3: return getreg(ebx) & mask;
1454         case 4: return getreg(esp) & mask;
1455         case 5: return getreg(ebp) & mask;
1456         case 6: return getreg(esi) & mask;
1457         case 7: return getreg(edi) & mask;
1458         }
1459         abort();
1460 }
1461
1462 /* Set register by instruction encoding */
1463 static void setreg_num(unsigned regnum, u32 val, u32 mask)
1464 {
1465         /* Don't try to set bits out of range */
1466         assert(~(val & ~mask));
1467
1468         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1469         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4)) {
1470                 /* Construct the 16 bits we want. */
1471                 val = (val << 8) | getreg_num(regnum & 0x3, 0xFF);
1472                 setreg_num(regnum & 0x3, val, 0xFFFF);
1473                 return;
1474         }
1475
1476         switch (regnum) {
1477         case 0: setreg(eax, val | (getreg(eax) & ~mask)); return;
1478         case 1: setreg(ecx, val | (getreg(ecx) & ~mask)); return;
1479         case 2: setreg(edx, val | (getreg(edx) & ~mask)); return;
1480         case 3: setreg(ebx, val | (getreg(ebx) & ~mask)); return;
1481         case 4: setreg(esp, val | (getreg(esp) & ~mask)); return;
1482         case 5: setreg(ebp, val | (getreg(ebp) & ~mask)); return;
1483         case 6: setreg(esi, val | (getreg(esi) & ~mask)); return;
1484         case 7: setreg(edi, val | (getreg(edi) & ~mask)); return;
1485         }
1486         abort();
1487 }
1488
1489 /* Get bytes of displacement appended to instruction, from r/m encoding */
1490 static u32 insn_displacement_len(u8 mod_reg_rm)
1491 {
1492         /* Switch on the mod bits */
1493         switch (mod_reg_rm >> 6) {
1494         case 0:
1495                 /* If mod == 0, and r/m == 101, 16-bit displacement follows */
1496                 if ((mod_reg_rm & 0x7) == 0x5)
1497                         return 2;
1498                 /* Normally, mod == 0 means no literal displacement */
1499                 return 0;
1500         case 1:
1501                 /* One byte displacement */
1502                 return 1;
1503         case 2:
1504                 /* Four byte displacement */
1505                 return 4;
1506         case 3:
1507                 /* Register mode */
1508                 return 0;
1509         }
1510         abort();
1511 }
1512
1513 static void emulate_insn(const u8 insn[])
1514 {
1515         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 13 };
1516         unsigned int insnlen = 0, in = 0, small_operand = 0, byte_access;
1517         unsigned int eax, port, mask;
1518         /*
1519          * Default is to return all-ones on IO port reads, which traditionally
1520          * means "there's nothing there".
1521          */
1522         u32 val = 0xFFFFFFFF;
1523
1524         /*
1525          * This must be the Guest kernel trying to do something, not userspace!
1526          * The bottom two bits of the CS segment register are the privilege
1527          * level.
1528          */
1529         if ((getreg(xcs) & 3) != 0x1)
1530                 goto no_emulate;
1531
1532         /* Decoding x86 instructions is icky. */
1533
1534         /*
1535          * Around 2.6.33, the kernel started using an emulation for the
1536          * cmpxchg8b instruction in early boot on many configurations.  This
1537          * code isn't paravirtualized, and it tries to disable interrupts.
1538          * Ignore it, which will Mostly Work.
1539          */
1540         if (insn[insnlen] == 0xfa) {
1541                 /* "cli", or Clear Interrupt Enable instruction.  Skip it. */
1542                 insnlen = 1;
1543                 goto skip_insn;
1544         }
1545
1546         /*
1547          * 0x66 is an "operand prefix".  It means a 16, not 32 bit in/out.
1548          */
1549         if (insn[insnlen] == 0x66) {
1550                 small_operand = 1;
1551                 /* The instruction is 1 byte so far, read the next byte. */
1552                 insnlen = 1;
1553         }
1554
1555         /* If the lower bit isn't set, it's a single byte access */
1556         byte_access = !(insn[insnlen] & 1);
1557
1558         /*
1559          * Now we can ignore the lower bit and decode the 4 opcodes
1560          * we need to emulate.
1561          */
1562         switch (insn[insnlen] & 0xFE) {
1563         case 0xE4: /* in     <next byte>,%al */
1564                 port = insn[insnlen+1];
1565                 insnlen += 2;
1566                 in = 1;
1567                 break;
1568         case 0xEC: /* in     (%dx),%al */
1569                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1570                 insnlen += 1;
1571                 in = 1;
1572                 break;
1573         case 0xE6: /* out    %al,<next byte> */
1574                 port = insn[insnlen+1];
1575                 insnlen += 2;
1576                 break;
1577         case 0xEE: /* out    %al,(%dx) */
1578                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1579                 insnlen += 1;
1580                 break;
1581         default:
1582                 /* OK, we don't know what this is, can't emulate. */
1583                 goto no_emulate;
1584         }
1585
1586         /* Set a mask of the 1, 2 or 4 bytes, depending on size of IO */
1587         if (byte_access)
1588                 mask = 0xFF;
1589         else if (small_operand)
1590                 mask = 0xFFFF;
1591         else
1592                 mask = 0xFFFFFFFF;
1593
1594         /*
1595          * If it was an "IN" instruction, they expect the result to be read
1596          * into %eax, so we change %eax.
1597          */
1598         eax = getreg(eax);
1599
1600         if (in) {
1601                 /* This is the PS/2 keyboard status; 1 means ready for output */
1602                 if (port == 0x64)
1603                         val = 1;
1604                 else if (is_pci_addr_port(port))
1605                         pci_addr_ioread(port, mask, &val);
1606                 else if (is_pci_data_port(port))
1607                         pci_data_ioread(port, mask, &val);
1608
1609                 /* Clear the bits we're about to read */
1610                 eax &= ~mask;
1611                 /* Copy bits in from val. */
1612                 eax |= val & mask;
1613                 /* Now update the register. */
1614                 setreg(eax, eax);
1615         } else {
1616                 if (is_pci_addr_port(port)) {
1617                         if (!pci_addr_iowrite(port, mask, eax))
1618                                 goto bad_io;
1619                 } else if (is_pci_data_port(port)) {
1620                         if (!pci_data_iowrite(port, mask, eax))
1621                                 goto bad_io;
1622                 }
1623                 /* There are many other ports, eg. CMOS clock, serial
1624                  * and parallel ports, so we ignore them all. */
1625         }
1626
1627         verbose("IO %s of %x to %u: %#08x\n",
1628                 in ? "IN" : "OUT", mask, port, eax);
1629 skip_insn:
1630         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1631         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1632         return;
1633
1634 bad_io:
1635         warnx("Attempt to %s port %u (%#x mask)",
1636               in ? "read from" : "write to", port, mask);
1637
1638 no_emulate:
1639         /* Inject trap into Guest. */
1640         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1641                 err(1, "Reinjecting trap 13 for fault at %#x", getreg(eip));
1642 }
1643
1644 static struct device *find_mmio_region(unsigned long paddr, u32 *off)
1645 {
1646         unsigned int i;
1647
1648         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1649                 struct device *d = devices.pci[i];
1650
1651                 if (!d)
1652                         continue;
1653                 if (paddr < d->mmio_addr)
1654                         continue;
1655                 if (paddr >= d->mmio_addr + d->mmio_size)
1656                         continue;
1657                 *off = paddr - d->mmio_addr;
1658                 return d;
1659         }
1660         return NULL;
1661 }
1662
1663 /* FIXME: Use vq array. */
1664 static struct virtqueue *vq_by_num(struct device *d, u32 num)
1665 {
1666         struct virtqueue *vq = d->vq;
1667
1668         while (num-- && vq)
1669                 vq = vq->next;
1670
1671         return vq;
1672 }
1673
1674 static void save_vq_config(const struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1675                            struct virtqueue *vq)
1676 {
1677         vq->pci_config = *cfg;
1678 }
1679
1680 static void restore_vq_config(struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1681                               struct virtqueue *vq)
1682 {
1683         /* Only restore the per-vq part */
1684         size_t off = offsetof(struct virtio_pci_common_cfg, queue_size);
1685
1686         memcpy((void *)cfg + off, (void *)&vq->pci_config + off,
1687                sizeof(*cfg) - off);
1688 }
1689
1690 /*
1691  * 4.1.4.3.2:
1692  *
1693  *  The driver MUST configure the other virtqueue fields before
1694  *  enabling the virtqueue with queue_enable.
1695  *
1696  * When they enable the virtqueue, we check that their setup is valid.
1697  */
1698 static void check_virtqueue(struct device *d, struct virtqueue *vq)
1699 {
1700         /* Because lguest is 32 bit, all the descriptor high bits must be 0 */
1701         if (vq->pci_config.queue_desc_hi
1702             || vq->pci_config.queue_avail_hi
1703             || vq->pci_config.queue_used_hi)
1704                 errx(1, "%s: invalid 64-bit queue address", d->name);
1705
1706         /* Initialize the virtqueue and check they're all in range. */
1707         vq->vring.num = vq->pci_config.queue_size;
1708         vq->vring.desc = check_pointer(vq->pci_config.queue_desc_lo,
1709                                        sizeof(*vq->vring.desc) * vq->vring.num);
1710         vq->vring.avail = check_pointer(vq->pci_config.queue_avail_lo,
1711                                         sizeof(*vq->vring.avail)
1712                                         + (sizeof(vq->vring.avail->ring[0])
1713                                            * vq->vring.num));
1714         vq->vring.used = check_pointer(vq->pci_config.queue_used_lo,
1715                                        sizeof(*vq->vring.used)
1716                                        + (sizeof(vq->vring.used->ring[0])
1717                                           * vq->vring.num));
1718 }
1719
1720 static void start_virtqueue(struct virtqueue *vq)
1721 {
1722         /*
1723          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1724          * the stack pointer to the end of this region.
1725          */
1726         char *stack = malloc(32768);
1727
1728         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1729         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1730         if (vq->eventfd < 0)
1731                 err(1, "Creating eventfd");
1732
1733         /*
1734          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1735          * we get a signal if it dies.
1736          */
1737         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1738         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1739                 err(1, "Creating clone");
1740 }
1741
1742 static void start_virtqueues(struct device *d)
1743 {
1744         struct virtqueue *vq;
1745
1746         for (vq = d->vq; vq; vq = vq->next) {
1747                 if (vq->pci_config.queue_enable)
1748                         start_virtqueue(vq);
1749         }
1750 }
1751
1752 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask)
1753 {
1754         struct virtqueue *vq;
1755
1756         switch (off) {
1757         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1758                 /*
1759                  * 4.1.4.3.1:
1760                  *
1761                  * The device MUST present the feature bits it is offering in
1762                  * device_feature, starting at bit device_feature_select ∗ 32
1763                  * for any device_feature_select written by the driver
1764                  */
1765                 if (val == 0)
1766                         d->mmio->cfg.device_feature = d->features;
1767                 else if (val == 1)
1768                         d->mmio->cfg.device_feature = (d->features >> 32);
1769                 else
1770                         d->mmio->cfg.device_feature = 0;
1771                 goto write_through32;
1772         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1773                 if (val > 1)
1774                         errx(1, "%s: Unexpected driver select %u",
1775                              d->name, val);
1776                 goto write_through32;
1777         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1778                 if (d->mmio->cfg.guest_feature_select == 0) {
1779                         d->features_accepted &= ~((u64)0xFFFFFFFF);
1780                         d->features_accepted |= val;
1781                 } else {
1782                         assert(d->mmio->cfg.guest_feature_select == 1);
1783                         d->features_accepted &= 0xFFFFFFFF;
1784                         d->features_accepted |= ((u64)val) << 32;
1785                 }
1786                 if (d->features_accepted & ~d->features)
1787                         errx(1, "%s: over-accepted features %#llx of %#llx",
1788                              d->name, d->features_accepted, d->features);
1789                 goto write_through32;
1790         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1791                 verbose("%s: device status -> %#x\n", d->name, val);
1792                 /*
1793                  * 4.1.4.3.1:
1794                  * 
1795                  *  The device MUST reset when 0 is written to device_status,
1796                  *  and present a 0 in device_status once that is done.
1797                  */
1798                 if (val == 0)
1799                         reset_device(d);
1800
1801                 /*
1802                  * 2.1.2:
1803                  *
1804                  *  The device MUST NOT consume buffers or notify the driver
1805                  *  before DRIVER_OK.
1806                  */
1807                 if (val & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK
1808                     && !(d->mmio->cfg.device_status & VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK))
1809                         start_virtqueues(d);
1810
1811                 goto write_through8;
1812         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_select):
1813                 vq = vq_by_num(d, val);
1814                 /*
1815                  * 4.1.4.3.1:
1816                  *
1817                  *  The device MUST present a 0 in queue_size if the virtqueue
1818                  *  corresponding to the current queue_select is unavailable.
1819                  */
1820                 if (!vq) {
1821                         d->mmio->cfg.queue_size = 0;
1822                         goto write_through16;
1823                 }
1824                 /* Save registers for old vq, if it was a valid vq */
1825                 if (d->mmio->cfg.queue_size)
1826                         save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1827                                        vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1828                 /* Restore the registers for the queue they asked for */
1829                 restore_vq_config(&d->mmio->cfg, vq);
1830                 goto write_through16;
1831         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_size):
1832                 /*
1833                  * 4.1.4.3.2:
1834                  *
1835                  *  The driver MUST NOT write a value which is not a power of 2
1836                  *  to queue_size.
1837                  */
1838                 if (val & (val-1))
1839                         errx(1, "%s: invalid queue size %u\n", d->name, val);
1840                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1841                         errx(1, "%s: changing queue size on live device",
1842                              d->name);
1843                 goto write_through16;
1844         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_msix_vector):
1845                 errx(1, "%s: attempt to set MSIX vector to %u",
1846                      d->name, val);
1847         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_enable):
1848                 /*
1849                  * 4.1.4.3.2:
1850                  *
1851                  *  The driver MUST NOT write a 0 to queue_enable.
1852                  */
1853                 if (val != 1)
1854                         errx(1, "%s: setting queue_enable to %u", d->name, val);
1855                 d->mmio->cfg.queue_enable = val;
1856                 save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1857                                vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1858                 /*
1859                  * 4.1.4.3.2:
1860                  *
1861                  *  The driver MUST configure the other virtqueue fields before
1862                  *  enabling the virtqueue with queue_enable.
1863                  */
1864                 check_virtqueue(d, vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1865                 goto write_through16;
1866         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_notify_off):
1867                 errx(1, "%s: attempt to write to queue_notify_off", d->name);
1868         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_lo):
1869         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_hi):
1870         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_lo):
1871         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_hi):
1872         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_lo):
1873         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_hi):
1874                 /*
1875                  * 4.1.4.3.2:
1876                  *
1877                  *  The driver MUST configure the other virtqueue fields before
1878                  *  enabling the virtqueue with queue_enable.
1879                  */
1880                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1881                         errx(1, "%s: changing queue on live device",
1882                              d->name);
1883                 goto write_through32;
1884         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1885                 vq = vq_by_num(d, val);
1886                 if (!vq)
1887                         errx(1, "Invalid vq notification on %u", val);
1888                 /* Notify the process handling this vq by adding 1 to eventfd */
1889                 write(vq->eventfd, "\1\0\0\0\0\0\0\0", 8);
1890                 goto write_through16;
1891         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1892                 errx(1, "%s: Unexpected write to isr", d->name);
1893         /* Weird corner case: write to emerg_wr of console */
1894         case sizeof(struct virtio_pci_mmio)
1895                 + offsetof(struct virtio_console_config, emerg_wr):
1896                 if (strcmp(d->name, "console") == 0) {
1897                         char c = val;
1898                         write(STDOUT_FILENO, &c, 1);
1899                         goto write_through32;
1900                 }
1901                 /* Fall through... */
1902         default:
1903                 /*
1904                  * 4.1.4.3.2:
1905                  *
1906                  *   The driver MUST NOT write to device_feature, num_queues,
1907                  *   config_generation or queue_notify_off.
1908                  */
1909                 errx(1, "%s: Unexpected write to offset %u", d->name, off);
1910         }
1911
1912
1913         /*
1914          * 4.1.3.1:
1915          *
1916          *  The driver MUST access each field using the “natural” access
1917          *  method, i.e. 32-bit accesses for 32-bit fields, 16-bit accesses for
1918          *  16-bit fields and 8-bit accesses for 8-bit fields.
1919          */
1920 write_through32:
1921         if (mask != 0xFFFFFFFF) {
1922                 errx(1, "%s: non-32-bit write to offset %u (%#x)",
1923                      d->name, off, getreg(eip));
1924                 return;
1925         }
1926         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 4);
1927         return;
1928
1929 write_through16:
1930         if (mask != 0xFFFF)
1931                 errx(1, "%s: non-16-bit (%#x) write to offset %u (%#x)",
1932                      d->name, mask, off, getreg(eip));
1933         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 2);
1934         return;
1935
1936 write_through8:
1937         if (mask != 0xFF)
1938                 errx(1, "%s: non-8-bit write to offset %u (%#x)",
1939                      d->name, off, getreg(eip));
1940         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 1);
1941         return;
1942 }
1943
1944 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask)
1945 {
1946         u8 isr;
1947         u32 val = 0;
1948
1949         switch (off) {
1950         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1951         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature):
1952         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1953         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1954                 goto read_through32;
1955         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.msix_config):
1956                 errx(1, "%s: read of msix_config", d->name);
1957         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.num_queues):
1958                 goto read_through16;
1959         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1960         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.config_generation):
1961                 /*
1962                  * 4.1.4.3.1:
1963                  *
1964                  *  The device MUST present a changed config_generation after
1965                  *  the driver has read a device-specific configuration value
1966                  *  which has changed since any part of the device-specific
1967                  *  configuration was last read.
1968                  *
1969                  * This is simple: none of our devices change config, so this
1970                  * is always 0.
1971                  */
1972                 goto read_through8;
1973         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1974                 goto read_through16;
1975         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1976                 if (mask != 0xFF)
1977                         errx(1, "%s: non-8-bit read from offset %u (%#x)",
1978                              d->name, off, getreg(eip));
1979                 isr = d->mmio->isr;
1980                 /*
1981                  * 4.1.4.5.1:
1982                  *
1983                  *  The device MUST reset ISR status to 0 on driver read. 
1984                  */
1985                 d->mmio->isr = 0;
1986                 return isr;
1987         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, padding):
1988                 errx(1, "%s: read from padding (%#x)",
1989                      d->name, getreg(eip));
1990         default:
1991                 /* Read from device config space, beware unaligned overflow */
1992                 if (off > d->mmio_size - 4)
1993                         errx(1, "%s: read past end (%#x)",
1994                              d->name, getreg(eip));
1995                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1996                         goto read_through32;
1997                 else if (mask == 0xFFFF)
1998                         goto read_through16;
1999                 else
2000                         goto read_through8;
2001         }
2002
2003         /*
2004          * 4.1.3.1:
2005          *
2006          *  The driver MUST access each field using the “natural” access
2007          *  method, i.e. 32-bit accesses for 32-bit fields, 16-bit accesses for
2008          *  16-bit fields and 8-bit accesses for 8-bit fields.
2009          */
2010 read_through32:
2011         if (mask != 0xFFFFFFFF)
2012                 errx(1, "%s: non-32-bit read to offset %u (%#x)",
2013                      d->name, off, getreg(eip));
2014         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 4);
2015         return val;
2016
2017 read_through16:
2018         if (mask != 0xFFFF)
2019                 errx(1, "%s: non-16-bit read to offset %u (%#x)",
2020                      d->name, off, getreg(eip));
2021         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 2);
2022         return val;
2023
2024 read_through8:
2025         if (mask != 0xFF)
2026                 errx(1, "%s: non-8-bit read to offset %u (%#x)",
2027                      d->name, off, getreg(eip));
2028         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 1);
2029         return val;
2030 }
2031
2032 static void emulate_mmio(unsigned long paddr, const u8 *insn)
2033 {
2034         u32 val, off, mask = 0xFFFFFFFF, insnlen = 0;
2035         struct device *d = find_mmio_region(paddr, &off);
2036         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 14 };
2037
2038         if (!d) {
2039                 warnx("MMIO touching %#08lx (not a device)", paddr);
2040                 goto reinject;
2041         }
2042
2043         /* Prefix makes it a 16 bit op */
2044         if (insn[0] == 0x66) {
2045                 mask = 0xFFFF;
2046                 insnlen++;
2047         }
2048
2049         /* iowrite */
2050         if (insn[insnlen] == 0x89) {
2051                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
2052                 val = getreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, mask);
2053                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
2054                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
2055         } else if (insn[insnlen] == 0x8b) { /* ioread */
2056                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
2057                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
2058                 setreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, val, mask);
2059                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
2060         } else if (insn[0] == 0x88) { /* 8-bit iowrite */
2061                 mask = 0xff;
2062                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
2063                 val = getreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, mask);
2064                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
2065                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
2066         } else if (insn[0] == 0x8a) { /* 8-bit ioread */
2067                 mask = 0xff;
2068                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
2069                 setreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, val, mask);
2070                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
2071         } else {
2072                 warnx("Unknown MMIO instruction touching %#08lx:"
2073                      " %02x %02x %02x %02x at %u",
2074                      paddr, insn[0], insn[1], insn[2], insn[3], getreg(eip));
2075         reinject:
2076                 /* Inject trap into Guest. */
2077                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
2078                         err(1, "Reinjecting trap 14 for fault at %#x",
2079                             getreg(eip));
2080                 return;
2081         }
2082
2083         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
2084         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
2085 }
2086
2087 /*L:190
2088  * Device Setup
2089  *
2090  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
2091  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
2092  * routines to allocate and manage them.
2093  */
2094 static void add_pci_virtqueue(struct device *dev,
2095                               void (*service)(struct virtqueue *))
2096 {
2097         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2098
2099         /* Initialize the virtqueue */
2100         vq->next = NULL;
2101         vq->last_avail_idx = 0;
2102         vq->dev = dev;
2103
2104         /*
2105          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2106          * once it's running.
2107          */
2108         vq->service = service;
2109         vq->thread = (pid_t)-1;
2110
2111         /* Initialize the configuration. */
2112         reset_vq_pci_config(vq);
2113         vq->pci_config.queue_notify_off = 0;
2114
2115         /* Add one to the number of queues */
2116         vq->dev->mmio->cfg.num_queues++;
2117
2118         /*
2119          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2120          * second.
2121          */
2122         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2123         *i = vq;
2124 }
2125
2126 /* The Guest accesses the feature bits via the PCI common config MMIO region */
2127 static void add_pci_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2128 {
2129         dev->features |= (1ULL << bit);
2130 }
2131
2132 /* For devices with no config. */
2133 static void no_device_config(struct device *dev)
2134 {
2135         dev->mmio_addr = get_mmio_region(dev->mmio_size);
2136
2137         dev->config.bar[0] = dev->mmio_addr;
2138         /* Bottom 4 bits must be zero */
2139         assert(~(dev->config.bar[0] & 0xF));
2140 }
2141
2142 /* This puts the device config into BAR0 */
2143 static void set_device_config(struct device *dev, const void *conf, size_t len)
2144 {
2145         /* Set up BAR 0 */
2146         dev->mmio_size += len;
2147         dev->mmio = realloc(dev->mmio, dev->mmio_size);
2148         memcpy(dev->mmio + 1, conf, len);
2149
2150         /*
2151          * 4.1.4.6:
2152          *
2153          *  The device MUST present at least one VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG
2154          *  capability for any device type which has a device-specific
2155          *  configuration.
2156          */
2157         /* Hook up device cfg */
2158         dev->config.cfg_access.cap.cap_next
2159                 = offsetof(struct pci_config, device);
2160
2161         /*
2162          * 4.1.4.6.1:
2163          *
2164          *  The offset for the device-specific configuration MUST be 4-byte
2165          *  aligned.
2166          */
2167         assert(dev->config.cfg_access.cap.cap_next % 4 == 0);
2168
2169         /* Fix up device cfg field length. */
2170         dev->config.device.length = len;
2171
2172         /* The rest is the same as the no-config case */
2173         no_device_config(dev);
2174 }
2175
2176 static void init_cap(struct virtio_pci_cap *cap, size_t caplen, int type,
2177                      size_t bar_offset, size_t bar_bytes, u8 next)
2178 {
2179         cap->cap_vndr = PCI_CAP_ID_VNDR;
2180         cap->cap_next = next;
2181         cap->cap_len = caplen;
2182         cap->cfg_type = type;
2183         cap->bar = 0;
2184         memset(cap->padding, 0, sizeof(cap->padding));
2185         cap->offset = bar_offset;
2186         cap->length = bar_bytes;
2187 }
2188
2189 /*
2190  * This sets up the pci_config structure, as defined in the virtio 1.0
2191  * standard (and PCI standard).
2192  */
2193 static void init_pci_config(struct pci_config *pci, u16 type,
2194                             u8 class, u8 subclass)
2195 {
2196         size_t bar_offset, bar_len;
2197
2198         /*
2199          * 4.1.4.4.1:
2200          *
2201          *  The device MUST either present notify_off_multiplier as an even
2202          *  power of 2, or present notify_off_multiplier as 0.
2203          */
2204         memset(pci, 0, sizeof(*pci));
2205
2206         /* 4.1.2.1: Devices MUST have the PCI Vendor ID 0x1AF4 */
2207         pci->vendor_id = 0x1AF4;
2208         /* 4.1.2.1: ... PCI Device ID calculated by adding 0x1040 ... */
2209         pci->device_id = 0x1040 + type;
2210
2211         /*
2212          * PCI have specific codes for different types of devices.
2213          * Linux doesn't care, but it's a good clue for people looking
2214          * at the device.
2215          */
2216         pci->class = class;
2217         pci->subclass = subclass;
2218
2219         /*
2220          * 4.1.2.1:
2221          *
2222          *  Non-transitional devices SHOULD have a PCI Revision ID of 1 or
2223          *  higher
2224          */
2225         pci->revid = 1;
2226
2227         /*
2228          * 4.1.2.1:
2229          *
2230          *  Non-transitional devices SHOULD have a PCI Subsystem Device ID of
2231          *  0x40 or higher.
2232          */
2233         pci->subsystem_device_id = 0x40;
2234
2235         /* We use our dummy interrupt controller, and irq_line is the irq */
2236         pci->irq_line = devices.next_irq++;
2237         pci->irq_pin = 0;
2238
2239         /* Support for extended capabilities. */
2240         pci->status = (1 << 4);
2241
2242         /* Link them in. */
2243         /*
2244          * 4.1.4.3.1:
2245          *
2246          *  The device MUST present at least one common configuration
2247          *  capability.
2248          */
2249         pci->capabilities = offsetof(struct pci_config, common);
2250
2251         /* 4.1.4.3.1 ... offset MUST be 4-byte aligned. */
2252         assert(pci->capabilities % 4 == 0);
2253
2254         bar_offset = offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg);
2255         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->cfg);
2256         init_cap(&pci->common, sizeof(pci->common), VIRTIO_PCI_CAP_COMMON_CFG,
2257                  bar_offset, bar_len,
2258                  offsetof(struct pci_config, notify));
2259
2260         /*
2261          * 4.1.4.4.1:
2262          *
2263          *  The device MUST present at least one notification capability.
2264          */
2265         bar_offset += bar_len;
2266         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->notify);
2267
2268         /*
2269          * 4.1.4.4.1:
2270          *
2271          *  The cap.offset MUST be 2-byte aligned.
2272          */
2273         assert(pci->common.cap_next % 2 == 0);
2274
2275         /* FIXME: Use a non-zero notify_off, for per-queue notification? */
2276         /*
2277          * 4.1.4.4.1:
2278          *
2279          *  The value cap.length presented by the device MUST be at least 2 and
2280          *  MUST be large enough to support queue notification offsets for all
2281          *  supported queues in all possible configurations.
2282          */
2283         assert(bar_len >= 2);
2284
2285         init_cap(&pci->notify.cap, sizeof(pci->notify),
2286                  VIRTIO_PCI_CAP_NOTIFY_CFG,
2287                  bar_offset, bar_len,
2288                  offsetof(struct pci_config, isr));
2289
2290         bar_offset += bar_len;
2291         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->isr);
2292         /*
2293          * 4.1.4.5.1:
2294          *
2295          *  The device MUST present at least one VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG
2296          *  capability.
2297          */
2298         init_cap(&pci->isr, sizeof(pci->isr),
2299                  VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG,
2300                  bar_offset, bar_len,
2301                  offsetof(struct pci_config, cfg_access));
2302
2303         /*
2304          * 4.1.4.7.1:
2305          *
2306          * The device MUST present at least one VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG
2307          * capability.
2308          */
2309         /* This doesn't have any presence in the BAR */
2310         init_cap(&pci->cfg_access.cap, sizeof(pci->cfg_access),
2311                  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG,
2312                  0, 0, 0);
2313
2314         bar_offset += bar_len + sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->padding);
2315         assert(bar_offset == sizeof(struct virtio_pci_mmio));
2316
2317         /*
2318          * This gets sewn in and length set in set_device_config().
2319          * Some devices don't have a device configuration interface, so
2320          * we never expose this if we don't call set_device_config().
2321          */
2322         init_cap(&pci->device, sizeof(pci->device), VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG,
2323                  bar_offset, 0, 0);
2324 }
2325
2326 /*
2327  * This routine does all the creation and setup of a new device, but we don't
2328  * actually place the MMIO region until we know the size (if any) of the
2329  * device-specific config.  And we don't actually start the service threads
2330  * until later.
2331  *
2332  * See what I mean about userspace being boring?
2333  */
2334 static struct device *new_pci_device(const char *name, u16 type,
2335                                      u8 class, u8 subclass)
2336 {
2337         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2338
2339         /* Now we populate the fields one at a time. */
2340         dev->name = name;
2341         dev->vq = NULL;
2342         dev->running = false;
2343         dev->mmio_size = sizeof(struct virtio_pci_mmio);
2344         dev->mmio = calloc(1, dev->mmio_size);
2345         dev->features = (u64)1 << VIRTIO_F_VERSION_1;
2346         dev->features_accepted = 0;
2347
2348         if (devices.device_num + 1 >= MAX_PCI_DEVICES)
2349                 errx(1, "Can only handle 31 PCI devices");
2350
2351         init_pci_config(&dev->config, type, class, subclass);
2352         assert(!devices.pci[devices.device_num+1]);
2353         devices.pci[++devices.device_num] = dev;
2354
2355         return dev;
2356 }
2357
2358 /*
2359  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
2360  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
2361  */
2362 static void setup_console(void)
2363 {
2364         struct device *dev;
2365         struct virtio_console_config conf;
2366
2367         /* If we can save the initial standard input settings... */
2368         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
2369                 struct termios term = orig_term;
2370                 /*
2371                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
2372                  * raw input stream to the Guest.
2373                  */
2374                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
2375                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
2376         }
2377
2378         dev = new_pci_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE, 0x07, 0x00);
2379
2380         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
2381         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
2382         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
2383
2384         /*
2385          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
2386          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
2387          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
2388          * stdout.
2389          */
2390         add_pci_virtqueue(dev, console_input);
2391         add_pci_virtqueue(dev, console_output);
2392
2393         /* We need a configuration area for the emerg_wr early writes. */
2394         add_pci_feature(dev, VIRTIO_CONSOLE_F_EMERG_WRITE);
2395         set_device_config(dev, &conf, sizeof(conf));
2396
2397         verbose("device %u: console\n", devices.device_num);
2398 }
2399 /*:*/
2400
2401 /*M:010
2402  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
2403  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
2404  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
2405  *
2406  * More sophisticated is to use one of the tools developed for project like UML
2407  * to do networking.
2408  *
2409  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
2410  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
2411  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
2412  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
2413  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
2414  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
2415  *
2416  * Finally, we could use a virtio network switch in the kernel, ie. vhost.
2417 :*/
2418
2419 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
2420 {
2421         unsigned int b[4];
2422
2423         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
2424                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
2425         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
2426 }
2427
2428 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
2429 {
2430         unsigned int m[6];
2431         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
2432                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
2433                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
2434         mac[0] = m[0];
2435         mac[1] = m[1];
2436         mac[2] = m[2];
2437         mac[3] = m[3];
2438         mac[4] = m[4];
2439         mac[5] = m[5];
2440 }
2441
2442 /*
2443  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
2444  * network device to the bridge device specified by the command line.
2445  *
2446  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
2447  * dislike bridging), and I just try not to break it.
2448  */
2449 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
2450 {
2451         int ifidx;
2452         struct ifreq ifr;
2453
2454         if (!*br_name)
2455                 errx(1, "must specify bridge name");
2456
2457         ifidx = if_nametoindex(if_name);
2458         if (!ifidx)
2459                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
2460
2461         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
2462         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
2463         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
2464         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
2465                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
2466 }
2467
2468 /*
2469  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
2470  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
2471  * pointer.
2472  */
2473 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
2474 {
2475         struct ifreq ifr;
2476         struct sockaddr_in sin;
2477
2478         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2479         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
2480
2481         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
2482         sin.sin_family = AF_INET;
2483         sin.sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
2484         memcpy(&ifr.ifr_addr, &sin, sizeof(sin));
2485         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
2486                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
2487         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
2488         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
2489                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
2490 }
2491
2492 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
2493 {
2494         struct ifreq ifr;
2495         int vnet_hdr_sz;
2496         int netfd;
2497
2498         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
2499         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2500
2501         /*
2502          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
2503          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
2504          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
2505          * works now!
2506          */
2507         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
2508         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
2509         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
2510         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
2511                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
2512
2513         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
2514                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
2515                 err(1, "Could not set features for tun device");
2516
2517         /*
2518          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
2519          * device: trust us!
2520          */
2521         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
2522
2523         /*
2524          * In virtio before 1.0 (aka legacy virtio), we added a 16-bit
2525          * field at the end of the network header iff
2526          * VIRTIO_NET_F_MRG_RXBUF was negotiated.  For virtio 1.0,
2527          * that became the norm, but we need to tell the tun device
2528          * about our expanded header (which is called
2529          * virtio_net_hdr_mrg_rxbuf in the legacy system).
2530          */
2531         vnet_hdr_sz = sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf);
2532         if (ioctl(netfd, TUNSETVNETHDRSZ, &vnet_hdr_sz) != 0)
2533                 err(1, "Setting tun header size to %u", vnet_hdr_sz);
2534
2535         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
2536         return netfd;
2537 }
2538
2539 /*L:195
2540  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
2541  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
2542  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
2543  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
2544  */
2545 static void setup_tun_net(char *arg)
2546 {
2547         struct device *dev;
2548         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
2549         int ipfd;
2550         u32 ip = INADDR_ANY;
2551         bool bridging = false;
2552         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
2553         struct virtio_net_config conf;
2554
2555         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
2556
2557         /* First we create a new network device. */
2558         dev = new_pci_device("net", VIRTIO_ID_NET, 0x02, 0x00);
2559         dev->priv = net_info;
2560
2561         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
2562         add_pci_virtqueue(dev, net_input);
2563         add_pci_virtqueue(dev, net_output);
2564
2565         /*
2566          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
2567          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
2568          */
2569         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
2570         if (ipfd < 0)
2571                 err(1, "opening IP socket");
2572
2573         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
2574         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
2575                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
2576                 bridging = true;
2577         }
2578
2579         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
2580         p = strchr(arg, ':');
2581         if (p) {
2582                 str2mac(p+1, conf.mac);
2583                 add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
2584                 *p = '\0';
2585         }
2586
2587         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
2588         if (bridging)
2589                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
2590         else
2591                 ip = str2ip(arg);
2592
2593         /* Set up the tun device. */
2594         configure_device(ipfd, tapif, ip);
2595
2596         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
2597         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
2598         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
2599         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
2600         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
2601         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
2602         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
2603         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
2604         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
2605         /* We handle indirect ring entries */
2606         add_pci_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
2607         set_device_config(dev, &conf, sizeof(conf));
2608
2609         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
2610         close(ipfd);
2611
2612         if (bridging)
2613                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
2614                         devices.device_num, tapif, arg);
2615         else
2616                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
2617                         devices.device_num, tapif, arg);
2618 }
2619 /*:*/
2620
2621 /* This hangs off device->priv. */
2622 struct vblk_info {
2623         /* The size of the file. */
2624         off64_t len;
2625
2626         /* The file descriptor for the file. */
2627         int fd;
2628
2629 };
2630
2631 /*L:210
2632  * The Disk
2633  *
2634  * The disk only has one virtqueue, so it only has one thread.  It is really
2635  * simple: the Guest asks for a block number and we read or write that position
2636  * in the file.
2637  *
2638  * Before we serviced each virtqueue in a separate thread, that was unacceptably
2639  * slow: the Guest waits until the read is finished before running anything
2640  * else, even if it could have been doing useful work.
2641  *
2642  * We could have used async I/O, except it's reputed to suck so hard that
2643  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
2644  */
2645 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
2646 {
2647         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
2648         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
2649         int ret, i;
2650         u8 *in;
2651         struct virtio_blk_outhdr out;
2652         struct iovec iov[vq->vring.num];
2653         off64_t off;
2654
2655         /*
2656          * Get the next request, where we normally wait.  It triggers the
2657          * interrupt to acknowledge previously serviced requests (if any).
2658          */
2659         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2660
2661         /* Copy the output header from the front of the iov (adjusts iov) */
2662         iov_consume(iov, out_num, &out, sizeof(out));
2663
2664         /* Find and trim end of iov input array, for our status byte. */
2665         in = NULL;
2666         for (i = out_num + in_num - 1; i >= out_num; i--) {
2667                 if (iov[i].iov_len > 0) {
2668                         in = iov[i].iov_base + iov[i].iov_len - 1;
2669                         iov[i].iov_len--;
2670                         break;
2671                 }
2672         }
2673         if (!in)
2674                 errx(1, "Bad virtblk cmd with no room for status");
2675
2676         /*
2677          * For historical reasons, block operations are expressed in 512 byte
2678          * "sectors".
2679          */
2680         off = out.sector * 512;
2681
2682         if (out.type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
2683                 /*
2684                  * Write
2685                  *
2686                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2687                  * if they try to write past end.
2688                  */
2689                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2690                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2691
2692                 ret = writev(vblk->fd, iov, out_num);
2693                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out.sector, ret);
2694
2695                 /*
2696                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
2697                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
2698                  * file (possibly extending it).
2699                  */
2700                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
2701                         /* Trim it back to the correct length */
2702                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
2703                         /* Die, bad Guest, die. */
2704                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
2705                 }
2706
2707                 wlen = sizeof(*in);
2708                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2709         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_FLUSH) {
2710                 /* Flush */
2711                 ret = fdatasync(vblk->fd);
2712                 verbose("FLUSH fdatasync: %i\n", ret);
2713                 wlen = sizeof(*in);
2714                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2715         } else {
2716                 /*
2717                  * Read
2718                  *
2719                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2720                  * if they try to read past end.
2721                  */
2722                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2723                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2724
2725                 ret = readv(vblk->fd, iov + out_num, in_num);
2726                 if (ret >= 0) {
2727                         wlen = sizeof(*in) + ret;
2728                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
2729                 } else {
2730                         wlen = sizeof(*in);
2731                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
2732                 }
2733         }
2734
2735         /* Finished that request. */
2736         add_used(vq, head, wlen);
2737 }
2738
2739 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
2740 static void setup_block_file(const char *filename)
2741 {
2742         struct device *dev;
2743         struct vblk_info *vblk;
2744         struct virtio_blk_config conf;
2745
2746         /* Create the device. */
2747         dev = new_pci_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, 0x01, 0x80);
2748
2749         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
2750         add_pci_virtqueue(dev, blk_request);
2751
2752         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
2753         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
2754
2755         /* First we open the file and store the length. */
2756         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
2757         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
2758
2759         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
2760         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
2761
2762         /*
2763          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
2764          * for the in and out elements.
2765          */
2766         add_pci_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
2767         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
2768
2769         set_device_config(dev, &conf, sizeof(struct virtio_blk_config));
2770
2771         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
2772                 devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
2773 }
2774
2775 /*L:211
2776  * Our random number generator device reads from /dev/urandom into the Guest's
2777  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
2778  * and so has no buffers although /dev/urandom is still readable, whereas
2779  * console is the reverse.
2780  *
2781  * The same logic applies, however.
2782  */
2783 struct rng_info {
2784         int rfd;
2785 };
2786
2787 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
2788 {
2789         int len;
2790         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
2791         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
2792         struct iovec iov[vq->vring.num];
2793
2794         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
2795         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2796         if (out_num)
2797                 errx(1, "Output buffers in rng?");
2798
2799         /*
2800          * Just like the console write, we loop to cover the whole iovec.
2801          * In this case, short reads actually happen quite a bit.
2802          */
2803         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
2804                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
2805                 if (len <= 0)
2806                         err(1, "Read from /dev/urandom gave %i", len);
2807                 iov_consume(iov, in_num, NULL, len);
2808                 totlen += len;
2809         }
2810
2811         /* Tell the Guest about the new input. */
2812         add_used(vq, head, totlen);
2813 }
2814
2815 /*L:199
2816  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
2817  */
2818 static void setup_rng(void)
2819 {
2820         struct device *dev;
2821         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
2822
2823         /* Our device's private info simply contains the /dev/urandom fd. */
2824         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/urandom", O_RDONLY);
2825
2826         /* Create the new device. */
2827         dev = new_pci_device("rng", VIRTIO_ID_RNG, 0xff, 0);
2828         dev->priv = rng_info;
2829
2830         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
2831         add_pci_virtqueue(dev, rng_input);
2832
2833         /* We don't have any configuration space */
2834         no_device_config(dev);
2835
2836         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num);
2837 }
2838 /* That's the end of device setup. */
2839
2840 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
2841 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
2842 {
2843         unsigned int i;
2844
2845         /*
2846          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
2847          * stderr.
2848          */
2849         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
2850                 close(i);
2851
2852         /* Reset all the devices (kills all threads). */
2853         cleanup_devices();
2854
2855         execv(main_args[0], main_args);
2856         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
2857 }
2858
2859 /*L:220
2860  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
2861  * its input and output, and finally, lays it to rest.
2862  */
2863 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
2864 {
2865         for (;;) {
2866                 struct lguest_pending notify;
2867                 int readval;
2868
2869                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
2870                 readval = pread(lguest_fd, &notify, sizeof(notify), cpu_id);
2871                 if (readval == sizeof(notify)) {
2872                         if (notify.trap == 13) {
2873                                 verbose("Emulating instruction at %#x\n",
2874                                         getreg(eip));
2875                                 emulate_insn(notify.insn);
2876                         } else if (notify.trap == 14) {
2877                                 verbose("Emulating MMIO at %#x\n",
2878                                         getreg(eip));
2879                                 emulate_mmio(notify.addr, notify.insn);
2880                         } else
2881                                 errx(1, "Unknown trap %i addr %#08x\n",
2882                                      notify.trap, notify.addr);
2883                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
2884                 } else if (errno == ENOENT) {
2885                         char reason[1024] = { 0 };
2886                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
2887                         errx(1, "%s", reason);
2888                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
2889                 } else if (errno == ERESTART) {
2890                         restart_guest();
2891                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
2892                 } else
2893                         err(1, "Running guest failed");
2894         }
2895 }
2896 /*L:240
2897  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
2898  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
2899  * of us.
2900  *
2901  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
2902  * "make Host".
2903 :*/
2904
2905 static struct option opts[] = {
2906         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
2907         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
2908         { "block", 1, NULL, 'b' },
2909         { "rng", 0, NULL, 'r' },
2910         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
2911         { "username", 1, NULL, 'u' },
2912         { "chroot", 1, NULL, 'c' },
2913         { NULL },
2914 };
2915 static void usage(void)
2916 {
2917         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
2918              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
2919              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
2920              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
2921 }
2922
2923 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
2924 int main(int argc, char *argv[])
2925 {
2926         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
2927         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
2928         /* Two temporaries. */
2929         int i, c;
2930         /* The boot information for the Guest. */
2931         struct boot_params *boot;
2932         /* If they specify an initrd file to load. */
2933         const char *initrd_name = NULL;
2934
2935         /* Password structure for initgroups/setres[gu]id */
2936         struct passwd *user_details = NULL;
2937
2938         /* Directory to chroot to */
2939         char *chroot_path = NULL;
2940
2941         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
2942         main_args = argv;
2943
2944         /*
2945          * First we initialize the device list.  We remember next interrupt
2946          * number to use for devices (1: remember that 0 is used by the timer).
2947          */
2948         devices.next_irq = 1;
2949
2950         /* We're CPU 0.  In fact, that's the only CPU possible right now. */
2951         cpu_id = 0;
2952
2953         /*
2954          * We need to know how much memory so we can set up the device
2955          * descriptor and memory pages for the devices as we parse the command
2956          * line.  So we quickly look through the arguments to find the amount
2957          * of memory now.
2958          */
2959         for (i = 1; i < argc; i++) {
2960                 if (argv[i][0] != '-') {
2961                         mem = atoi(argv[i]) * 1024 * 1024;
2962                         /*
2963                          * We start by mapping anonymous pages over all of
2964                          * guest-physical memory range.  This fills it with 0,
2965                          * and ensures that the Guest won't be killed when it
2966                          * tries to access it.
2967                          */
2968                         guest_base = map_zeroed_pages(mem / getpagesize()
2969                                                       + DEVICE_PAGES);
2970                         guest_limit = mem;
2971                         guest_max = guest_mmio = mem + DEVICE_PAGES*getpagesize();
2972                         break;
2973                 }
2974         }
2975
2976         /* We always have a console device, and it's always device 1. */
2977         setup_console();
2978
2979         /* The options are fairly straight-forward */
2980         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
2981                 switch (c) {
2982                 case 'v':
2983                         verbose = true;
2984                         break;
2985                 case 't':
2986                         setup_tun_net(optarg);
2987                         break;
2988                 case 'b':
2989                         setup_block_file(optarg);
2990                         break;
2991                 case 'r':
2992                         setup_rng();
2993                         break;
2994                 case 'i':
2995                         initrd_name = optarg;
2996                         break;
2997                 case 'u':
2998                         user_details = getpwnam(optarg);
2999                         if (!user_details)
3000                                 err(1, "getpwnam failed, incorrect username?");
3001                         break;
3002                 case 'c':
3003                         chroot_path = optarg;
3004                         break;
3005                 default:
3006                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
3007                         usage();
3008                 }
3009         }
3010         /*
3011          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
3012          * followed by command line arguments for the kernel.
3013          */
3014         if (optind + 2 > argc)
3015                 usage();
3016
3017         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
3018
3019         /* Initialize the (fake) PCI host bridge device. */
3020         init_pci_host_bridge();
3021
3022         /* Now we load the kernel */
3023         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
3024
3025         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
3026         boot = from_guest_phys(0);
3027
3028         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
3029         if (initrd_name) {
3030                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
3031                 /*
3032                  * These are the location in the Linux boot header where the
3033                  * start and size of the initrd are expected to be found.
3034                  */
3035                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
3036                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
3037                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
3038                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
3039         }
3040
3041         /*
3042          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
3043          * simple, single region.
3044          */
3045         boot->e820_entries = 1;
3046         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
3047         /*
3048          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
3049          * line after the boot header.
3050          */
3051         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
3052         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
3053         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
3054
3055         /* Set kernel alignment to 16M (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN) */
3056         boot->hdr.kernel_alignment = 0x1000000;
3057
3058         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
3059         boot->hdr.version = 0x207;
3060
3061         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
3062         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
3063
3064         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
3065         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
3066
3067         /* We tell the kernel to initialize the Guest. */
3068         tell_kernel(start);
3069
3070         /* Ensure that we terminate if a device-servicing child dies. */
3071         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
3072
3073         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
3074         atexit(cleanup_devices);
3075
3076         /* If requested, chroot to a directory */
3077         if (chroot_path) {
3078                 if (chroot(chroot_path) != 0)
3079                         err(1, "chroot(\"%s\") failed", chroot_path);
3080
3081                 if (chdir("/") != 0)
3082                         err(1, "chdir(\"/\") failed");
3083
3084                 verbose("chroot done\n");
3085         }
3086
3087         /* If requested, drop privileges */
3088         if (user_details) {
3089                 uid_t u;
3090                 gid_t g;
3091
3092                 u = user_details->pw_uid;
3093                 g = user_details->pw_gid;
3094
3095                 if (initgroups(user_details->pw_name, g) != 0)
3096                         err(1, "initgroups failed");
3097
3098                 if (setresgid(g, g, g) != 0)
3099                         err(1, "setresgid failed");
3100
3101                 if (setresuid(u, u, u) != 0)
3102                         err(1, "setresuid failed");
3103
3104                 verbose("Dropping privileges completed\n");
3105         }
3106
3107         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
3108         run_guest();
3109 }
3110 /*:*/
3111
3112 /*M:999
3113  * Mastery is done: you now know everything I do.
3114  *
3115  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
3116  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
3117  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
3118  *
3119  * Farewell, and good coding!
3120  * Rusty Russell.
3121  */