lguest: define VIRTIO_CONFIG_NO_LEGACY in example launcher.
[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 <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         /* The descriptor page for the devices. */
121         u8 *descpage;
122
123         /* A single linked list of devices. */
124         struct device *dev;
125         /* And a pointer to the last device for easy append. */
126         struct device *lastdev;
127
128         /* PCI devices. */
129         struct device *pci[MAX_PCI_DEVICES];
130 };
131
132 /* The list of Guest devices, based on command line arguments. */
133 static struct device_list devices;
134
135 struct virtio_pci_cfg_cap {
136         struct virtio_pci_cap cap;
137         u32 window; /* Data for BAR access. */
138 };
139
140 struct virtio_pci_mmio {
141         struct virtio_pci_common_cfg cfg;
142         u16 notify;
143         u8 isr;
144         u8 padding;
145         /* Device-specific configuration follows this. */
146 };
147
148 /* This is the layout (little-endian) of the PCI config space. */
149 struct pci_config {
150         u16 vendor_id, device_id;
151         u16 command, status;
152         u8 revid, prog_if, subclass, class;
153         u8 cacheline_size, lat_timer, header_type, bist;
154         u32 bar[6];
155         u32 cardbus_cis_ptr;
156         u16 subsystem_vendor_id, subsystem_device_id;
157         u32 expansion_rom_addr;
158         u8 capabilities, reserved1[3];
159         u32 reserved2;
160         u8 irq_line, irq_pin, min_grant, max_latency;
161
162         /* Now, this is the linked capability list. */
163         struct virtio_pci_cap common;
164         struct virtio_pci_notify_cap notify;
165         struct virtio_pci_cap isr;
166         struct virtio_pci_cap device;
167         /* FIXME: Implement this! */
168         struct virtio_pci_cfg_cap cfg_access;
169 };
170
171 /* The device structure describes a single device. */
172 struct device {
173         /* The linked-list pointer. */
174         struct device *next;
175
176         /* The device's descriptor, as mapped into the Guest. */
177         struct lguest_device_desc *desc;
178
179         /* We can't trust desc values once Guest has booted: we use these. */
180         unsigned int feature_len;
181         unsigned int num_vq;
182
183         /* The name of this device, for --verbose. */
184         const char *name;
185
186         /* Any queues attached to this device */
187         struct virtqueue *vq;
188
189         /* Is it operational */
190         bool running;
191
192         /* PCI configuration */
193         union {
194                 struct pci_config config;
195                 u32 config_words[sizeof(struct pci_config) / sizeof(u32)];
196         };
197
198         /* Features we offer, and those accepted. */
199         u64 features, features_accepted;
200
201         /* Device-specific config hangs off the end of this. */
202         struct virtio_pci_mmio *mmio;
203
204         /* PCI MMIO resources (all in BAR0) */
205         size_t mmio_size;
206         u32 mmio_addr;
207
208         /* Device-specific data. */
209         void *priv;
210 };
211
212 /* The virtqueue structure describes a queue attached to a device. */
213 struct virtqueue {
214         struct virtqueue *next;
215
216         /* Which device owns me. */
217         struct device *dev;
218
219         /* The configuration for this queue. */
220         struct lguest_vqconfig config;
221
222         /* The actual ring of buffers. */
223         struct vring vring;
224
225         /* The information about this virtqueue (we only use queue_size on) */
226         struct virtio_pci_common_cfg pci_config;
227
228         /* Last available index we saw. */
229         u16 last_avail_idx;
230
231         /* How many are used since we sent last irq? */
232         unsigned int pending_used;
233
234         /* Eventfd where Guest notifications arrive. */
235         int eventfd;
236
237         /* Function for the thread which is servicing this virtqueue. */
238         void (*service)(struct virtqueue *vq);
239         pid_t thread;
240 };
241
242 /* Remember the arguments to the program so we can "reboot" */
243 static char **main_args;
244
245 /* The original tty settings to restore on exit. */
246 static struct termios orig_term;
247
248 /*
249  * We have to be careful with barriers: our devices are all run in separate
250  * threads and so we need to make sure that changes visible to the Guest happen
251  * in precise order.
252  */
253 #define wmb() __asm__ __volatile__("" : : : "memory")
254 #define rmb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
255 #define mb() __asm__ __volatile__("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "memory")
256
257 /* Wrapper for the last available index.  Makes it easier to change. */
258 #define lg_last_avail(vq)       ((vq)->last_avail_idx)
259
260 /*
261  * The virtio configuration space is defined to be little-endian.  x86 is
262  * little-endian too, but it's nice to be explicit so we have these helpers.
263  */
264 #define cpu_to_le16(v16) (v16)
265 #define cpu_to_le32(v32) (v32)
266 #define cpu_to_le64(v64) (v64)
267 #define le16_to_cpu(v16) (v16)
268 #define le32_to_cpu(v32) (v32)
269 #define le64_to_cpu(v64) (v64)
270
271 /* Is this iovec empty? */
272 static bool iov_empty(const struct iovec iov[], unsigned int num_iov)
273 {
274         unsigned int i;
275
276         for (i = 0; i < num_iov; i++)
277                 if (iov[i].iov_len)
278                         return false;
279         return true;
280 }
281
282 /* Take len bytes from the front of this iovec. */
283 static void iov_consume(struct iovec iov[], unsigned num_iov,
284                         void *dest, unsigned len)
285 {
286         unsigned int i;
287
288         for (i = 0; i < num_iov; i++) {
289                 unsigned int used;
290
291                 used = iov[i].iov_len < len ? iov[i].iov_len : len;
292                 if (dest) {
293                         memcpy(dest, iov[i].iov_base, used);
294                         dest += used;
295                 }
296                 iov[i].iov_base += used;
297                 iov[i].iov_len -= used;
298                 len -= used;
299         }
300         if (len != 0)
301                 errx(1, "iovec too short!");
302 }
303
304 /* The device virtqueue descriptors are followed by feature bitmasks. */
305 static u8 *get_feature_bits(struct device *dev)
306 {
307         return (u8 *)(dev->desc + 1)
308                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig);
309 }
310
311 /*L:100
312  * The Launcher code itself takes us out into userspace, that scary place where
313  * pointers run wild and free!  Unfortunately, like most userspace programs,
314  * it's quite boring (which is why everyone likes to hack on the kernel!).
315  * Perhaps if you make up an Lguest Drinking Game at this point, it will get
316  * you through this section.  Or, maybe not.
317  *
318  * The Launcher sets up a big chunk of memory to be the Guest's "physical"
319  * memory and stores it in "guest_base".  In other words, Guest physical ==
320  * Launcher virtual with an offset.
321  *
322  * This can be tough to get your head around, but usually it just means that we
323  * use these trivial conversion functions when the Guest gives us its
324  * "physical" addresses:
325  */
326 static void *from_guest_phys(unsigned long addr)
327 {
328         return guest_base + addr;
329 }
330
331 static unsigned long to_guest_phys(const void *addr)
332 {
333         return (addr - guest_base);
334 }
335
336 /*L:130
337  * Loading the Kernel.
338  *
339  * We start with couple of simple helper routines.  open_or_die() avoids
340  * error-checking code cluttering the callers:
341  */
342 static int open_or_die(const char *name, int flags)
343 {
344         int fd = open(name, flags);
345         if (fd < 0)
346                 err(1, "Failed to open %s", name);
347         return fd;
348 }
349
350 /* map_zeroed_pages() takes a number of pages. */
351 static void *map_zeroed_pages(unsigned int num)
352 {
353         int fd = open_or_die("/dev/zero", O_RDONLY);
354         void *addr;
355
356         /*
357          * We use a private mapping (ie. if we write to the page, it will be
358          * copied). We allocate an extra two pages PROT_NONE to act as guard
359          * pages against read/write attempts that exceed allocated space.
360          */
361         addr = mmap(NULL, getpagesize() * (num+2),
362                     PROT_NONE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
363
364         if (addr == MAP_FAILED)
365                 err(1, "Mmapping %u pages of /dev/zero", num);
366
367         if (mprotect(addr + getpagesize(), getpagesize() * num,
368                      PROT_READ|PROT_WRITE) == -1)
369                 err(1, "mprotect rw %u pages failed", num);
370
371         /*
372          * One neat mmap feature is that you can close the fd, and it
373          * stays mapped.
374          */
375         close(fd);
376
377         /* Return address after PROT_NONE page */
378         return addr + getpagesize();
379 }
380
381 /* Get some more pages for a device. */
382 static void *get_pages(unsigned int num)
383 {
384         void *addr = from_guest_phys(guest_limit);
385
386         guest_limit += num * getpagesize();
387         if (guest_limit > guest_max)
388                 errx(1, "Not enough memory for devices");
389         return addr;
390 }
391
392 /* Get some bytes which won't be mapped into the guest. */
393 static unsigned long get_mmio_region(size_t size)
394 {
395         unsigned long addr = guest_mmio;
396         size_t i;
397
398         if (!size)
399                 return addr;
400
401         /* Size has to be a power of 2 (and multiple of 16) */
402         for (i = 1; i < size; i <<= 1);
403
404         guest_mmio += i;
405
406         return addr;
407 }
408
409 /*
410  * This routine is used to load the kernel or initrd.  It tries mmap, but if
411  * that fails (Plan 9's kernel file isn't nicely aligned on page boundaries),
412  * it falls back to reading the memory in.
413  */
414 static void map_at(int fd, void *addr, unsigned long offset, unsigned long len)
415 {
416         ssize_t r;
417
418         /*
419          * We map writable even though for some segments are marked read-only.
420          * The kernel really wants to be writable: it patches its own
421          * instructions.
422          *
423          * MAP_PRIVATE means that the page won't be copied until a write is
424          * done to it.  This allows us to share untouched memory between
425          * Guests.
426          */
427         if (mmap(addr, len, PROT_READ|PROT_WRITE,
428                  MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd, offset) != MAP_FAILED)
429                 return;
430
431         /* pread does a seek and a read in one shot: saves a few lines. */
432         r = pread(fd, addr, len, offset);
433         if (r != len)
434                 err(1, "Reading offset %lu len %lu gave %zi", offset, len, r);
435 }
436
437 /*
438  * This routine takes an open vmlinux image, which is in ELF, and maps it into
439  * the Guest memory.  ELF = Embedded Linking Format, which is the format used
440  * by all modern binaries on Linux including the kernel.
441  *
442  * The ELF headers give *two* addresses: a physical address, and a virtual
443  * address.  We use the physical address; the Guest will map itself to the
444  * virtual address.
445  *
446  * We return the starting address.
447  */
448 static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
449 {
450         Elf32_Phdr phdr[ehdr->e_phnum];
451         unsigned int i;
452
453         /*
454          * Sanity checks on the main ELF header: an x86 executable with a
455          * reasonable number of correctly-sized program headers.
456          */
457         if (ehdr->e_type != ET_EXEC
458             || ehdr->e_machine != EM_386
459             || ehdr->e_phentsize != sizeof(Elf32_Phdr)
460             || ehdr->e_phnum < 1 || ehdr->e_phnum > 65536U/sizeof(Elf32_Phdr))
461                 errx(1, "Malformed elf header");
462
463         /*
464          * An ELF executable contains an ELF header and a number of "program"
465          * headers which indicate which parts ("segments") of the program to
466          * load where.
467          */
468
469         /* We read in all the program headers at once: */
470         if (lseek(elf_fd, ehdr->e_phoff, SEEK_SET) < 0)
471                 err(1, "Seeking to program headers");
472         if (read(elf_fd, phdr, sizeof(phdr)) != sizeof(phdr))
473                 err(1, "Reading program headers");
474
475         /*
476          * Try all the headers: there are usually only three.  A read-only one,
477          * a read-write one, and a "note" section which we don't load.
478          */
479         for (i = 0; i < ehdr->e_phnum; i++) {
480                 /* If this isn't a loadable segment, we ignore it */
481                 if (phdr[i].p_type != PT_LOAD)
482                         continue;
483
484                 verbose("Section %i: size %i addr %p\n",
485                         i, phdr[i].p_memsz, (void *)phdr[i].p_paddr);
486
487                 /* We map this section of the file at its physical address. */
488                 map_at(elf_fd, from_guest_phys(phdr[i].p_paddr),
489                        phdr[i].p_offset, phdr[i].p_filesz);
490         }
491
492         /* The entry point is given in the ELF header. */
493         return ehdr->e_entry;
494 }
495
496 /*L:150
497  * A bzImage, unlike an ELF file, is not meant to be loaded.  You're supposed
498  * to jump into it and it will unpack itself.  We used to have to perform some
499  * hairy magic because the unpacking code scared me.
500  *
501  * Fortunately, Jeremy Fitzhardinge convinced me it wasn't that hard and wrote
502  * a small patch to jump over the tricky bits in the Guest, so now we just read
503  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go!
504  */
505 static unsigned long load_bzimage(int fd)
506 {
507         struct boot_params boot;
508         int r;
509         /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
510         void *p = from_guest_phys(0x100000);
511
512         /*
513          * Go back to the start of the file and read the header.  It should be
514          * a Linux boot header (see Documentation/x86/boot.txt)
515          */
516         lseek(fd, 0, SEEK_SET);
517         read(fd, &boot, sizeof(boot));
518
519         /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
520         if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
521                 errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
522
523         /* Skip over the extra sectors of the header. */
524         lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
525
526         /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
527         while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
528                 p += r;
529
530         /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
531         return boot.hdr.code32_start;
532 }
533
534 /*L:140
535  * Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
536  * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
537  * work, we can load those, too.
538  */
539 static unsigned long load_kernel(int fd)
540 {
541         Elf32_Ehdr hdr;
542
543         /* Read in the first few bytes. */
544         if (read(fd, &hdr, sizeof(hdr)) != sizeof(hdr))
545                 err(1, "Reading kernel");
546
547         /* If it's an ELF file, it starts with "\177ELF" */
548         if (memcmp(hdr.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) == 0)
549                 return map_elf(fd, &hdr);
550
551         /* Otherwise we assume it's a bzImage, and try to load it. */
552         return load_bzimage(fd);
553 }
554
555 /*
556  * This is a trivial little helper to align pages.  Andi Kleen hated it because
557  * it calls getpagesize() twice: "it's dumb code."
558  *
559  * Kernel guys get really het up about optimization, even when it's not
560  * necessary.  I leave this code as a reaction against that.
561  */
562 static inline unsigned long page_align(unsigned long addr)
563 {
564         /* Add upwards and truncate downwards. */
565         return ((addr + getpagesize()-1) & ~(getpagesize()-1));
566 }
567
568 /*L:180
569  * An "initial ram disk" is a disk image loaded into memory along with the
570  * kernel which the kernel can use to boot from without needing any drivers.
571  * Most distributions now use this as standard: the initrd contains the code to
572  * load the appropriate driver modules for the current machine.
573  *
574  * Importantly, James Morris works for RedHat, and Fedora uses initrds for its
575  * kernels.  He sent me this (and tells me when I break it).
576  */
577 static unsigned long load_initrd(const char *name, unsigned long mem)
578 {
579         int ifd;
580         struct stat st;
581         unsigned long len;
582
583         ifd = open_or_die(name, O_RDONLY);
584         /* fstat() is needed to get the file size. */
585         if (fstat(ifd, &st) < 0)
586                 err(1, "fstat() on initrd '%s'", name);
587
588         /*
589          * We map the initrd at the top of memory, but mmap wants it to be
590          * page-aligned, so we round the size up for that.
591          */
592         len = page_align(st.st_size);
593         map_at(ifd, from_guest_phys(mem - len), 0, st.st_size);
594         /*
595          * Once a file is mapped, you can close the file descriptor.  It's a
596          * little odd, but quite useful.
597          */
598         close(ifd);
599         verbose("mapped initrd %s size=%lu @ %p\n", name, len, (void*)mem-len);
600
601         /* We return the initrd size. */
602         return len;
603 }
604 /*:*/
605
606 /*
607  * Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
608  * between them.
609  */
610 static void concat(char *dst, char *args[])
611 {
612         unsigned int i, len = 0;
613
614         for (i = 0; args[i]; i++) {
615                 if (i) {
616                         strcat(dst+len, " ");
617                         len++;
618                 }
619                 strcpy(dst+len, args[i]);
620                 len += strlen(args[i]);
621         }
622         /* In case it's empty. */
623         dst[len] = '\0';
624 }
625
626 /*L:185
627  * This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
628  * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
629  * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow and the
630  * entry point for the Guest.
631  */
632 static void tell_kernel(unsigned long start)
633 {
634         unsigned long args[] = { LHREQ_INITIALIZE,
635                                  (unsigned long)guest_base,
636                                  guest_limit / getpagesize(), start,
637                                  (guest_mmio+getpagesize()-1) / getpagesize() };
638         verbose("Guest: %p - %p (%#lx, MMIO %#lx)\n",
639                 guest_base, guest_base + guest_limit,
640                 guest_limit, guest_mmio);
641         lguest_fd = open_or_die("/dev/lguest", O_RDWR);
642         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
643                 err(1, "Writing to /dev/lguest");
644 }
645 /*:*/
646
647 /*L:200
648  * Device Handling.
649  *
650  * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
651  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
652  * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
653  * if something funny is going on:
654  */
655 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
656                             unsigned int line)
657 {
658         /*
659          * Check if the requested address and size exceeds the allocated memory,
660          * or addr + size wraps around.
661          */
662         if ((addr + size) > guest_limit || (addr + size) < addr)
663                 errx(1, "%s:%i: Invalid address %#lx", __FILE__, line, addr);
664         /*
665          * We return a pointer for the caller's convenience, now we know it's
666          * safe to use.
667          */
668         return from_guest_phys(addr);
669 }
670 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
671 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
672
673 /*
674  * Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
675  * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
676  * at the end.
677  */
678 static unsigned next_desc(struct vring_desc *desc,
679                           unsigned int i, unsigned int max)
680 {
681         unsigned int next;
682
683         /* If this descriptor says it doesn't chain, we're done. */
684         if (!(desc[i].flags & VRING_DESC_F_NEXT))
685                 return max;
686
687         /* Check they're not leading us off end of descriptors. */
688         next = desc[i].next;
689         /* Make sure compiler knows to grab that: we don't want it changing! */
690         wmb();
691
692         if (next >= max)
693                 errx(1, "Desc next is %u", next);
694
695         return next;
696 }
697
698 /*
699  * This actually sends the interrupt for this virtqueue, if we've used a
700  * buffer.
701  */
702 static void trigger_irq(struct virtqueue *vq)
703 {
704         unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
705
706         /* Don't inform them if nothing used. */
707         if (!vq->pending_used)
708                 return;
709         vq->pending_used = 0;
710
711         /* If they don't want an interrupt, don't send one... */
712         if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) {
713                 return;
714         }
715
716         /* For a PCI device, set isr to 1 (queue interrupt pending) */
717         if (vq->dev->mmio)
718                 vq->dev->mmio->isr = 0x1;
719
720         /* Send the Guest an interrupt tell them we used something up. */
721         if (write(lguest_fd, buf, sizeof(buf)) != 0)
722                 err(1, "Triggering irq %i", vq->config.irq);
723 }
724
725 /*
726  * This looks in the virtqueue for the first available buffer, and converts
727  * it to an iovec for convenient access.  Since descriptors consist of some
728  * number of output then some number of input descriptors, it's actually two
729  * iovecs, but we pack them into one and note how many of each there were.
730  *
731  * This function waits if necessary, and returns the descriptor number found.
732  */
733 static unsigned wait_for_vq_desc(struct virtqueue *vq,
734                                  struct iovec iov[],
735                                  unsigned int *out_num, unsigned int *in_num)
736 {
737         unsigned int i, head, max;
738         struct vring_desc *desc;
739         u16 last_avail = lg_last_avail(vq);
740
741         /* There's nothing available? */
742         while (last_avail == vq->vring.avail->idx) {
743                 u64 event;
744
745                 /*
746                  * Since we're about to sleep, now is a good time to tell the
747                  * Guest about what we've used up to now.
748                  */
749                 trigger_irq(vq);
750
751                 /* OK, now we need to know about added descriptors. */
752                 vq->vring.used->flags &= ~VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
753
754                 /*
755                  * They could have slipped one in as we were doing that: make
756                  * sure it's written, then check again.
757                  */
758                 mb();
759                 if (last_avail != vq->vring.avail->idx) {
760                         vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
761                         break;
762                 }
763
764                 /* Nothing new?  Wait for eventfd to tell us they refilled. */
765                 if (read(vq->eventfd, &event, sizeof(event)) != sizeof(event))
766                         errx(1, "Event read failed?");
767
768                 /* We don't need to be notified again. */
769                 vq->vring.used->flags |= VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
770         }
771
772         /* Check it isn't doing very strange things with descriptor numbers. */
773         if ((u16)(vq->vring.avail->idx - last_avail) > vq->vring.num)
774                 errx(1, "Guest moved used index from %u to %u",
775                      last_avail, vq->vring.avail->idx);
776
777         /* 
778          * Make sure we read the descriptor number *after* we read the ring
779          * update; don't let the cpu or compiler change the order.
780          */
781         rmb();
782
783         /*
784          * Grab the next descriptor number they're advertising, and increment
785          * the index we've seen.
786          */
787         head = vq->vring.avail->ring[last_avail % vq->vring.num];
788         lg_last_avail(vq)++;
789
790         /* If their number is silly, that's a fatal mistake. */
791         if (head >= vq->vring.num)
792                 errx(1, "Guest says index %u is available", head);
793
794         /* When we start there are none of either input nor output. */
795         *out_num = *in_num = 0;
796
797         max = vq->vring.num;
798         desc = vq->vring.desc;
799         i = head;
800
801         /*
802          * We have to read the descriptor after we read the descriptor number,
803          * but there's a data dependency there so the CPU shouldn't reorder
804          * that: no rmb() required.
805          */
806
807         /*
808          * If this is an indirect entry, then this buffer contains a descriptor
809          * table which we handle as if it's any normal descriptor chain.
810          */
811         if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_INDIRECT) {
812                 if (desc[i].len % sizeof(struct vring_desc))
813                         errx(1, "Invalid size for indirect buffer table");
814
815                 max = desc[i].len / sizeof(struct vring_desc);
816                 desc = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
817                 i = 0;
818         }
819
820         do {
821                 /* Grab the first descriptor, and check it's OK. */
822                 iov[*out_num + *in_num].iov_len = desc[i].len;
823                 iov[*out_num + *in_num].iov_base
824                         = check_pointer(desc[i].addr, desc[i].len);
825                 /* If this is an input descriptor, increment that count. */
826                 if (desc[i].flags & VRING_DESC_F_WRITE)
827                         (*in_num)++;
828                 else {
829                         /*
830                          * If it's an output descriptor, they're all supposed
831                          * to come before any input descriptors.
832                          */
833                         if (*in_num)
834                                 errx(1, "Descriptor has out after in");
835                         (*out_num)++;
836                 }
837
838                 /* If we've got too many, that implies a descriptor loop. */
839                 if (*out_num + *in_num > max)
840                         errx(1, "Looped descriptor");
841         } while ((i = next_desc(desc, i, max)) != max);
842
843         return head;
844 }
845
846 /*
847  * After we've used one of their buffers, we tell the Guest about it.  Sometime
848  * later we'll want to send them an interrupt using trigger_irq(); note that
849  * wait_for_vq_desc() does that for us if it has to wait.
850  */
851 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
852 {
853         struct vring_used_elem *used;
854
855         /*
856          * The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
857          * next entry in that used ring.
858          */
859         used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
860         used->id = head;
861         used->len = len;
862         /* Make sure buffer is written before we update index. */
863         wmb();
864         vq->vring.used->idx++;
865         vq->pending_used++;
866 }
867
868 /* And here's the combo meal deal.  Supersize me! */
869 static void add_used_and_trigger(struct virtqueue *vq, unsigned head, int len)
870 {
871         add_used(vq, head, len);
872         trigger_irq(vq);
873 }
874
875 /*
876  * The Console
877  *
878  * We associate some data with the console for our exit hack.
879  */
880 struct console_abort {
881         /* How many times have they hit ^C? */
882         int count;
883         /* When did they start? */
884         struct timeval start;
885 };
886
887 /* This is the routine which handles console input (ie. stdin). */
888 static void console_input(struct virtqueue *vq)
889 {
890         int len;
891         unsigned int head, in_num, out_num;
892         struct console_abort *abort = vq->dev->priv;
893         struct iovec iov[vq->vring.num];
894
895         /* Make sure there's a descriptor available. */
896         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
897         if (out_num)
898                 errx(1, "Output buffers in console in queue?");
899
900         /* Read into it.  This is where we usually wait. */
901         len = readv(STDIN_FILENO, iov, in_num);
902         if (len <= 0) {
903                 /* Ran out of input? */
904                 warnx("Failed to get console input, ignoring console.");
905                 /*
906                  * For simplicity, dying threads kill the whole Launcher.  So
907                  * just nap here.
908                  */
909                 for (;;)
910                         pause();
911         }
912
913         /* Tell the Guest we used a buffer. */
914         add_used_and_trigger(vq, head, len);
915
916         /*
917          * Three ^C within one second?  Exit.
918          *
919          * This is such a hack, but works surprisingly well.  Each ^C has to
920          * be in a buffer by itself, so they can't be too fast.  But we check
921          * that we get three within about a second, so they can't be too
922          * slow.
923          */
924         if (len != 1 || ((char *)iov[0].iov_base)[0] != 3) {
925                 abort->count = 0;
926                 return;
927         }
928
929         abort->count++;
930         if (abort->count == 1)
931                 gettimeofday(&abort->start, NULL);
932         else if (abort->count == 3) {
933                 struct timeval now;
934                 gettimeofday(&now, NULL);
935                 /* Kill all Launcher processes with SIGINT, like normal ^C */
936                 if (now.tv_sec <= abort->start.tv_sec+1)
937                         kill(0, SIGINT);
938                 abort->count = 0;
939         }
940 }
941
942 /* This is the routine which handles console output (ie. stdout). */
943 static void console_output(struct virtqueue *vq)
944 {
945         unsigned int head, out, in;
946         struct iovec iov[vq->vring.num];
947
948         /* We usually wait in here, for the Guest to give us something. */
949         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
950         if (in)
951                 errx(1, "Input buffers in console output queue?");
952
953         /* writev can return a partial write, so we loop here. */
954         while (!iov_empty(iov, out)) {
955                 int len = writev(STDOUT_FILENO, iov, out);
956                 if (len <= 0) {
957                         warn("Write to stdout gave %i (%d)", len, errno);
958                         break;
959                 }
960                 iov_consume(iov, out, NULL, len);
961         }
962
963         /*
964          * We're finished with that buffer: if we're going to sleep,
965          * wait_for_vq_desc() will prod the Guest with an interrupt.
966          */
967         add_used(vq, head, 0);
968 }
969
970 /*
971  * The Network
972  *
973  * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
974  * and write them to /dev/net/tun.
975  */
976 struct net_info {
977         int tunfd;
978 };
979
980 static void net_output(struct virtqueue *vq)
981 {
982         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
983         unsigned int head, out, in;
984         struct iovec iov[vq->vring.num];
985
986         /* We usually wait in here for the Guest to give us a packet. */
987         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
988         if (in)
989                 errx(1, "Input buffers in net output queue?");
990         /*
991          * Send the whole thing through to /dev/net/tun.  It expects the exact
992          * same format: what a coincidence!
993          */
994         if (writev(net_info->tunfd, iov, out) < 0)
995                 warnx("Write to tun failed (%d)?", errno);
996
997         /*
998          * Done with that one; wait_for_vq_desc() will send the interrupt if
999          * all packets are processed.
1000          */
1001         add_used(vq, head, 0);
1002 }
1003
1004 /*
1005  * Handling network input is a bit trickier, because I've tried to optimize it.
1006  *
1007  * First we have a helper routine which tells is if from this file descriptor
1008  * (ie. the /dev/net/tun device) will block:
1009  */
1010 static bool will_block(int fd)
1011 {
1012         fd_set fdset;
1013         struct timeval zero = { 0, 0 };
1014         FD_ZERO(&fdset);
1015         FD_SET(fd, &fdset);
1016         return select(fd+1, &fdset, NULL, NULL, &zero) != 1;
1017 }
1018
1019 /*
1020  * This handles packets coming in from the tun device to our Guest.  Like all
1021  * service routines, it gets called again as soon as it returns, so you don't
1022  * see a while(1) loop here.
1023  */
1024 static void net_input(struct virtqueue *vq)
1025 {
1026         int len;
1027         unsigned int head, out, in;
1028         struct iovec iov[vq->vring.num];
1029         struct net_info *net_info = vq->dev->priv;
1030
1031         /*
1032          * Get a descriptor to write an incoming packet into.  This will also
1033          * send an interrupt if they're out of descriptors.
1034          */
1035         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out, &in);
1036         if (out)
1037                 errx(1, "Output buffers in net input queue?");
1038
1039         /*
1040          * If it looks like we'll block reading from the tun device, send them
1041          * an interrupt.
1042          */
1043         if (vq->pending_used && will_block(net_info->tunfd))
1044                 trigger_irq(vq);
1045
1046         /*
1047          * Read in the packet.  This is where we normally wait (when there's no
1048          * incoming network traffic).
1049          */
1050         len = readv(net_info->tunfd, iov, in);
1051         if (len <= 0)
1052                 warn("Failed to read from tun (%d).", errno);
1053
1054         /*
1055          * Mark that packet buffer as used, but don't interrupt here.  We want
1056          * to wait until we've done as much work as we can.
1057          */
1058         add_used(vq, head, len);
1059 }
1060 /*:*/
1061
1062 /* This is the helper to create threads: run the service routine in a loop. */
1063 static int do_thread(void *_vq)
1064 {
1065         struct virtqueue *vq = _vq;
1066
1067         for (;;)
1068                 vq->service(vq);
1069         return 0;
1070 }
1071
1072 /*
1073  * When a child dies, we kill our entire process group with SIGTERM.  This
1074  * also has the side effect that the shell restores the console for us!
1075  */
1076 static void kill_launcher(int signal)
1077 {
1078         kill(0, SIGTERM);
1079 }
1080
1081 static void reset_device(struct device *dev)
1082 {
1083         struct virtqueue *vq;
1084
1085         verbose("Resetting device %s\n", dev->name);
1086
1087         /* Clear any features they've acked. */
1088         memset(get_feature_bits(dev) + dev->feature_len, 0, dev->feature_len);
1089
1090         /* We're going to be explicitly killing threads, so ignore them. */
1091         signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
1092
1093         /* Zero out the virtqueues, get rid of their threads */
1094         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1095                 if (vq->thread != (pid_t)-1) {
1096                         kill(vq->thread, SIGTERM);
1097                         waitpid(vq->thread, NULL, 0);
1098                         vq->thread = (pid_t)-1;
1099                 }
1100                 memset(vq->vring.desc, 0,
1101                        vring_size(vq->config.num, LGUEST_VRING_ALIGN));
1102                 lg_last_avail(vq) = 0;
1103         }
1104         dev->running = false;
1105
1106         /* Now we care if threads die. */
1107         signal(SIGCHLD, (void *)kill_launcher);
1108 }
1109
1110 /*L:216
1111  * This actually creates the thread which services the virtqueue for a device.
1112  */
1113 static void create_thread(struct virtqueue *vq)
1114 {
1115         /*
1116          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1117          * the stack pointer to the end of this region.
1118          */
1119         char *stack = malloc(32768);
1120         unsigned long args[] = { LHREQ_EVENTFD,
1121                                  vq->config.pfn*getpagesize(), 0 };
1122
1123         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1124         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1125         if (vq->eventfd < 0)
1126                 err(1, "Creating eventfd");
1127         args[2] = vq->eventfd;
1128
1129         /*
1130          * Attach an eventfd to this virtqueue: it will go off when the Guest
1131          * does an LHCALL_NOTIFY for this vq.
1132          */
1133         if (write(lguest_fd, &args, sizeof(args)) != 0)
1134                 err(1, "Attaching eventfd");
1135
1136         /*
1137          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1138          * we get a signal if it dies.
1139          */
1140         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1141         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1142                 err(1, "Creating clone");
1143
1144         /* We close our local copy now the child has it. */
1145         close(vq->eventfd);
1146 }
1147
1148 static void start_device(struct device *dev)
1149 {
1150         unsigned int i;
1151         struct virtqueue *vq;
1152
1153         verbose("Device %s OK: offered", dev->name);
1154         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
1155                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)[i]);
1156         verbose(", accepted");
1157         for (i = 0; i < dev->feature_len; i++)
1158                 verbose(" %02x", get_feature_bits(dev)
1159                         [dev->feature_len+i]);
1160
1161         for (vq = dev->vq; vq; vq = vq->next) {
1162                 if (vq->service)
1163                         create_thread(vq);
1164         }
1165         dev->running = true;
1166 }
1167
1168 static void cleanup_devices(void)
1169 {
1170         struct device *dev;
1171
1172         for (dev = devices.dev; dev; dev = dev->next)
1173                 reset_device(dev);
1174
1175         /* If we saved off the original terminal settings, restore them now. */
1176         if (orig_term.c_lflag & (ISIG|ICANON|ECHO))
1177                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &orig_term);
1178 }
1179
1180 /* When the Guest tells us they updated the status field, we handle it. */
1181 static void update_device_status(struct device *dev)
1182 {
1183         /* A zero status is a reset, otherwise it's a set of flags. */
1184         if (dev->desc->status == 0)
1185                 reset_device(dev);
1186         else if (dev->desc->status & VIRTIO_CONFIG_S_FAILED) {
1187                 warnx("Device %s configuration FAILED", dev->name);
1188                 if (dev->running)
1189                         reset_device(dev);
1190         } else {
1191                 if (dev->running)
1192                         err(1, "Device %s features finalized twice", dev->name);
1193                 start_device(dev);
1194         }
1195 }
1196
1197 /*L:215
1198  * This is the generic routine we call when the Guest uses LHCALL_NOTIFY.  In
1199  * particular, it's used to notify us of device status changes during boot.
1200  */
1201 static void handle_output(unsigned long addr)
1202 {
1203         struct device *i;
1204
1205         /* Check each device. */
1206         for (i = devices.dev; i; i = i->next) {
1207                 struct virtqueue *vq;
1208
1209                 /*
1210                  * Notifications to device descriptors mean they updated the
1211                  * device status.
1212                  */
1213                 if (from_guest_phys(addr) == i->desc) {
1214                         update_device_status(i);
1215                         return;
1216                 }
1217
1218                 /* Devices should not be used before features are finalized. */
1219                 for (vq = i->vq; vq; vq = vq->next) {
1220                         if (addr != vq->config.pfn*getpagesize())
1221                                 continue;
1222                         errx(1, "Notification on %s before setup!", i->name);
1223                 }
1224         }
1225
1226         /*
1227          * Early console write is done using notify on a nul-terminated string
1228          * in Guest memory.  It's also great for hacking debugging messages
1229          * into a Guest.
1230          */
1231         if (addr >= guest_limit)
1232                 errx(1, "Bad NOTIFY %#lx", addr);
1233
1234         write(STDOUT_FILENO, from_guest_phys(addr),
1235               strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
1236 }
1237
1238 /*L:217
1239  * We do PCI.  This is mainly done to let us test the kernel virtio PCI
1240  * code.
1241  */
1242
1243 /* Linux expects a PCI host bridge: ours is a dummy, and first on the bus. */
1244 static struct device pci_host_bridge;
1245
1246 static void init_pci_host_bridge(void)
1247 {
1248         pci_host_bridge.name = "PCI Host Bridge";
1249         pci_host_bridge.config.class = 0x06; /* bridge */
1250         pci_host_bridge.config.subclass = 0; /* host bridge */
1251         devices.pci[0] = &pci_host_bridge;
1252 }
1253
1254 /* The IO ports used to read the PCI config space. */
1255 #define PCI_CONFIG_ADDR 0xCF8
1256 #define PCI_CONFIG_DATA 0xCFC
1257
1258 /*
1259  * Not really portable, but does help readability: this is what the Guest
1260  * writes to the PCI_CONFIG_ADDR IO port.
1261  */
1262 union pci_config_addr {
1263         struct {
1264                 unsigned mbz: 2;
1265                 unsigned offset: 6;
1266                 unsigned funcnum: 3;
1267                 unsigned devnum: 5;
1268                 unsigned busnum: 8;
1269                 unsigned reserved: 7;
1270                 unsigned enabled : 1;
1271         } bits;
1272         u32 val;
1273 };
1274
1275 /*
1276  * We cache what they wrote to the address port, so we know what they're
1277  * talking about when they access the data port.
1278  */
1279 static union pci_config_addr pci_config_addr;
1280
1281 static struct device *find_pci_device(unsigned int index)
1282 {
1283         return devices.pci[index];
1284 }
1285
1286 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte reads; we handle that here. */
1287 static void ioread(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *val)
1288 {
1289         assert(off < 4);
1290         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1291         *val = (v >> (off * 8)) & mask;
1292 }
1293
1294 /* PCI can do 1, 2 and 4 byte writes; we handle that here. */
1295 static void iowrite(u16 off, u32 v, u32 mask, u32 *dst)
1296 {
1297         assert(off < 4);
1298         assert(mask == 0xFF || mask == 0xFFFF || mask == 0xFFFFFFFF);
1299         *dst &= ~(mask << (off * 8));
1300         *dst |= (v & mask) << (off * 8);
1301 }
1302
1303 /*
1304  * Where PCI_CONFIG_DATA accesses depends on the previous write to
1305  * PCI_CONFIG_ADDR.
1306  */
1307 static struct device *dev_and_reg(u32 *reg)
1308 {
1309         if (!pci_config_addr.bits.enabled)
1310                 return NULL;
1311
1312         if (pci_config_addr.bits.funcnum != 0)
1313                 return NULL;
1314
1315         if (pci_config_addr.bits.busnum != 0)
1316                 return NULL;
1317
1318         if (pci_config_addr.bits.offset * 4 >= sizeof(struct pci_config))
1319                 return NULL;
1320
1321         *reg = pci_config_addr.bits.offset;
1322         return find_pci_device(pci_config_addr.bits.devnum);
1323 }
1324
1325 /* Is this accessing the PCI config address port?. */
1326 static bool is_pci_addr_port(u16 port)
1327 {
1328         return port >= PCI_CONFIG_ADDR && port < PCI_CONFIG_ADDR + 4;
1329 }
1330
1331 static bool pci_addr_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1332 {
1333         iowrite(port - PCI_CONFIG_ADDR, val, mask,
1334                 &pci_config_addr.val);
1335         verbose("PCI%s: %#x/%x: bus %u dev %u func %u reg %u\n",
1336                 pci_config_addr.bits.enabled ? "" : " DISABLED",
1337                 val, mask,
1338                 pci_config_addr.bits.busnum,
1339                 pci_config_addr.bits.devnum,
1340                 pci_config_addr.bits.funcnum,
1341                 pci_config_addr.bits.offset);
1342         return true;
1343 }
1344
1345 static void pci_addr_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1346 {
1347         ioread(port - PCI_CONFIG_ADDR, pci_config_addr.val, mask, val);
1348 }
1349
1350 /* Is this accessing the PCI config data port?. */
1351 static bool is_pci_data_port(u16 port)
1352 {
1353         return port >= PCI_CONFIG_DATA && port < PCI_CONFIG_DATA + 4;
1354 }
1355
1356 static bool pci_data_iowrite(u16 port, u32 mask, u32 val)
1357 {
1358         u32 reg, portoff;
1359         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1360
1361         /* Complain if they don't belong to a device. */
1362         if (!d)
1363                 return false;
1364
1365         /* They can do 1 byte writes, etc. */
1366         portoff = port - PCI_CONFIG_DATA;
1367
1368         /*
1369          * PCI uses a weird way to determine the BAR size: the OS
1370          * writes all 1's, and sees which ones stick.
1371          */
1372         if (&d->config_words[reg] == &d->config.bar[0]) {
1373                 int i;
1374
1375                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config.bar[0]);
1376                 for (i = 0; (1 << i) < d->mmio_size; i++)
1377                         d->config.bar[0] &= ~(1 << i);
1378                 return true;
1379         } else if ((&d->config_words[reg] > &d->config.bar[0]
1380                     && &d->config_words[reg] <= &d->config.bar[6])
1381                    || &d->config_words[reg] == &d->config.expansion_rom_addr) {
1382                 /* Allow writing to any other BAR, or expansion ROM */
1383                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1384                 return true;
1385                 /* We let them overide latency timer and cacheline size */
1386         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.cacheline_size) {
1387                 /* Only let them change the first two fields. */
1388                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1389                         mask = 0xFFFF;
1390                 iowrite(portoff, val, mask, &d->config_words[reg]);
1391                 return true;
1392         } else if (&d->config_words[reg] == (void *)&d->config.command
1393                    && mask == 0xFFFF) {
1394                 /* Ignore command writes. */
1395                 return true;
1396         }
1397
1398         /* Complain about other writes. */
1399         return false;
1400 }
1401
1402 static void pci_data_ioread(u16 port, u32 mask, u32 *val)
1403 {
1404         u32 reg;
1405         struct device *d = dev_and_reg(&reg);
1406
1407         if (!d)
1408                 return;
1409         ioread(port - PCI_CONFIG_DATA, d->config_words[reg], mask, val);
1410 }
1411
1412 /*L:216
1413  * This is where we emulate a handful of Guest instructions.  It's ugly
1414  * and we used to do it in the kernel but it grew over time.
1415  */
1416
1417 /*
1418  * We use the ptrace syscall's pt_regs struct to talk about registers
1419  * to lguest: these macros convert the names to the offsets.
1420  */
1421 #define getreg(name) getreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name))
1422 #define setreg(name, val) \
1423         setreg_off(offsetof(struct user_regs_struct, name), (val))
1424
1425 static u32 getreg_off(size_t offset)
1426 {
1427         u32 r;
1428         unsigned long args[] = { LHREQ_GETREG, offset };
1429
1430         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1431                 err(1, "Getting register %u", offset);
1432         if (pread(lguest_fd, &r, sizeof(r), cpu_id) != sizeof(r))
1433                 err(1, "Reading register %u", offset);
1434
1435         return r;
1436 }
1437
1438 static void setreg_off(size_t offset, u32 val)
1439 {
1440         unsigned long args[] = { LHREQ_SETREG, offset, val };
1441
1442         if (pwrite(lguest_fd, args, sizeof(args), cpu_id) < 0)
1443                 err(1, "Setting register %u", offset);
1444 }
1445
1446 /* Get register by instruction encoding */
1447 static u32 getreg_num(unsigned regnum, u32 mask)
1448 {
1449         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1450         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4))
1451                 return getreg_num(regnum & 0x3, 0xFFFF) >> 8;
1452
1453         switch (regnum) {
1454         case 0: return getreg(eax) & mask;
1455         case 1: return getreg(ecx) & mask;
1456         case 2: return getreg(edx) & mask;
1457         case 3: return getreg(ebx) & mask;
1458         case 4: return getreg(esp) & mask;
1459         case 5: return getreg(ebp) & mask;
1460         case 6: return getreg(esi) & mask;
1461         case 7: return getreg(edi) & mask;
1462         }
1463         abort();
1464 }
1465
1466 /* Set register by instruction encoding */
1467 static void setreg_num(unsigned regnum, u32 val, u32 mask)
1468 {
1469         /* Don't try to set bits out of range */
1470         assert(~(val & ~mask));
1471
1472         /* 8 bit ops use regnums 4-7 for high parts of word */
1473         if (mask == 0xFF && (regnum & 0x4)) {
1474                 /* Construct the 16 bits we want. */
1475                 val = (val << 8) | getreg_num(regnum & 0x3, 0xFF);
1476                 setreg_num(regnum & 0x3, val, 0xFFFF);
1477                 return;
1478         }
1479
1480         switch (regnum) {
1481         case 0: setreg(eax, val | (getreg(eax) & ~mask)); return;
1482         case 1: setreg(ecx, val | (getreg(ecx) & ~mask)); return;
1483         case 2: setreg(edx, val | (getreg(edx) & ~mask)); return;
1484         case 3: setreg(ebx, val | (getreg(ebx) & ~mask)); return;
1485         case 4: setreg(esp, val | (getreg(esp) & ~mask)); return;
1486         case 5: setreg(ebp, val | (getreg(ebp) & ~mask)); return;
1487         case 6: setreg(esi, val | (getreg(esi) & ~mask)); return;
1488         case 7: setreg(edi, val | (getreg(edi) & ~mask)); return;
1489         }
1490         abort();
1491 }
1492
1493 /* Get bytes of displacement appended to instruction, from r/m encoding */
1494 static u32 insn_displacement_len(u8 mod_reg_rm)
1495 {
1496         /* Switch on the mod bits */
1497         switch (mod_reg_rm >> 6) {
1498         case 0:
1499                 /* If mod == 0, and r/m == 101, 16-bit displacement follows */
1500                 if ((mod_reg_rm & 0x7) == 0x5)
1501                         return 2;
1502                 /* Normally, mod == 0 means no literal displacement */
1503                 return 0;
1504         case 1:
1505                 /* One byte displacement */
1506                 return 1;
1507         case 2:
1508                 /* Four byte displacement */
1509                 return 4;
1510         case 3:
1511                 /* Register mode */
1512                 return 0;
1513         }
1514         abort();
1515 }
1516
1517 static void emulate_insn(const u8 insn[])
1518 {
1519         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 13 };
1520         unsigned int insnlen = 0, in = 0, small_operand = 0, byte_access;
1521         unsigned int eax, port, mask;
1522         /*
1523          * Default is to return all-ones on IO port reads, which traditionally
1524          * means "there's nothing there".
1525          */
1526         u32 val = 0xFFFFFFFF;
1527
1528         /*
1529          * This must be the Guest kernel trying to do something, not userspace!
1530          * The bottom two bits of the CS segment register are the privilege
1531          * level.
1532          */
1533         if ((getreg(xcs) & 3) != 0x1)
1534                 goto no_emulate;
1535
1536         /* Decoding x86 instructions is icky. */
1537
1538         /*
1539          * Around 2.6.33, the kernel started using an emulation for the
1540          * cmpxchg8b instruction in early boot on many configurations.  This
1541          * code isn't paravirtualized, and it tries to disable interrupts.
1542          * Ignore it, which will Mostly Work.
1543          */
1544         if (insn[insnlen] == 0xfa) {
1545                 /* "cli", or Clear Interrupt Enable instruction.  Skip it. */
1546                 insnlen = 1;
1547                 goto skip_insn;
1548         }
1549
1550         /*
1551          * 0x66 is an "operand prefix".  It means a 16, not 32 bit in/out.
1552          */
1553         if (insn[insnlen] == 0x66) {
1554                 small_operand = 1;
1555                 /* The instruction is 1 byte so far, read the next byte. */
1556                 insnlen = 1;
1557         }
1558
1559         /* If the lower bit isn't set, it's a single byte access */
1560         byte_access = !(insn[insnlen] & 1);
1561
1562         /*
1563          * Now we can ignore the lower bit and decode the 4 opcodes
1564          * we need to emulate.
1565          */
1566         switch (insn[insnlen] & 0xFE) {
1567         case 0xE4: /* in     <next byte>,%al */
1568                 port = insn[insnlen+1];
1569                 insnlen += 2;
1570                 in = 1;
1571                 break;
1572         case 0xEC: /* in     (%dx),%al */
1573                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1574                 insnlen += 1;
1575                 in = 1;
1576                 break;
1577         case 0xE6: /* out    %al,<next byte> */
1578                 port = insn[insnlen+1];
1579                 insnlen += 2;
1580                 break;
1581         case 0xEE: /* out    %al,(%dx) */
1582                 port = getreg(edx) & 0xFFFF;
1583                 insnlen += 1;
1584                 break;
1585         default:
1586                 /* OK, we don't know what this is, can't emulate. */
1587                 goto no_emulate;
1588         }
1589
1590         /* Set a mask of the 1, 2 or 4 bytes, depending on size of IO */
1591         if (byte_access)
1592                 mask = 0xFF;
1593         else if (small_operand)
1594                 mask = 0xFFFF;
1595         else
1596                 mask = 0xFFFFFFFF;
1597
1598         /*
1599          * If it was an "IN" instruction, they expect the result to be read
1600          * into %eax, so we change %eax.
1601          */
1602         eax = getreg(eax);
1603
1604         if (in) {
1605                 /* This is the PS/2 keyboard status; 1 means ready for output */
1606                 if (port == 0x64)
1607                         val = 1;
1608                 else if (is_pci_addr_port(port))
1609                         pci_addr_ioread(port, mask, &val);
1610                 else if (is_pci_data_port(port))
1611                         pci_data_ioread(port, mask, &val);
1612
1613                 /* Clear the bits we're about to read */
1614                 eax &= ~mask;
1615                 /* Copy bits in from val. */
1616                 eax |= val & mask;
1617                 /* Now update the register. */
1618                 setreg(eax, eax);
1619         } else {
1620                 if (is_pci_addr_port(port)) {
1621                         if (!pci_addr_iowrite(port, mask, eax))
1622                                 goto bad_io;
1623                 } else if (is_pci_data_port(port)) {
1624                         if (!pci_data_iowrite(port, mask, eax))
1625                                 goto bad_io;
1626                 }
1627                 /* There are many other ports, eg. CMOS clock, serial
1628                  * and parallel ports, so we ignore them all. */
1629         }
1630
1631         verbose("IO %s of %x to %u: %#08x\n",
1632                 in ? "IN" : "OUT", mask, port, eax);
1633 skip_insn:
1634         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1635         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1636         return;
1637
1638 bad_io:
1639         warnx("Attempt to %s port %u (%#x mask)",
1640               in ? "read from" : "write to", port, mask);
1641
1642 no_emulate:
1643         /* Inject trap into Guest. */
1644         if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1645                 err(1, "Reinjecting trap 13 for fault at %#x", getreg(eip));
1646 }
1647
1648 static struct device *find_mmio_region(unsigned long paddr, u32 *off)
1649 {
1650         unsigned int i;
1651
1652         for (i = 1; i < MAX_PCI_DEVICES; i++) {
1653                 struct device *d = devices.pci[i];
1654
1655                 if (!d)
1656                         continue;
1657                 if (paddr < d->mmio_addr)
1658                         continue;
1659                 if (paddr >= d->mmio_addr + d->mmio_size)
1660                         continue;
1661                 *off = paddr - d->mmio_addr;
1662                 return d;
1663         }
1664         return NULL;
1665 }
1666
1667 /* FIXME: Use vq array. */
1668 static struct virtqueue *vq_by_num(struct device *d, u32 num)
1669 {
1670         struct virtqueue *vq = d->vq;
1671
1672         while (num-- && vq)
1673                 vq = vq->next;
1674
1675         return vq;
1676 }
1677
1678 static void save_vq_config(const struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1679                            struct virtqueue *vq)
1680 {
1681         vq->pci_config = *cfg;
1682 }
1683
1684 static void restore_vq_config(struct virtio_pci_common_cfg *cfg,
1685                               struct virtqueue *vq)
1686 {
1687         /* Only restore the per-vq part */
1688         size_t off = offsetof(struct virtio_pci_common_cfg, queue_size);
1689
1690         memcpy((void *)cfg + off, (void *)&vq->pci_config + off,
1691                sizeof(*cfg) - off);
1692 }
1693
1694 /*
1695  * When they enable the virtqueue, we check that their setup is valid.
1696  */
1697 static void enable_virtqueue(struct device *d, struct virtqueue *vq)
1698 {
1699         /*
1700          * Create stack for thread.  Since the stack grows upwards, we point
1701          * the stack pointer to the end of this region.
1702          */
1703         char *stack = malloc(32768);
1704
1705         /* Because lguest is 32 bit, all the descriptor high bits must be 0 */
1706         if (vq->pci_config.queue_desc_hi
1707             || vq->pci_config.queue_avail_hi
1708             || vq->pci_config.queue_used_hi)
1709                 errx(1, "%s: invalid 64-bit queue address", d->name);
1710
1711         /* Initialize the virtqueue and check they're all in range. */
1712         vq->vring.num = vq->pci_config.queue_size;
1713         vq->vring.desc = check_pointer(vq->pci_config.queue_desc_lo,
1714                                        sizeof(*vq->vring.desc) * vq->vring.num);
1715         vq->vring.avail = check_pointer(vq->pci_config.queue_avail_lo,
1716                                         sizeof(*vq->vring.avail)
1717                                         + (sizeof(vq->vring.avail->ring[0])
1718                                            * vq->vring.num));
1719         vq->vring.used = check_pointer(vq->pci_config.queue_used_lo,
1720                                        sizeof(*vq->vring.used)
1721                                        + (sizeof(vq->vring.used->ring[0])
1722                                           * vq->vring.num));
1723
1724
1725         /* Create a zero-initialized eventfd. */
1726         vq->eventfd = eventfd(0, 0);
1727         if (vq->eventfd < 0)
1728                 err(1, "Creating eventfd");
1729
1730         /*
1731          * CLONE_VM: because it has to access the Guest memory, and SIGCHLD so
1732          * we get a signal if it dies.
1733          */
1734         vq->thread = clone(do_thread, stack + 32768, CLONE_VM | SIGCHLD, vq);
1735         if (vq->thread == (pid_t)-1)
1736                 err(1, "Creating clone");
1737 }
1738
1739 static void reset_pci_device(struct device *dev)
1740 {
1741         /* FIXME */
1742 }
1743
1744 static void emulate_mmio_write(struct device *d, u32 off, u32 val, u32 mask)
1745 {
1746         struct virtqueue *vq;
1747
1748         switch (off) {
1749         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1750                 if (val == 0)
1751                         d->mmio->cfg.device_feature = d->features;
1752                 else if (val == 1)
1753                         d->mmio->cfg.device_feature = (d->features >> 32);
1754                 else
1755                         d->mmio->cfg.device_feature = 0;
1756                 goto write_through32;
1757         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1758                 if (val > 1)
1759                         errx(1, "%s: Unexpected driver select %u",
1760                              d->name, val);
1761                 goto write_through32;
1762         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1763                 if (d->mmio->cfg.guest_feature_select == 0) {
1764                         d->features_accepted &= ~((u64)0xFFFFFFFF);
1765                         d->features_accepted |= val;
1766                 } else {
1767                         assert(d->mmio->cfg.guest_feature_select == 1);
1768                         d->features_accepted &= ((u64)0xFFFFFFFF << 32);
1769                         d->features_accepted |= ((u64)val) << 32;
1770                 }
1771                 if (d->features_accepted & ~d->features)
1772                         errx(1, "%s: over-accepted features %#llx of %#llx",
1773                              d->name, d->features_accepted, d->features);
1774                 goto write_through32;
1775         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1776                 verbose("%s: device status -> %#x\n", d->name, val);
1777                 if (val == 0)
1778                         reset_pci_device(d);
1779                 goto write_through8;
1780         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_select):
1781                 vq = vq_by_num(d, val);
1782                 /* Out of range?  Return size 0 */
1783                 if (!vq) {
1784                         d->mmio->cfg.queue_size = 0;
1785                         goto write_through16;
1786                 }
1787                 /* Save registers for old vq, if it was a valid vq */
1788                 if (d->mmio->cfg.queue_size)
1789                         save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1790                                        vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1791                 /* Restore the registers for the queue they asked for */
1792                 restore_vq_config(&d->mmio->cfg, vq);
1793                 goto write_through16;
1794         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_size):
1795                 if (val & (val-1))
1796                         errx(1, "%s: invalid queue size %u\n", d->name, val);
1797                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1798                         errx(1, "%s: changing queue size on live device",
1799                              d->name);
1800                 goto write_through16;
1801         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_msix_vector):
1802                 errx(1, "%s: attempt to set MSIX vector to %u",
1803                      d->name, val);
1804         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_enable):
1805                 if (val != 1)
1806                         errx(1, "%s: setting queue_enable to %u", d->name, val);
1807                 d->mmio->cfg.queue_enable = val;
1808                 save_vq_config(&d->mmio->cfg,
1809                                vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1810                 enable_virtqueue(d, vq_by_num(d, d->mmio->cfg.queue_select));
1811                 goto write_through16;
1812         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_notify_off):
1813                 errx(1, "%s: attempt to write to queue_notify_off", d->name);
1814         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_lo):
1815         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_desc_hi):
1816         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_lo):
1817         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_avail_hi):
1818         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_lo):
1819         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.queue_used_hi):
1820                 if (d->mmio->cfg.queue_enable)
1821                         errx(1, "%s: changing queue on live device",
1822                              d->name);
1823                 goto write_through32;
1824         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1825                 vq = vq_by_num(d, val);
1826                 if (!vq)
1827                         errx(1, "Invalid vq notification on %u", val);
1828                 /* Notify the process handling this vq by adding 1 to eventfd */
1829                 write(vq->eventfd, "\1\0\0\0\0\0\0\0", 8);
1830                 goto write_through16;
1831         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1832                 errx(1, "%s: Unexpected write to isr", d->name);
1833         default:
1834                 errx(1, "%s: Unexpected write to offset %u", d->name, off);
1835         }
1836
1837 write_through32:
1838         if (mask != 0xFFFFFFFF) {
1839                 errx(1, "%s: non-32-bit write to offset %u (%#x)",
1840                      d->name, off, getreg(eip));
1841                 return;
1842         }
1843         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 4);
1844         return;
1845
1846 write_through16:
1847         if (mask != 0xFFFF)
1848                 errx(1, "%s: non-16-bit (%#x) write to offset %u (%#x)",
1849                      d->name, mask, off, getreg(eip));
1850         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 2);
1851         return;
1852
1853 write_through8:
1854         if (mask != 0xFF)
1855                 errx(1, "%s: non-8-bit write to offset %u (%#x)",
1856                      d->name, off, getreg(eip));
1857         memcpy((char *)d->mmio + off, &val, 1);
1858         return;
1859 }
1860
1861 static u32 emulate_mmio_read(struct device *d, u32 off, u32 mask)
1862 {
1863         u8 isr;
1864         u32 val = 0;
1865
1866         switch (off) {
1867         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature_select):
1868         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_feature):
1869         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature_select):
1870         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.guest_feature):
1871                 goto read_through32;
1872         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.msix_config):
1873                 errx(1, "%s: read of msix_config", d->name);
1874         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.num_queues):
1875                 goto read_through16;
1876         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.device_status):
1877         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg.config_generation):
1878                 goto read_through8;
1879         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, notify):
1880                 goto read_through16;
1881         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, isr):
1882                 if (mask != 0xFF)
1883                         errx(1, "%s: non-8-bit read from offset %u (%#x)",
1884                              d->name, off, getreg(eip));
1885                 /* Read resets the isr */
1886                 isr = d->mmio->isr;
1887                 d->mmio->isr = 0;
1888                 return isr;
1889         case offsetof(struct virtio_pci_mmio, padding):
1890                 errx(1, "%s: read from padding (%#x)",
1891                      d->name, getreg(eip));
1892         default:
1893                 /* Read from device config space, beware unaligned overflow */
1894                 if (off > d->mmio_size - 4)
1895                         errx(1, "%s: read past end (%#x)",
1896                              d->name, getreg(eip));
1897                 if (mask == 0xFFFFFFFF)
1898                         goto read_through32;
1899                 else if (mask == 0xFFFF)
1900                         goto read_through16;
1901                 else
1902                         goto read_through8;
1903         }
1904
1905 read_through32:
1906         if (mask != 0xFFFFFFFF)
1907                 errx(1, "%s: non-32-bit read to offset %u (%#x)",
1908                      d->name, off, getreg(eip));
1909         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 4);
1910         return val;
1911
1912 read_through16:
1913         if (mask != 0xFFFF)
1914                 errx(1, "%s: non-16-bit read to offset %u (%#x)",
1915                      d->name, off, getreg(eip));
1916         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 2);
1917         return val;
1918
1919 read_through8:
1920         if (mask != 0xFF)
1921                 errx(1, "%s: non-8-bit read to offset %u (%#x)",
1922                      d->name, off, getreg(eip));
1923         memcpy(&val, (char *)d->mmio + off, 1);
1924         return val;
1925 }
1926
1927 static void emulate_mmio(unsigned long paddr, const u8 *insn)
1928 {
1929         u32 val, off, mask = 0xFFFFFFFF, insnlen = 0;
1930         struct device *d = find_mmio_region(paddr, &off);
1931         unsigned long args[] = { LHREQ_TRAP, 14 };
1932
1933         if (!d) {
1934                 warnx("MMIO touching %#08lx (not a device)", paddr);
1935                 goto reinject;
1936         }
1937
1938         /* Prefix makes it a 16 bit op */
1939         if (insn[0] == 0x66) {
1940                 mask = 0xFFFF;
1941                 insnlen++;
1942         }
1943
1944         /* iowrite */
1945         if (insn[insnlen] == 0x89) {
1946                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1947                 val = getreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, mask);
1948                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
1949                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
1950         } else if (insn[insnlen] == 0x8b) { /* ioread */
1951                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1952                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
1953                 setreg_num((insn[insnlen+1] >> 3) & 0x7, val, mask);
1954                 insnlen += 2 + insn_displacement_len(insn[insnlen+1]);
1955         } else if (insn[0] == 0x88) { /* 8-bit iowrite */
1956                 mask = 0xff;
1957                 /* Next byte is r/m byte: bits 3-5 are register. */
1958                 val = getreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, mask);
1959                 emulate_mmio_write(d, off, val, mask);
1960                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
1961         } else if (insn[0] == 0x8a) { /* 8-bit ioread */
1962                 mask = 0xff;
1963                 val = emulate_mmio_read(d, off, mask);
1964                 setreg_num((insn[1] >> 3) & 0x7, val, mask);
1965                 insnlen = 2 + insn_displacement_len(insn[1]);
1966         } else {
1967                 warnx("Unknown MMIO instruction touching %#08lx:"
1968                      " %02x %02x %02x %02x at %u",
1969                      paddr, insn[0], insn[1], insn[2], insn[3], getreg(eip));
1970         reinject:
1971                 /* Inject trap into Guest. */
1972                 if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
1973                         err(1, "Reinjecting trap 14 for fault at %#x",
1974                             getreg(eip));
1975                 return;
1976         }
1977
1978         /* Finally, we've "done" the instruction, so move past it. */
1979         setreg(eip, getreg(eip) + insnlen);
1980 }
1981
1982 /*L:190
1983  * Device Setup
1984  *
1985  * All devices need a descriptor so the Guest knows it exists, and a "struct
1986  * device" so the Launcher can keep track of it.  We have common helper
1987  * routines to allocate and manage them.
1988  */
1989
1990 /*
1991  * The layout of the device page is a "struct lguest_device_desc" followed by a
1992  * number of virtqueue descriptors, then two sets of feature bits, then an
1993  * array of configuration bytes.  This routine returns the configuration
1994  * pointer.
1995  */
1996 static u8 *device_config(const struct device *dev)
1997 {
1998         return (void *)(dev->desc + 1)
1999                 + dev->num_vq * sizeof(struct lguest_vqconfig)
2000                 + dev->feature_len * 2;
2001 }
2002
2003 /*
2004  * This routine allocates a new "struct lguest_device_desc" from descriptor
2005  * table page just above the Guest's normal memory.  It returns a pointer to
2006  * that descriptor.
2007  */
2008 static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
2009 {
2010         struct lguest_device_desc d = { .type = type };
2011         void *p;
2012
2013         /* Figure out where the next device config is, based on the last one. */
2014         if (devices.lastdev)
2015                 p = device_config(devices.lastdev)
2016                         + devices.lastdev->desc->config_len;
2017         else
2018                 p = devices.descpage;
2019
2020         /* We only have one page for all the descriptors. */
2021         if (p + sizeof(d) > (void *)devices.descpage + getpagesize())
2022                 errx(1, "Too many devices");
2023
2024         /* p might not be aligned, so we memcpy in. */
2025         return memcpy(p, &d, sizeof(d));
2026 }
2027
2028 /*
2029  * Each device descriptor is followed by the description of its virtqueues.  We
2030  * specify how many descriptors the virtqueue is to have.
2031  */
2032 static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
2033                           void (*service)(struct virtqueue *))
2034 {
2035         unsigned int pages;
2036         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2037         void *p;
2038
2039         /* First we need some memory for this virtqueue. */
2040         pages = (vring_size(num_descs, LGUEST_VRING_ALIGN) + getpagesize() - 1)
2041                 / getpagesize();
2042         p = get_pages(pages);
2043
2044         /* Initialize the virtqueue */
2045         vq->next = NULL;
2046         vq->last_avail_idx = 0;
2047         vq->dev = dev;
2048
2049         /*
2050          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2051          * once it's running.
2052          */
2053         vq->service = service;
2054         vq->thread = (pid_t)-1;
2055
2056         /* Initialize the configuration. */
2057         vq->config.num = num_descs;
2058         vq->config.irq = devices.next_irq++;
2059         vq->config.pfn = to_guest_phys(p) / getpagesize();
2060
2061         /* Initialize the vring. */
2062         vring_init(&vq->vring, num_descs, p, LGUEST_VRING_ALIGN);
2063
2064         /*
2065          * Append virtqueue to this device's descriptor.  We use
2066          * device_config() to get the end of the device's current virtqueues;
2067          * we check that we haven't added any config or feature information
2068          * yet, otherwise we'd be overwriting them.
2069          */
2070         assert(dev->desc->config_len == 0 && dev->desc->feature_len == 0);
2071         memcpy(device_config(dev), &vq->config, sizeof(vq->config));
2072         dev->num_vq++;
2073         dev->desc->num_vq++;
2074
2075         verbose("Virtqueue page %#lx\n", to_guest_phys(p));
2076
2077         /*
2078          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2079          * second.
2080          */
2081         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2082         *i = vq;
2083 }
2084
2085 static void add_pci_virtqueue(struct device *dev,
2086                               void (*service)(struct virtqueue *))
2087 {
2088         struct virtqueue **i, *vq = malloc(sizeof(*vq));
2089
2090         /* Initialize the virtqueue */
2091         vq->next = NULL;
2092         vq->last_avail_idx = 0;
2093         vq->dev = dev;
2094
2095         /*
2096          * This is the routine the service thread will run, and its Process ID
2097          * once it's running.
2098          */
2099         vq->service = service;
2100         vq->thread = (pid_t)-1;
2101
2102         /* Initialize the configuration. */
2103         vq->pci_config.queue_size = VIRTQUEUE_NUM;
2104         vq->pci_config.queue_enable = 0;
2105         vq->pci_config.queue_notify_off = 0;
2106
2107         /* Add one to the number of queues */
2108         vq->dev->mmio->cfg.num_queues++;
2109
2110         /* FIXME: Do irq per virtqueue, not per device. */
2111         vq->config.irq = vq->dev->config.irq_line;
2112
2113         /*
2114          * Add to tail of list, so dev->vq is first vq, dev->vq->next is
2115          * second.
2116          */
2117         for (i = &dev->vq; *i; i = &(*i)->next);
2118         *i = vq;
2119 }
2120
2121 /*
2122  * The first half of the feature bitmask is for us to advertise features.  The
2123  * second half is for the Guest to accept features.
2124  */
2125 static void add_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2126 {
2127         u8 *features = get_feature_bits(dev);
2128
2129         /* We can't extend the feature bits once we've added config bytes */
2130         if (dev->desc->feature_len <= bit / CHAR_BIT) {
2131                 assert(dev->desc->config_len == 0);
2132                 dev->feature_len = dev->desc->feature_len = (bit/CHAR_BIT) + 1;
2133         }
2134
2135         features[bit / CHAR_BIT] |= (1 << (bit % CHAR_BIT));
2136 }
2137
2138 static void add_pci_feature(struct device *dev, unsigned bit)
2139 {
2140         dev->features |= (1ULL << bit);
2141 }
2142
2143 /*
2144  * This routine sets the configuration fields for an existing device's
2145  * descriptor.  It only works for the last device, but that's OK because that's
2146  * how we use it.
2147  */
2148 static void set_config(struct device *dev, unsigned len, const void *conf)
2149 {
2150         /* Check we haven't overflowed our single page. */
2151         if (device_config(dev) + len > devices.descpage + getpagesize())
2152                 errx(1, "Too many devices");
2153
2154         /* Copy in the config information, and store the length. */
2155         memcpy(device_config(dev), conf, len);
2156         dev->desc->config_len = len;
2157
2158         /* Size must fit in config_len field (8 bits)! */
2159         assert(dev->desc->config_len == len);
2160 }
2161
2162 /* For devices with no config. */
2163 static void no_device_config(struct device *dev)
2164 {
2165         dev->mmio_addr = get_mmio_region(dev->mmio_size);
2166
2167         dev->config.bar[0] = dev->mmio_addr;
2168         /* Bottom 4 bits must be zero */
2169         assert(~(dev->config.bar[0] & 0xF));
2170 }
2171
2172 /* This puts the device config into BAR0 */
2173 static void set_device_config(struct device *dev, const void *conf, size_t len)
2174 {
2175         /* Set up BAR 0 */
2176         dev->mmio_size += len;
2177         dev->mmio = realloc(dev->mmio, dev->mmio_size);
2178         memcpy(dev->mmio + 1, conf, len);
2179
2180         /* Hook up device cfg */
2181         dev->config.cfg_access.cap.cap_next
2182                 = offsetof(struct pci_config, device);
2183
2184         /* Fix up device cfg field length. */
2185         dev->config.device.length = len;
2186
2187         /* The rest is the same as the no-config case */
2188         no_device_config(dev);
2189 }
2190
2191 static void init_cap(struct virtio_pci_cap *cap, size_t caplen, int type,
2192                      size_t bar_offset, size_t bar_bytes, u8 next)
2193 {
2194         cap->cap_vndr = PCI_CAP_ID_VNDR;
2195         cap->cap_next = next;
2196         cap->cap_len = caplen;
2197         cap->cfg_type = type;
2198         cap->bar = 0;
2199         memset(cap->padding, 0, sizeof(cap->padding));
2200         cap->offset = bar_offset;
2201         cap->length = bar_bytes;
2202 }
2203
2204 /*
2205  * This sets up the pci_config structure, as defined in the virtio 1.0
2206  * standard (and PCI standard).
2207  */
2208 static void init_pci_config(struct pci_config *pci, u16 type,
2209                             u8 class, u8 subclass)
2210 {
2211         size_t bar_offset, bar_len;
2212
2213         /* Save typing: most thing are happy being zero. */
2214         memset(pci, 0, sizeof(*pci));
2215
2216         /* 4.1.2.1: Devices MUST have the PCI Vendor ID 0x1AF4 */
2217         pci->vendor_id = 0x1AF4;
2218         /* 4.1.2.1: ... PCI Device ID calculated by adding 0x1040 ... */
2219         pci->device_id = 0x1040 + type;
2220
2221         /*
2222          * PCI have specific codes for different types of devices.
2223          * Linux doesn't care, but it's a good clue for people looking
2224          * at the device.
2225          */
2226         pci->class = class;
2227         pci->subclass = subclass;
2228
2229         /*
2230          * 4.1.2.1 Non-transitional devices SHOULD have a PCI Revision
2231          * ID of 1 or higher
2232          */
2233         pci->revid = 1;
2234
2235         /*
2236          * 4.1.2.1 Non-transitional devices SHOULD have a PCI
2237          * Subsystem Device ID of 0x40 or higher.
2238          */
2239         pci->subsystem_device_id = 0x40;
2240
2241         /* We use our dummy interrupt controller, and irq_line is the irq */
2242         pci->irq_line = devices.next_irq++;
2243         pci->irq_pin = 0;
2244
2245         /* Support for extended capabilities. */
2246         pci->status = (1 << 4);
2247
2248         /* Link them in. */
2249         pci->capabilities = offsetof(struct pci_config, common);
2250
2251         bar_offset = offsetof(struct virtio_pci_mmio, cfg);
2252         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->cfg);
2253         init_cap(&pci->common, sizeof(pci->common), VIRTIO_PCI_CAP_COMMON_CFG,
2254                  bar_offset, bar_len,
2255                  offsetof(struct pci_config, notify));
2256
2257         bar_offset += bar_len;
2258         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->notify);
2259         /* FIXME: Use a non-zero notify_off, for per-queue notification? */
2260         init_cap(&pci->notify.cap, sizeof(pci->notify),
2261                  VIRTIO_PCI_CAP_NOTIFY_CFG,
2262                  bar_offset, bar_len,
2263                  offsetof(struct pci_config, isr));
2264
2265         bar_offset += bar_len;
2266         bar_len = sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->isr);
2267         init_cap(&pci->isr, sizeof(pci->isr),
2268                  VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG,
2269                  bar_offset, bar_len,
2270                  offsetof(struct pci_config, cfg_access));
2271
2272         /* This doesn't have any presence in the BAR */
2273         init_cap(&pci->cfg_access.cap, sizeof(pci->cfg_access),
2274                  VIRTIO_PCI_CAP_PCI_CFG,
2275                  0, 0, 0);
2276
2277         bar_offset += bar_len + sizeof(((struct virtio_pci_mmio *)0)->padding);
2278         assert(bar_offset == sizeof(struct virtio_pci_mmio));
2279
2280         /*
2281          * This gets sewn in and length set in set_device_config().
2282          * Some devices don't have a device configuration interface, so
2283          * we never expose this if we don't call set_device_config().
2284          */
2285         init_cap(&pci->device, sizeof(pci->device), VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG,
2286                  bar_offset, 0, 0);
2287 }
2288
2289 /*
2290  * This routine does all the creation and setup of a new device, including
2291  * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory.  We
2292  * don't actually start the service threads until later.
2293  *
2294  * See what I mean about userspace being boring?
2295  */
2296 static struct device *new_device(const char *name, u16 type)
2297 {
2298         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2299
2300         /* Now we populate the fields one at a time. */
2301         dev->desc = new_dev_desc(type);
2302         dev->name = name;
2303         dev->vq = NULL;
2304         dev->feature_len = 0;
2305         dev->num_vq = 0;
2306         dev->running = false;
2307         dev->next = NULL;
2308
2309         /*
2310          * Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
2311          * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
2312          * in command-line order.  The first network device on the command line
2313          * is eth0, the first block device /dev/vda, etc.
2314          */
2315         if (devices.lastdev)
2316                 devices.lastdev->next = dev;
2317         else
2318                 devices.dev = dev;
2319         devices.lastdev = dev;
2320
2321         return dev;
2322 }
2323
2324 static struct device *new_pci_device(const char *name, u16 type,
2325                                      u8 class, u8 subclass)
2326 {
2327         struct device *dev = malloc(sizeof(*dev));
2328
2329         /* Now we populate the fields one at a time. */
2330         dev->desc = NULL;
2331         dev->name = name;
2332         dev->vq = NULL;
2333         dev->feature_len = 0;
2334         dev->num_vq = 0;
2335         dev->running = false;
2336         dev->next = NULL;
2337         dev->mmio_size = sizeof(struct virtio_pci_mmio);
2338         dev->mmio = calloc(1, dev->mmio_size);
2339         dev->features = (u64)1 << VIRTIO_F_VERSION_1;
2340         dev->features_accepted = 0;
2341
2342         if (devices.device_num + 1 >= 32)
2343                 errx(1, "Can only handle 31 PCI devices");
2344
2345         init_pci_config(&dev->config, type, class, subclass);
2346         assert(!devices.pci[devices.device_num+1]);
2347         devices.pci[++devices.device_num] = dev;
2348
2349         return dev;
2350 }
2351
2352 /*
2353  * Our first setup routine is the console.  It's a fairly simple device, but
2354  * UNIX tty handling makes it uglier than it could be.
2355  */
2356 static void setup_console(void)
2357 {
2358         struct device *dev;
2359
2360         /* If we can save the initial standard input settings... */
2361         if (tcgetattr(STDIN_FILENO, &orig_term) == 0) {
2362                 struct termios term = orig_term;
2363                 /*
2364                  * Then we turn off echo, line buffering and ^C etc: We want a
2365                  * raw input stream to the Guest.
2366                  */
2367                 term.c_lflag &= ~(ISIG|ICANON|ECHO);
2368                 tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &term);
2369         }
2370
2371         dev = new_pci_device("console", VIRTIO_ID_CONSOLE, 0x07, 0x00);
2372
2373         /* We store the console state in dev->priv, and initialize it. */
2374         dev->priv = malloc(sizeof(struct console_abort));
2375         ((struct console_abort *)dev->priv)->count = 0;
2376
2377         /*
2378          * The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
2379          * they put something the input queue, we make sure we're listening to
2380          * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
2381          * stdout.
2382          */
2383         add_pci_virtqueue(dev, console_input);
2384         add_pci_virtqueue(dev, console_output);
2385
2386         /* There's no configuration area for this device. */
2387         no_device_config(dev);
2388
2389         verbose("device %u: console\n", devices.device_num);
2390 }
2391 /*:*/
2392
2393 /*M:010
2394  * Inter-guest networking is an interesting area.  Simplest is to have a
2395  * --sharenet=<name> option which opens or creates a named pipe.  This can be
2396  * used to send packets to another guest in a 1:1 manner.
2397  *
2398  * More sophisticated is to use one of the tools developed for project like UML
2399  * to do networking.
2400  *
2401  * Faster is to do virtio bonding in kernel.  Doing this 1:1 would be
2402  * completely generic ("here's my vring, attach to your vring") and would work
2403  * for any traffic.  Of course, namespace and permissions issues need to be
2404  * dealt with.  A more sophisticated "multi-channel" virtio_net.c could hide
2405  * multiple inter-guest channels behind one interface, although it would
2406  * require some manner of hotplugging new virtio channels.
2407  *
2408  * Finally, we could use a virtio network switch in the kernel, ie. vhost.
2409 :*/
2410
2411 static u32 str2ip(const char *ipaddr)
2412 {
2413         unsigned int b[4];
2414
2415         if (sscanf(ipaddr, "%u.%u.%u.%u", &b[0], &b[1], &b[2], &b[3]) != 4)
2416                 errx(1, "Failed to parse IP address '%s'", ipaddr);
2417         return (b[0] << 24) | (b[1] << 16) | (b[2] << 8) | b[3];
2418 }
2419
2420 static void str2mac(const char *macaddr, unsigned char mac[6])
2421 {
2422         unsigned int m[6];
2423         if (sscanf(macaddr, "%02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x",
2424                    &m[0], &m[1], &m[2], &m[3], &m[4], &m[5]) != 6)
2425                 errx(1, "Failed to parse mac address '%s'", macaddr);
2426         mac[0] = m[0];
2427         mac[1] = m[1];
2428         mac[2] = m[2];
2429         mac[3] = m[3];
2430         mac[4] = m[4];
2431         mac[5] = m[5];
2432 }
2433
2434 /*
2435  * This code is "adapted" from libbridge: it attaches the Host end of the
2436  * network device to the bridge device specified by the command line.
2437  *
2438  * This is yet another James Morris contribution (I'm an IP-level guy, so I
2439  * dislike bridging), and I just try not to break it.
2440  */
2441 static void add_to_bridge(int fd, const char *if_name, const char *br_name)
2442 {
2443         int ifidx;
2444         struct ifreq ifr;
2445
2446         if (!*br_name)
2447                 errx(1, "must specify bridge name");
2448
2449         ifidx = if_nametoindex(if_name);
2450         if (!ifidx)
2451                 errx(1, "interface %s does not exist!", if_name);
2452
2453         strncpy(ifr.ifr_name, br_name, IFNAMSIZ);
2454         ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
2455         ifr.ifr_ifindex = ifidx;
2456         if (ioctl(fd, SIOCBRADDIF, &ifr) < 0)
2457                 err(1, "can't add %s to bridge %s", if_name, br_name);
2458 }
2459
2460 /*
2461  * This sets up the Host end of the network device with an IP address, brings
2462  * it up so packets will flow, the copies the MAC address into the hwaddr
2463  * pointer.
2464  */
2465 static void configure_device(int fd, const char *tapif, u32 ipaddr)
2466 {
2467         struct ifreq ifr;
2468         struct sockaddr_in sin;
2469
2470         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2471         strcpy(ifr.ifr_name, tapif);
2472
2473         /* Don't read these incantations.  Just cut & paste them like I did! */
2474         sin.sin_family = AF_INET;
2475         sin.sin_addr.s_addr = htonl(ipaddr);
2476         memcpy(&ifr.ifr_addr, &sin, sizeof(sin));
2477         if (ioctl(fd, SIOCSIFADDR, &ifr) != 0)
2478                 err(1, "Setting %s interface address", tapif);
2479         ifr.ifr_flags = IFF_UP;
2480         if (ioctl(fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) != 0)
2481                 err(1, "Bringing interface %s up", tapif);
2482 }
2483
2484 static int get_tun_device(char tapif[IFNAMSIZ])
2485 {
2486         struct ifreq ifr;
2487         int vnet_hdr_sz;
2488         int netfd;
2489
2490         /* Start with this zeroed.  Messy but sure. */
2491         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
2492
2493         /*
2494          * We open the /dev/net/tun device and tell it we want a tap device.  A
2495          * tap device is like a tun device, only somehow different.  To tell
2496          * the truth, I completely blundered my way through this code, but it
2497          * works now!
2498          */
2499         netfd = open_or_die("/dev/net/tun", O_RDWR);
2500         ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI | IFF_VNET_HDR;
2501         strcpy(ifr.ifr_name, "tap%d");
2502         if (ioctl(netfd, TUNSETIFF, &ifr) != 0)
2503                 err(1, "configuring /dev/net/tun");
2504
2505         if (ioctl(netfd, TUNSETOFFLOAD,
2506                   TUN_F_CSUM|TUN_F_TSO4|TUN_F_TSO6|TUN_F_TSO_ECN) != 0)
2507                 err(1, "Could not set features for tun device");
2508
2509         /*
2510          * We don't need checksums calculated for packets coming in this
2511          * device: trust us!
2512          */
2513         ioctl(netfd, TUNSETNOCSUM, 1);
2514
2515         /*
2516          * In virtio before 1.0 (aka legacy virtio), we added a 16-bit
2517          * field at the end of the network header iff
2518          * VIRTIO_NET_F_MRG_RXBUF was negotiated.  For virtio 1.0,
2519          * that became the norm, but we need to tell the tun device
2520          * about our expanded header (which is called
2521          * virtio_net_hdr_mrg_rxbuf in the legacy system).
2522          */
2523         vnet_hdr_sz = sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf);
2524         if (ioctl(netfd, TUNSETVNETHDRSZ, &vnet_hdr_sz) != 0)
2525                 err(1, "Setting tun header size to %u", vnet_hdr_sz);
2526
2527         memcpy(tapif, ifr.ifr_name, IFNAMSIZ);
2528         return netfd;
2529 }
2530
2531 /*L:195
2532  * Our network is a Host<->Guest network.  This can either use bridging or
2533  * routing, but the principle is the same: it uses the "tun" device to inject
2534  * packets into the Host as if they came in from a normal network card.  We
2535  * just shunt packets between the Guest and the tun device.
2536  */
2537 static void setup_tun_net(char *arg)
2538 {
2539         struct device *dev;
2540         struct net_info *net_info = malloc(sizeof(*net_info));
2541         int ipfd;
2542         u32 ip = INADDR_ANY;
2543         bool bridging = false;
2544         char tapif[IFNAMSIZ], *p;
2545         struct virtio_net_config conf;
2546
2547         net_info->tunfd = get_tun_device(tapif);
2548
2549         /* First we create a new network device. */
2550         dev = new_pci_device("net", VIRTIO_ID_NET, 0x02, 0x00);
2551         dev->priv = net_info;
2552
2553         /* Network devices need a recv and a send queue, just like console. */
2554         add_pci_virtqueue(dev, net_input);
2555         add_pci_virtqueue(dev, net_output);
2556
2557         /*
2558          * We need a socket to perform the magic network ioctls to bring up the
2559          * tap interface, connect to the bridge etc.  Any socket will do!
2560          */
2561         ipfd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_IP);
2562         if (ipfd < 0)
2563                 err(1, "opening IP socket");
2564
2565         /* If the command line was --tunnet=bridge:<name> do bridging. */
2566         if (!strncmp(BRIDGE_PFX, arg, strlen(BRIDGE_PFX))) {
2567                 arg += strlen(BRIDGE_PFX);
2568                 bridging = true;
2569         }
2570
2571         /* A mac address may follow the bridge name or IP address */
2572         p = strchr(arg, ':');
2573         if (p) {
2574                 str2mac(p+1, conf.mac);
2575                 add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_MAC);
2576                 *p = '\0';
2577         }
2578
2579         /* arg is now either an IP address or a bridge name */
2580         if (bridging)
2581                 add_to_bridge(ipfd, tapif, arg);
2582         else
2583                 ip = str2ip(arg);
2584
2585         /* Set up the tun device. */
2586         configure_device(ipfd, tapif, ip);
2587
2588         /* Expect Guest to handle everything except UFO */
2589         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_CSUM);
2590         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM);
2591         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO4);
2592         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_TSO6);
2593         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_GUEST_ECN);
2594         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO4);
2595         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_TSO6);
2596         add_pci_feature(dev, VIRTIO_NET_F_HOST_ECN);
2597         /* We handle indirect ring entries */
2598         add_pci_feature(dev, VIRTIO_RING_F_INDIRECT_DESC);
2599         set_device_config(dev, &conf, sizeof(conf));
2600
2601         /* We don't need the socket any more; setup is done. */
2602         close(ipfd);
2603
2604         if (bridging)
2605                 verbose("device %u: tun %s attached to bridge: %s\n",
2606                         devices.device_num, tapif, arg);
2607         else
2608                 verbose("device %u: tun %s: %s\n",
2609                         devices.device_num, tapif, arg);
2610 }
2611 /*:*/
2612
2613 /* This hangs off device->priv. */
2614 struct vblk_info {
2615         /* The size of the file. */
2616         off64_t len;
2617
2618         /* The file descriptor for the file. */
2619         int fd;
2620
2621 };
2622
2623 /*L:210
2624  * The Disk
2625  *
2626  * The disk only has one virtqueue, so it only has one thread.  It is really
2627  * simple: the Guest asks for a block number and we read or write that position
2628  * in the file.
2629  *
2630  * Before we serviced each virtqueue in a separate thread, that was unacceptably
2631  * slow: the Guest waits until the read is finished before running anything
2632  * else, even if it could have been doing useful work.
2633  *
2634  * We could have used async I/O, except it's reputed to suck so hard that
2635  * characters actually go missing from your code when you try to use it.
2636  */
2637 static void blk_request(struct virtqueue *vq)
2638 {
2639         struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
2640         unsigned int head, out_num, in_num, wlen;
2641         int ret, i;
2642         u8 *in;
2643         struct virtio_blk_outhdr out;
2644         struct iovec iov[vq->vring.num];
2645         off64_t off;
2646
2647         /*
2648          * Get the next request, where we normally wait.  It triggers the
2649          * interrupt to acknowledge previously serviced requests (if any).
2650          */
2651         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2652
2653         /* Copy the output header from the front of the iov (adjusts iov) */
2654         iov_consume(iov, out_num, &out, sizeof(out));
2655
2656         /* Find and trim end of iov input array, for our status byte. */
2657         in = NULL;
2658         for (i = out_num + in_num - 1; i >= out_num; i--) {
2659                 if (iov[i].iov_len > 0) {
2660                         in = iov[i].iov_base + iov[i].iov_len - 1;
2661                         iov[i].iov_len--;
2662                         break;
2663                 }
2664         }
2665         if (!in)
2666                 errx(1, "Bad virtblk cmd with no room for status");
2667
2668         /*
2669          * For historical reasons, block operations are expressed in 512 byte
2670          * "sectors".
2671          */
2672         off = out.sector * 512;
2673
2674         if (out.type & VIRTIO_BLK_T_OUT) {
2675                 /*
2676                  * Write
2677                  *
2678                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2679                  * if they try to write past end.
2680                  */
2681                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2682                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2683
2684                 ret = writev(vblk->fd, iov, out_num);
2685                 verbose("WRITE to sector %llu: %i\n", out.sector, ret);
2686
2687                 /*
2688                  * Grr... Now we know how long the descriptor they sent was, we
2689                  * make sure they didn't try to write over the end of the block
2690                  * file (possibly extending it).
2691                  */
2692                 if (ret > 0 && off + ret > vblk->len) {
2693                         /* Trim it back to the correct length */
2694                         ftruncate64(vblk->fd, vblk->len);
2695                         /* Die, bad Guest, die. */
2696                         errx(1, "Write past end %llu+%u", off, ret);
2697                 }
2698
2699                 wlen = sizeof(*in);
2700                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2701         } else if (out.type & VIRTIO_BLK_T_FLUSH) {
2702                 /* Flush */
2703                 ret = fdatasync(vblk->fd);
2704                 verbose("FLUSH fdatasync: %i\n", ret);
2705                 wlen = sizeof(*in);
2706                 *in = (ret >= 0 ? VIRTIO_BLK_S_OK : VIRTIO_BLK_S_IOERR);
2707         } else {
2708                 /*
2709                  * Read
2710                  *
2711                  * Move to the right location in the block file.  This can fail
2712                  * if they try to read past end.
2713                  */
2714                 if (lseek64(vblk->fd, off, SEEK_SET) != off)
2715                         err(1, "Bad seek to sector %llu", out.sector);
2716
2717                 ret = readv(vblk->fd, iov + out_num, in_num);
2718                 if (ret >= 0) {
2719                         wlen = sizeof(*in) + ret;
2720                         *in = VIRTIO_BLK_S_OK;
2721                 } else {
2722                         wlen = sizeof(*in);
2723                         *in = VIRTIO_BLK_S_IOERR;
2724                 }
2725         }
2726
2727         /* Finished that request. */
2728         add_used(vq, head, wlen);
2729 }
2730
2731 /*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
2732 static void setup_block_file(const char *filename)
2733 {
2734         struct device *dev;
2735         struct vblk_info *vblk;
2736         struct virtio_blk_config conf;
2737
2738         /* Create the device. */
2739         dev = new_pci_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, 0x01, 0x80);
2740
2741         /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
2742         add_pci_virtqueue(dev, blk_request);
2743
2744         /* Allocate the room for our own bookkeeping */
2745         vblk = dev->priv = malloc(sizeof(*vblk));
2746
2747         /* First we open the file and store the length. */
2748         vblk->fd = open_or_die(filename, O_RDWR|O_LARGEFILE);
2749         vblk->len = lseek64(vblk->fd, 0, SEEK_END);
2750
2751         /* Tell Guest how many sectors this device has. */
2752         conf.capacity = cpu_to_le64(vblk->len / 512);
2753
2754         /*
2755          * Tell Guest not to put in too many descriptors at once: two are used
2756          * for the in and out elements.
2757          */
2758         add_pci_feature(dev, VIRTIO_BLK_F_SEG_MAX);
2759         conf.seg_max = cpu_to_le32(VIRTQUEUE_NUM - 2);
2760
2761         set_device_config(dev, &conf, sizeof(struct virtio_blk_config));
2762
2763         verbose("device %u: virtblock %llu sectors\n",
2764                 devices.device_num, le64_to_cpu(conf.capacity));
2765 }
2766
2767 /*L:211
2768  * Our random number generator device reads from /dev/urandom into the Guest's
2769  * input buffers.  The usual case is that the Guest doesn't want random numbers
2770  * and so has no buffers although /dev/urandom is still readable, whereas
2771  * console is the reverse.
2772  *
2773  * The same logic applies, however.
2774  */
2775 struct rng_info {
2776         int rfd;
2777 };
2778
2779 static void rng_input(struct virtqueue *vq)
2780 {
2781         int len;
2782         unsigned int head, in_num, out_num, totlen = 0;
2783         struct rng_info *rng_info = vq->dev->priv;
2784         struct iovec iov[vq->vring.num];
2785
2786         /* First we need a buffer from the Guests's virtqueue. */
2787         head = wait_for_vq_desc(vq, iov, &out_num, &in_num);
2788         if (out_num)
2789                 errx(1, "Output buffers in rng?");
2790
2791         /*
2792          * Just like the console write, we loop to cover the whole iovec.
2793          * In this case, short reads actually happen quite a bit.
2794          */
2795         while (!iov_empty(iov, in_num)) {
2796                 len = readv(rng_info->rfd, iov, in_num);
2797                 if (len <= 0)
2798                         err(1, "Read from /dev/urandom gave %i", len);
2799                 iov_consume(iov, in_num, NULL, len);
2800                 totlen += len;
2801         }
2802
2803         /* Tell the Guest about the new input. */
2804         add_used(vq, head, totlen);
2805 }
2806
2807 /*L:199
2808  * This creates a "hardware" random number device for the Guest.
2809  */
2810 static void setup_rng(void)
2811 {
2812         struct device *dev;
2813         struct rng_info *rng_info = malloc(sizeof(*rng_info));
2814
2815         /* Our device's private info simply contains the /dev/urandom fd. */
2816         rng_info->rfd = open_or_die("/dev/urandom", O_RDONLY);
2817
2818         /* Create the new device. */
2819         dev = new_pci_device("rng", VIRTIO_ID_RNG, 0xff, 0);
2820         dev->priv = rng_info;
2821
2822         /* The device has one virtqueue, where the Guest places inbufs. */
2823         add_pci_virtqueue(dev, rng_input);
2824
2825         /* We don't have any configuration space */
2826         no_device_config(dev);
2827
2828         verbose("device %u: rng\n", devices.device_num);
2829 }
2830 /* That's the end of device setup. */
2831
2832 /*L:230 Reboot is pretty easy: clean up and exec() the Launcher afresh. */
2833 static void __attribute__((noreturn)) restart_guest(void)
2834 {
2835         unsigned int i;
2836
2837         /*
2838          * Since we don't track all open fds, we simply close everything beyond
2839          * stderr.
2840          */
2841         for (i = 3; i < FD_SETSIZE; i++)
2842                 close(i);
2843
2844         /* Reset all the devices (kills all threads). */
2845         cleanup_devices();
2846
2847         execv(main_args[0], main_args);
2848         err(1, "Could not exec %s", main_args[0]);
2849 }
2850
2851 /*L:220
2852  * Finally we reach the core of the Launcher which runs the Guest, serves
2853  * its input and output, and finally, lays it to rest.
2854  */
2855 static void __attribute__((noreturn)) run_guest(void)
2856 {
2857         for (;;) {
2858                 struct lguest_pending notify;
2859                 int readval;
2860
2861                 /* We read from the /dev/lguest device to run the Guest. */
2862                 readval = pread(lguest_fd, &notify, sizeof(notify), cpu_id);
2863
2864                 /* One unsigned long means the Guest did HCALL_NOTIFY */
2865                 if (readval == sizeof(notify)) {
2866                         if (notify.trap == 0x1F) {
2867                                 verbose("Notify on address %#08x\n",
2868                                         notify.addr);
2869                                 handle_output(notify.addr);
2870                         } else if (notify.trap == 13) {
2871                                 verbose("Emulating instruction at %#x\n",
2872                                         getreg(eip));
2873                                 emulate_insn(notify.insn);
2874                         } else if (notify.trap == 14) {
2875                                 verbose("Emulating MMIO at %#x\n",
2876                                         getreg(eip));
2877                                 emulate_mmio(notify.addr, notify.insn);
2878                         } else
2879                                 errx(1, "Unknown trap %i addr %#08x\n",
2880                                      notify.trap, notify.addr);
2881                 /* ENOENT means the Guest died.  Reading tells us why. */
2882                 } else if (errno == ENOENT) {
2883                         char reason[1024] = { 0 };
2884                         pread(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1, cpu_id);
2885                         errx(1, "%s", reason);
2886                 /* ERESTART means that we need to reboot the guest */
2887                 } else if (errno == ERESTART) {
2888                         restart_guest();
2889                 /* Anything else means a bug or incompatible change. */
2890                 } else
2891                         err(1, "Running guest failed");
2892         }
2893 }
2894 /*L:240
2895  * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
2896  * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
2897  * of us.
2898  *
2899  * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
2900  * "make Host".
2901 :*/
2902
2903 static struct option opts[] = {
2904         { "verbose", 0, NULL, 'v' },
2905         { "tunnet", 1, NULL, 't' },
2906         { "block", 1, NULL, 'b' },
2907         { "rng", 0, NULL, 'r' },
2908         { "initrd", 1, NULL, 'i' },
2909         { "username", 1, NULL, 'u' },
2910         { "chroot", 1, NULL, 'c' },
2911         { NULL },
2912 };
2913 static void usage(void)
2914 {
2915         errx(1, "Usage: lguest [--verbose] "
2916              "[--tunnet=(<ipaddr>:<macaddr>|bridge:<bridgename>:<macaddr>)\n"
2917              "|--block=<filename>|--initrd=<filename>]...\n"
2918              "<mem-in-mb> vmlinux [args...]");
2919 }
2920
2921 /*L:105 The main routine is where the real work begins: */
2922 int main(int argc, char *argv[])
2923 {
2924         /* Memory, code startpoint and size of the (optional) initrd. */
2925         unsigned long mem = 0, start, initrd_size = 0;
2926         /* Two temporaries. */
2927         int i, c;
2928         /* The boot information for the Guest. */
2929         struct boot_params *boot;
2930         /* If they specify an initrd file to load. */
2931         const char *initrd_name = NULL;
2932
2933         /* Password structure for initgroups/setres[gu]id */
2934         struct passwd *user_details = NULL;
2935
2936         /* Directory to chroot to */
2937         char *chroot_path = NULL;
2938
2939         /* Save the args: we "reboot" by execing ourselves again. */
2940         main_args = argv;
2941
2942         /*
2943          * First we initialize the device list.  We keep a pointer to the last
2944          * device, and the next interrupt number to use for devices (1:
2945          * remember that 0 is used by the timer).
2946          */
2947         devices.lastdev = NULL;
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                         devices.descpage = get_pages(1);
2973                         break;
2974                 }
2975         }
2976
2977         /* The options are fairly straight-forward */
2978         while ((c = getopt_long(argc, argv, "v", opts, NULL)) != EOF) {
2979                 switch (c) {
2980                 case 'v':
2981                         verbose = true;
2982                         break;
2983                 case 't':
2984                         setup_tun_net(optarg);
2985                         break;
2986                 case 'b':
2987                         setup_block_file(optarg);
2988                         break;
2989                 case 'r':
2990                         setup_rng();
2991                         break;
2992                 case 'i':
2993                         initrd_name = optarg;
2994                         break;
2995                 case 'u':
2996                         user_details = getpwnam(optarg);
2997                         if (!user_details)
2998                                 err(1, "getpwnam failed, incorrect username?");
2999                         break;
3000                 case 'c':
3001                         chroot_path = optarg;
3002                         break;
3003                 default:
3004                         warnx("Unknown argument %s", argv[optind]);
3005                         usage();
3006                 }
3007         }
3008         /*
3009          * After the other arguments we expect memory and kernel image name,
3010          * followed by command line arguments for the kernel.
3011          */
3012         if (optind + 2 > argc)
3013                 usage();
3014
3015         verbose("Guest base is at %p\n", guest_base);
3016
3017         /* We always have a console device */
3018         setup_console();
3019
3020         /* Initialize the (fake) PCI host bridge device. */
3021         init_pci_host_bridge();
3022
3023         /* Now we load the kernel */
3024         start = load_kernel(open_or_die(argv[optind+1], O_RDONLY));
3025
3026         /* Boot information is stashed at physical address 0 */
3027         boot = from_guest_phys(0);
3028
3029         /* Map the initrd image if requested (at top of physical memory) */
3030         if (initrd_name) {
3031                 initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
3032                 /*
3033                  * These are the location in the Linux boot header where the
3034                  * start and size of the initrd are expected to be found.
3035                  */
3036                 boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
3037                 boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
3038                 /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
3039                 boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
3040         }
3041
3042         /*
3043          * The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
3044          * simple, single region.
3045          */
3046         boot->e820_entries = 1;
3047         boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
3048         /*
3049          * The boot header contains a command line pointer: we put the command
3050          * line after the boot header.
3051          */
3052         boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
3053         /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
3054         concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
3055
3056         /* Set kernel alignment to 16M (CONFIG_PHYSICAL_ALIGN) */
3057         boot->hdr.kernel_alignment = 0x1000000;
3058
3059         /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
3060         boot->hdr.version = 0x207;
3061
3062         /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
3063         boot->hdr.hardware_subarch = 1;
3064
3065         /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
3066         boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
3067
3068         /* We tell the kernel to initialize the Guest. */
3069         tell_kernel(start);
3070
3071         /* Ensure that we terminate if a device-servicing child dies. */
3072         signal(SIGCHLD, kill_launcher);
3073
3074         /* If we exit via err(), this kills all the threads, restores tty. */
3075         atexit(cleanup_devices);
3076
3077         /* If requested, chroot to a directory */
3078         if (chroot_path) {
3079                 if (chroot(chroot_path) != 0)
3080                         err(1, "chroot(\"%s\") failed", chroot_path);
3081
3082                 if (chdir("/") != 0)
3083                         err(1, "chdir(\"/\") failed");
3084
3085                 verbose("chroot done\n");
3086         }
3087
3088         /* If requested, drop privileges */
3089         if (user_details) {
3090                 uid_t u;
3091                 gid_t g;
3092
3093                 u = user_details->pw_uid;
3094                 g = user_details->pw_gid;
3095
3096                 if (initgroups(user_details->pw_name, g) != 0)
3097                         err(1, "initgroups failed");
3098
3099                 if (setresgid(g, g, g) != 0)
3100                         err(1, "setresgid failed");
3101
3102                 if (setresuid(u, u, u) != 0)
3103                         err(1, "setresuid failed");
3104
3105                 verbose("Dropping privileges completed\n");
3106         }
3107
3108         /* Finally, run the Guest.  This doesn't return. */
3109         run_guest();
3110 }
3111 /*:*/
3112
3113 /*M:999
3114  * Mastery is done: you now know everything I do.
3115  *
3116  * But surely you have seen code, features and bugs in your wanderings which
3117  * you now yearn to attack?  That is the real game, and I look forward to you
3118  * patching and forking lguest into the Your-Name-Here-visor.
3119  *
3120  * Farewell, and good coding!
3121  * Rusty Russell.
3122  */