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  • Committer: Package Import Robot
  • Author(s): John Rigby, John Rigby
  • Date: 2011-09-26 10:44:23 UTC
  • Revision ID: package-import@ubuntu.com-20110926104423-3o58a3c1bj7x00rs
Tags: 3.0.0-1007.9
[ John Rigby ]

Enable crypto modules and remove crypto-modules from
exclude-module files
LP: #826021

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
 
1
The x86 kvm shadow mmu
 
2
======================
 
3
 
 
4
The mmu (in arch/x86/kvm, files mmu.[ch] and paging_tmpl.h) is responsible
 
5
for presenting a standard x86 mmu to the guest, while translating guest
 
6
physical addresses to host physical addresses.
 
7
 
 
8
The mmu code attempts to satisfy the following requirements:
 
9
 
 
10
- correctness: the guest should not be able to determine that it is running
 
11
               on an emulated mmu except for timing (we attempt to comply
 
12
               with the specification, not emulate the characteristics of
 
13
               a particular implementation such as tlb size)
 
14
- security:    the guest must not be able to touch host memory not assigned
 
15
               to it
 
16
- performance: minimize the performance penalty imposed by the mmu
 
17
- scaling:     need to scale to large memory and large vcpu guests
 
18
- hardware:    support the full range of x86 virtualization hardware
 
19
- integration: Linux memory management code must be in control of guest memory
 
20
               so that swapping, page migration, page merging, transparent
 
21
               hugepages, and similar features work without change
 
22
- dirty tracking: report writes to guest memory to enable live migration
 
23
               and framebuffer-based displays
 
24
- footprint:   keep the amount of pinned kernel memory low (most memory
 
25
               should be shrinkable)
 
26
- reliability:  avoid multipage or GFP_ATOMIC allocations
 
27
 
 
28
Acronyms
 
29
========
 
30
 
 
31
pfn   host page frame number
 
32
hpa   host physical address
 
33
hva   host virtual address
 
34
gfn   guest frame number
 
35
gpa   guest physical address
 
36
gva   guest virtual address
 
37
ngpa  nested guest physical address
 
38
ngva  nested guest virtual address
 
39
pte   page table entry (used also to refer generically to paging structure
 
40
      entries)
 
41
gpte  guest pte (referring to gfns)
 
42
spte  shadow pte (referring to pfns)
 
43
tdp   two dimensional paging (vendor neutral term for NPT and EPT)
 
44
 
 
45
Virtual and real hardware supported
 
46
===================================
 
47
 
 
48
The mmu supports first-generation mmu hardware, which allows an atomic switch
 
49
of the current paging mode and cr3 during guest entry, as well as
 
50
two-dimensional paging (AMD's NPT and Intel's EPT).  The emulated hardware
 
51
it exposes is the traditional 2/3/4 level x86 mmu, with support for global
 
52
pages, pae, pse, pse36, cr0.wp, and 1GB pages.  Work is in progress to support
 
53
exposing NPT capable hardware on NPT capable hosts.
 
54
 
 
55
Translation
 
56
===========
 
57
 
 
58
The primary job of the mmu is to program the processor's mmu to translate
 
59
addresses for the guest.  Different translations are required at different
 
60
times:
 
61
 
 
62
- when guest paging is disabled, we translate guest physical addresses to
 
63
  host physical addresses (gpa->hpa)
 
64
- when guest paging is enabled, we translate guest virtual addresses, to
 
65
  guest physical addresses, to host physical addresses (gva->gpa->hpa)
 
66
- when the guest launches a guest of its own, we translate nested guest
 
67
  virtual addresses, to nested guest physical addresses, to guest physical
 
68
  addresses, to host physical addresses (ngva->ngpa->gpa->hpa)
 
69
 
 
70
The primary challenge is to encode between 1 and 3 translations into hardware
 
71
that support only 1 (traditional) and 2 (tdp) translations.  When the
 
72
number of required translations matches the hardware, the mmu operates in
 
73
direct mode; otherwise it operates in shadow mode (see below).
 
74
 
 
75
Memory
 
76
======
 
77
 
 
78
Guest memory (gpa) is part of the user address space of the process that is
 
79
using kvm.  Userspace defines the translation between guest addresses and user
 
80
addresses (gpa->hva); note that two gpas may alias to the same hva, but not
 
81
vice versa.
 
82
 
 
83
These hvas may be backed using any method available to the host: anonymous
 
84
memory, file backed memory, and device memory.  Memory might be paged by the
 
85
host at any time.
 
86
 
 
87
Events
 
88
======
 
89
 
 
90
The mmu is driven by events, some from the guest, some from the host.
 
91
 
 
92
Guest generated events:
 
93
- writes to control registers (especially cr3)
 
94
- invlpg/invlpga instruction execution
 
95
- access to missing or protected translations
 
96
 
 
97
Host generated events:
 
98
- changes in the gpa->hpa translation (either through gpa->hva changes or
 
99
  through hva->hpa changes)
 
100
- memory pressure (the shrinker)
 
101
 
 
102
Shadow pages
 
103
============
 
104
 
 
105
The principal data structure is the shadow page, 'struct kvm_mmu_page'.  A
 
106
shadow page contains 512 sptes, which can be either leaf or nonleaf sptes.  A
 
107
shadow page may contain a mix of leaf and nonleaf sptes.
 
108
 
 
109
A nonleaf spte allows the hardware mmu to reach the leaf pages and
 
110
is not related to a translation directly.  It points to other shadow pages.
 
111
 
 
112
A leaf spte corresponds to either one or two translations encoded into
 
113
one paging structure entry.  These are always the lowest level of the
 
114
translation stack, with optional higher level translations left to NPT/EPT.
 
115
Leaf ptes point at guest pages.
 
116
 
 
117
The following table shows translations encoded by leaf ptes, with higher-level
 
118
translations in parentheses:
 
119
 
 
120
 Non-nested guests:
 
121
  nonpaging:     gpa->hpa
 
122
  paging:        gva->gpa->hpa
 
123
  paging, tdp:   (gva->)gpa->hpa
 
124
 Nested guests:
 
125
  non-tdp:       ngva->gpa->hpa  (*)
 
126
  tdp:           (ngva->)ngpa->gpa->hpa
 
127
 
 
128
(*) the guest hypervisor will encode the ngva->gpa translation into its page
 
129
    tables if npt is not present
 
130
 
 
131
Shadow pages contain the following information:
 
132
  role.level:
 
133
    The level in the shadow paging hierarchy that this shadow page belongs to.
 
134
    1=4k sptes, 2=2M sptes, 3=1G sptes, etc.
 
135
  role.direct:
 
136
    If set, leaf sptes reachable from this page are for a linear range.
 
137
    Examples include real mode translation, large guest pages backed by small
 
138
    host pages, and gpa->hpa translations when NPT or EPT is active.
 
139
    The linear range starts at (gfn << PAGE_SHIFT) and its size is determined
 
140
    by role.level (2MB for first level, 1GB for second level, 0.5TB for third
 
141
    level, 256TB for fourth level)
 
142
    If clear, this page corresponds to a guest page table denoted by the gfn
 
143
    field.
 
144
  role.quadrant:
 
145
    When role.cr4_pae=0, the guest uses 32-bit gptes while the host uses 64-bit
 
146
    sptes.  That means a guest page table contains more ptes than the host,
 
147
    so multiple shadow pages are needed to shadow one guest page.
 
148
    For first-level shadow pages, role.quadrant can be 0 or 1 and denotes the
 
149
    first or second 512-gpte block in the guest page table.  For second-level
 
150
    page tables, each 32-bit gpte is converted to two 64-bit sptes
 
151
    (since each first-level guest page is shadowed by two first-level
 
152
    shadow pages) so role.quadrant takes values in the range 0..3.  Each
 
153
    quadrant maps 1GB virtual address space.
 
154
  role.access:
 
155
    Inherited guest access permissions in the form uwx.  Note execute
 
156
    permission is positive, not negative.
 
157
  role.invalid:
 
158
    The page is invalid and should not be used.  It is a root page that is
 
159
    currently pinned (by a cpu hardware register pointing to it); once it is
 
160
    unpinned it will be destroyed.
 
161
  role.cr4_pae:
 
162
    Contains the value of cr4.pae for which the page is valid (e.g. whether
 
163
    32-bit or 64-bit gptes are in use).
 
164
  role.nxe:
 
165
    Contains the value of efer.nxe for which the page is valid.
 
166
  role.cr0_wp:
 
167
    Contains the value of cr0.wp for which the page is valid.
 
168
  gfn:
 
169
    Either the guest page table containing the translations shadowed by this
 
170
    page, or the base page frame for linear translations.  See role.direct.
 
171
  spt:
 
172
    A pageful of 64-bit sptes containing the translations for this page.
 
173
    Accessed by both kvm and hardware.
 
174
    The page pointed to by spt will have its page->private pointing back
 
175
    at the shadow page structure.
 
176
    sptes in spt point either at guest pages, or at lower-level shadow pages.
 
177
    Specifically, if sp1 and sp2 are shadow pages, then sp1->spt[n] may point
 
178
    at __pa(sp2->spt).  sp2 will point back at sp1 through parent_pte.
 
179
    The spt array forms a DAG structure with the shadow page as a node, and
 
180
    guest pages as leaves.
 
181
  gfns:
 
182
    An array of 512 guest frame numbers, one for each present pte.  Used to
 
183
    perform a reverse map from a pte to a gfn. When role.direct is set, any
 
184
    element of this array can be calculated from the gfn field when used, in
 
185
    this case, the array of gfns is not allocated. See role.direct and gfn.
 
186
  slot_bitmap:
 
187
    A bitmap containing one bit per memory slot.  If the page contains a pte
 
188
    mapping a page from memory slot n, then bit n of slot_bitmap will be set
 
189
    (if a page is aliased among several slots, then it is not guaranteed that
 
190
    all slots will be marked).
 
191
    Used during dirty logging to avoid scanning a shadow page if none if its
 
192
    pages need tracking.
 
193
  root_count:
 
194
    A counter keeping track of how many hardware registers (guest cr3 or
 
195
    pdptrs) are now pointing at the page.  While this counter is nonzero, the
 
196
    page cannot be destroyed.  See role.invalid.
 
197
  multimapped:
 
198
    Whether there exist multiple sptes pointing at this page.
 
199
  parent_pte/parent_ptes:
 
200
    If multimapped is zero, parent_pte points at the single spte that points at
 
201
    this page's spt.  Otherwise, parent_ptes points at a data structure
 
202
    with a list of parent_ptes.
 
203
  unsync:
 
204
    If true, then the translations in this page may not match the guest's
 
205
    translation.  This is equivalent to the state of the tlb when a pte is
 
206
    changed but before the tlb entry is flushed.  Accordingly, unsync ptes
 
207
    are synchronized when the guest executes invlpg or flushes its tlb by
 
208
    other means.  Valid for leaf pages.
 
209
  unsync_children:
 
210
    How many sptes in the page point at pages that are unsync (or have
 
211
    unsynchronized children).
 
212
  unsync_child_bitmap:
 
213
    A bitmap indicating which sptes in spt point (directly or indirectly) at
 
214
    pages that may be unsynchronized.  Used to quickly locate all unsychronized
 
215
    pages reachable from a given page.
 
216
 
 
217
Reverse map
 
218
===========
 
219
 
 
220
The mmu maintains a reverse mapping whereby all ptes mapping a page can be
 
221
reached given its gfn.  This is used, for example, when swapping out a page.
 
222
 
 
223
Synchronized and unsynchronized pages
 
224
=====================================
 
225
 
 
226
The guest uses two events to synchronize its tlb and page tables: tlb flushes
 
227
and page invalidations (invlpg).
 
228
 
 
229
A tlb flush means that we need to synchronize all sptes reachable from the
 
230
guest's cr3.  This is expensive, so we keep all guest page tables write
 
231
protected, and synchronize sptes to gptes when a gpte is written.
 
232
 
 
233
A special case is when a guest page table is reachable from the current
 
234
guest cr3.  In this case, the guest is obliged to issue an invlpg instruction
 
235
before using the translation.  We take advantage of that by removing write
 
236
protection from the guest page, and allowing the guest to modify it freely.
 
237
We synchronize modified gptes when the guest invokes invlpg.  This reduces
 
238
the amount of emulation we have to do when the guest modifies multiple gptes,
 
239
or when the a guest page is no longer used as a page table and is used for
 
240
random guest data.
 
241
 
 
242
As a side effect we have to resynchronize all reachable unsynchronized shadow
 
243
pages on a tlb flush.
 
244
 
 
245
 
 
246
Reaction to events
 
247
==================
 
248
 
 
249
- guest page fault (or npt page fault, or ept violation)
 
250
 
 
251
This is the most complicated event.  The cause of a page fault can be:
 
252
 
 
253
  - a true guest fault (the guest translation won't allow the access) (*)
 
254
  - access to a missing translation
 
255
  - access to a protected translation
 
256
    - when logging dirty pages, memory is write protected
 
257
    - synchronized shadow pages are write protected (*)
 
258
  - access to untranslatable memory (mmio)
 
259
 
 
260
  (*) not applicable in direct mode
 
261
 
 
262
Handling a page fault is performed as follows:
 
263
 
 
264
 - if needed, walk the guest page tables to determine the guest translation
 
265
   (gva->gpa or ngpa->gpa)
 
266
   - if permissions are insufficient, reflect the fault back to the guest
 
267
 - determine the host page
 
268
   - if this is an mmio request, there is no host page; call the emulator
 
269
     to emulate the instruction instead
 
270
 - walk the shadow page table to find the spte for the translation,
 
271
   instantiating missing intermediate page tables as necessary
 
272
 - try to unsynchronize the page
 
273
   - if successful, we can let the guest continue and modify the gpte
 
274
 - emulate the instruction
 
275
   - if failed, unshadow the page and let the guest continue
 
276
 - update any translations that were modified by the instruction
 
277
 
 
278
invlpg handling:
 
279
 
 
280
  - walk the shadow page hierarchy and drop affected translations
 
281
  - try to reinstantiate the indicated translation in the hope that the
 
282
    guest will use it in the near future
 
283
 
 
284
Guest control register updates:
 
285
 
 
286
- mov to cr3
 
287
  - look up new shadow roots
 
288
  - synchronize newly reachable shadow pages
 
289
 
 
290
- mov to cr0/cr4/efer
 
291
  - set up mmu context for new paging mode
 
292
  - look up new shadow roots
 
293
  - synchronize newly reachable shadow pages
 
294
 
 
295
Host translation updates:
 
296
 
 
297
  - mmu notifier called with updated hva
 
298
  - look up affected sptes through reverse map
 
299
  - drop (or update) translations
 
300
 
 
301
Emulating cr0.wp
 
302
================
 
303
 
 
304
If tdp is not enabled, the host must keep cr0.wp=1 so page write protection
 
305
works for the guest kernel, not guest guest userspace.  When the guest
 
306
cr0.wp=1, this does not present a problem.  However when the guest cr0.wp=0,
 
307
we cannot map the permissions for gpte.u=1, gpte.w=0 to any spte (the
 
308
semantics require allowing any guest kernel access plus user read access).
 
309
 
 
310
We handle this by mapping the permissions to two possible sptes, depending
 
311
on fault type:
 
312
 
 
313
- kernel write fault: spte.u=0, spte.w=1 (allows full kernel access,
 
314
  disallows user access)
 
315
- read fault: spte.u=1, spte.w=0 (allows full read access, disallows kernel
 
316
  write access)
 
317
 
 
318
(user write faults generate a #PF)
 
319
 
 
320
Large pages
 
321
===========
 
322
 
 
323
The mmu supports all combinations of large and small guest and host pages.
 
324
Supported page sizes include 4k, 2M, 4M, and 1G.  4M pages are treated as
 
325
two separate 2M pages, on both guest and host, since the mmu always uses PAE
 
326
paging.
 
327
 
 
328
To instantiate a large spte, four constraints must be satisfied:
 
329
 
 
330
- the spte must point to a large host page
 
331
- the guest pte must be a large pte of at least equivalent size (if tdp is
 
332
  enabled, there is no guest pte and this condition is satisified)
 
333
- if the spte will be writeable, the large page frame may not overlap any
 
334
  write-protected pages
 
335
- the guest page must be wholly contained by a single memory slot
 
336
 
 
337
To check the last two conditions, the mmu maintains a ->write_count set of
 
338
arrays for each memory slot and large page size.  Every write protected page
 
339
causes its write_count to be incremented, thus preventing instantiation of
 
340
a large spte.  The frames at the end of an unaligned memory slot have
 
341
artificically inflated ->write_counts so they can never be instantiated.
 
342
 
 
343
Further reading
 
344
===============
 
345
 
 
346
- NPT presentation from KVM Forum 2008
 
347
  http://www.linux-kvm.org/wiki/images/c/c8/KvmForum2008%24kdf2008_21.pdf
 
348