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[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / virt / kvm / mmu.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ======================
4 The x86 kvm shadow mmu
5 ======================
6
7 The mmu (in arch/x86/kvm, files mmu.[ch] and paging_tmpl.h) is responsible
8 for presenting a standard x86 mmu to the guest, while translating guest
9 physical addresses to host physical addresses.
10
11 The mmu code attempts to satisfy the following requirements:
12
13 - correctness:
14                the guest should not be able to determine that it is running
15                on an emulated mmu except for timing (we attempt to comply
16                with the specification, not emulate the characteristics of
17                a particular implementation such as tlb size)
18 - security:
19                the guest must not be able to touch host memory not assigned
20                to it
21 - performance:
22                minimize the performance penalty imposed by the mmu
23 - scaling:
24                need to scale to large memory and large vcpu guests
25 - hardware:
26                support the full range of x86 virtualization hardware
27 - integration:
28                Linux memory management code must be in control of guest memory
29                so that swapping, page migration, page merging, transparent
30                hugepages, and similar features work without change
31 - dirty tracking:
32                report writes to guest memory to enable live migration
33                and framebuffer-based displays
34 - footprint:
35                keep the amount of pinned kernel memory low (most memory
36                should be shrinkable)
37 - reliability:
38                avoid multipage or GFP_ATOMIC allocations
39
40 Acronyms
41 ========
42
43 ====  ====================================================================
44 pfn   host page frame number
45 hpa   host physical address
46 hva   host virtual address
47 gfn   guest frame number
48 gpa   guest physical address
49 gva   guest virtual address
50 ngpa  nested guest physical address
51 ngva  nested guest virtual address
52 pte   page table entry (used also to refer generically to paging structure
53       entries)
54 gpte  guest pte (referring to gfns)
55 spte  shadow pte (referring to pfns)
56 tdp   two dimensional paging (vendor neutral term for NPT and EPT)
57 ====  ====================================================================
58
59 Virtual and real hardware supported
60 ===================================
61
62 The mmu supports first-generation mmu hardware, which allows an atomic switch
63 of the current paging mode and cr3 during guest entry, as well as
64 two-dimensional paging (AMD's NPT and Intel's EPT).  The emulated hardware
65 it exposes is the traditional 2/3/4 level x86 mmu, with support for global
66 pages, pae, pse, pse36, cr0.wp, and 1GB pages. Emulated hardware also
67 able to expose NPT capable hardware on NPT capable hosts.
68
69 Translation
70 ===========
71
72 The primary job of the mmu is to program the processor's mmu to translate
73 addresses for the guest.  Different translations are required at different
74 times:
75
76 - when guest paging is disabled, we translate guest physical addresses to
77   host physical addresses (gpa->hpa)
78 - when guest paging is enabled, we translate guest virtual addresses, to
79   guest physical addresses, to host physical addresses (gva->gpa->hpa)
80 - when the guest launches a guest of its own, we translate nested guest
81   virtual addresses, to nested guest physical addresses, to guest physical
82   addresses, to host physical addresses (ngva->ngpa->gpa->hpa)
83
84 The primary challenge is to encode between 1 and 3 translations into hardware
85 that support only 1 (traditional) and 2 (tdp) translations.  When the
86 number of required translations matches the hardware, the mmu operates in
87 direct mode; otherwise it operates in shadow mode (see below).
88
89 Memory
90 ======
91
92 Guest memory (gpa) is part of the user address space of the process that is
93 using kvm.  Userspace defines the translation between guest addresses and user
94 addresses (gpa->hva); note that two gpas may alias to the same hva, but not
95 vice versa.
96
97 These hvas may be backed using any method available to the host: anonymous
98 memory, file backed memory, and device memory.  Memory might be paged by the
99 host at any time.
100
101 Events
102 ======
103
104 The mmu is driven by events, some from the guest, some from the host.
105
106 Guest generated events:
107
108 - writes to control registers (especially cr3)
109 - invlpg/invlpga instruction execution
110 - access to missing or protected translations
111
112 Host generated events:
113
114 - changes in the gpa->hpa translation (either through gpa->hva changes or
115   through hva->hpa changes)
116 - memory pressure (the shrinker)
117
118 Shadow pages
119 ============
120
121 The principal data structure is the shadow page, 'struct kvm_mmu_page'.  A
122 shadow page contains 512 sptes, which can be either leaf or nonleaf sptes.  A
123 shadow page may contain a mix of leaf and nonleaf sptes.
124
125 A nonleaf spte allows the hardware mmu to reach the leaf pages and
126 is not related to a translation directly.  It points to other shadow pages.
127
128 A leaf spte corresponds to either one or two translations encoded into
129 one paging structure entry.  These are always the lowest level of the
130 translation stack, with optional higher level translations left to NPT/EPT.
131 Leaf ptes point at guest pages.
132
133 The following table shows translations encoded by leaf ptes, with higher-level
134 translations in parentheses:
135
136  Non-nested guests::
137
138   nonpaging:     gpa->hpa
139   paging:        gva->gpa->hpa
140   paging, tdp:   (gva->)gpa->hpa
141
142  Nested guests::
143
144   non-tdp:       ngva->gpa->hpa  (*)
145   tdp:           (ngva->)ngpa->gpa->hpa
146
147   (*) the guest hypervisor will encode the ngva->gpa translation into its page
148       tables if npt is not present
149
150 Shadow pages contain the following information:
151   role.level:
152     The level in the shadow paging hierarchy that this shadow page belongs to.
153     1=4k sptes, 2=2M sptes, 3=1G sptes, etc.
154   role.direct:
155     If set, leaf sptes reachable from this page are for a linear range.
156     Examples include real mode translation, large guest pages backed by small
157     host pages, and gpa->hpa translations when NPT or EPT is active.
158     The linear range starts at (gfn << PAGE_SHIFT) and its size is determined
159     by role.level (2MB for first level, 1GB for second level, 0.5TB for third
160     level, 256TB for fourth level)
161     If clear, this page corresponds to a guest page table denoted by the gfn
162     field.
163   role.quadrant:
164     When role.gpte_is_8_bytes=0, the guest uses 32-bit gptes while the host uses 64-bit
165     sptes.  That means a guest page table contains more ptes than the host,
166     so multiple shadow pages are needed to shadow one guest page.
167     For first-level shadow pages, role.quadrant can be 0 or 1 and denotes the
168     first or second 512-gpte block in the guest page table.  For second-level
169     page tables, each 32-bit gpte is converted to two 64-bit sptes
170     (since each first-level guest page is shadowed by two first-level
171     shadow pages) so role.quadrant takes values in the range 0..3.  Each
172     quadrant maps 1GB virtual address space.
173   role.access:
174     Inherited guest access permissions in the form uwx.  Note execute
175     permission is positive, not negative.
176   role.invalid:
177     The page is invalid and should not be used.  It is a root page that is
178     currently pinned (by a cpu hardware register pointing to it); once it is
179     unpinned it will be destroyed.
180   role.gpte_is_8_bytes:
181     Reflects the size of the guest PTE for which the page is valid, i.e. '1'
182     if 64-bit gptes are in use, '0' if 32-bit gptes are in use.
183   role.nxe:
184     Contains the value of efer.nxe for which the page is valid.
185   role.cr0_wp:
186     Contains the value of cr0.wp for which the page is valid.
187   role.smep_andnot_wp:
188     Contains the value of cr4.smep && !cr0.wp for which the page is valid
189     (pages for which this is true are different from other pages; see the
190     treatment of cr0.wp=0 below).
191   role.smap_andnot_wp:
192     Contains the value of cr4.smap && !cr0.wp for which the page is valid
193     (pages for which this is true are different from other pages; see the
194     treatment of cr0.wp=0 below).
195   role.ept_sp:
196     This is a virtual flag to denote a shadowed nested EPT page.  ept_sp
197     is true if "cr0_wp && smap_andnot_wp", an otherwise invalid combination.
198   role.smm:
199     Is 1 if the page is valid in system management mode.  This field
200     determines which of the kvm_memslots array was used to build this
201     shadow page; it is also used to go back from a struct kvm_mmu_page
202     to a memslot, through the kvm_memslots_for_spte_role macro and
203     __gfn_to_memslot.
204   role.ad_disabled:
205     Is 1 if the MMU instance cannot use A/D bits.  EPT did not have A/D
206     bits before Haswell; shadow EPT page tables also cannot use A/D bits
207     if the L1 hypervisor does not enable them.
208   gfn:
209     Either the guest page table containing the translations shadowed by this
210     page, or the base page frame for linear translations.  See role.direct.
211   spt:
212     A pageful of 64-bit sptes containing the translations for this page.
213     Accessed by both kvm and hardware.
214     The page pointed to by spt will have its page->private pointing back
215     at the shadow page structure.
216     sptes in spt point either at guest pages, or at lower-level shadow pages.
217     Specifically, if sp1 and sp2 are shadow pages, then sp1->spt[n] may point
218     at __pa(sp2->spt).  sp2 will point back at sp1 through parent_pte.
219     The spt array forms a DAG structure with the shadow page as a node, and
220     guest pages as leaves.
221   gfns:
222     An array of 512 guest frame numbers, one for each present pte.  Used to
223     perform a reverse map from a pte to a gfn. When role.direct is set, any
224     element of this array can be calculated from the gfn field when used, in
225     this case, the array of gfns is not allocated. See role.direct and gfn.
226   root_count:
227     A counter keeping track of how many hardware registers (guest cr3 or
228     pdptrs) are now pointing at the page.  While this counter is nonzero, the
229     page cannot be destroyed.  See role.invalid.
230   parent_ptes:
231     The reverse mapping for the pte/ptes pointing at this page's spt. If
232     parent_ptes bit 0 is zero, only one spte points at this page and
233     parent_ptes points at this single spte, otherwise, there exists multiple
234     sptes pointing at this page and (parent_ptes & ~0x1) points at a data
235     structure with a list of parent sptes.
236   unsync:
237     If true, then the translations in this page may not match the guest's
238     translation.  This is equivalent to the state of the tlb when a pte is
239     changed but before the tlb entry is flushed.  Accordingly, unsync ptes
240     are synchronized when the guest executes invlpg or flushes its tlb by
241     other means.  Valid for leaf pages.
242   unsync_children:
243     How many sptes in the page point at pages that are unsync (or have
244     unsynchronized children).
245   unsync_child_bitmap:
246     A bitmap indicating which sptes in spt point (directly or indirectly) at
247     pages that may be unsynchronized.  Used to quickly locate all unsychronized
248     pages reachable from a given page.
249   clear_spte_count:
250     Only present on 32-bit hosts, where a 64-bit spte cannot be written
251     atomically.  The reader uses this while running out of the MMU lock
252     to detect in-progress updates and retry them until the writer has
253     finished the write.
254   write_flooding_count:
255     A guest may write to a page table many times, causing a lot of
256     emulations if the page needs to be write-protected (see "Synchronized
257     and unsynchronized pages" below).  Leaf pages can be unsynchronized
258     so that they do not trigger frequent emulation, but this is not
259     possible for non-leafs.  This field counts the number of emulations
260     since the last time the page table was actually used; if emulation
261     is triggered too frequently on this page, KVM will unmap the page
262     to avoid emulation in the future.
263
264 Reverse map
265 ===========
266
267 The mmu maintains a reverse mapping whereby all ptes mapping a page can be
268 reached given its gfn.  This is used, for example, when swapping out a page.
269
270 Synchronized and unsynchronized pages
271 =====================================
272
273 The guest uses two events to synchronize its tlb and page tables: tlb flushes
274 and page invalidations (invlpg).
275
276 A tlb flush means that we need to synchronize all sptes reachable from the
277 guest's cr3.  This is expensive, so we keep all guest page tables write
278 protected, and synchronize sptes to gptes when a gpte is written.
279
280 A special case is when a guest page table is reachable from the current
281 guest cr3.  In this case, the guest is obliged to issue an invlpg instruction
282 before using the translation.  We take advantage of that by removing write
283 protection from the guest page, and allowing the guest to modify it freely.
284 We synchronize modified gptes when the guest invokes invlpg.  This reduces
285 the amount of emulation we have to do when the guest modifies multiple gptes,
286 or when the a guest page is no longer used as a page table and is used for
287 random guest data.
288
289 As a side effect we have to resynchronize all reachable unsynchronized shadow
290 pages on a tlb flush.
291
292
293 Reaction to events
294 ==================
295
296 - guest page fault (or npt page fault, or ept violation)
297
298 This is the most complicated event.  The cause of a page fault can be:
299
300   - a true guest fault (the guest translation won't allow the access) (*)
301   - access to a missing translation
302   - access to a protected translation
303     - when logging dirty pages, memory is write protected
304     - synchronized shadow pages are write protected (*)
305   - access to untranslatable memory (mmio)
306
307   (*) not applicable in direct mode
308
309 Handling a page fault is performed as follows:
310
311  - if the RSV bit of the error code is set, the page fault is caused by guest
312    accessing MMIO and cached MMIO information is available.
313
314    - walk shadow page table
315    - check for valid generation number in the spte (see "Fast invalidation of
316      MMIO sptes" below)
317    - cache the information to vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and
318      vcpu->arch.mmio_gfn, and call the emulator
319
320  - If both P bit and R/W bit of error code are set, this could possibly
321    be handled as a "fast page fault" (fixed without taking the MMU lock).  See
322    the description in Documentation/virt/kvm/locking.rst.
323
324  - if needed, walk the guest page tables to determine the guest translation
325    (gva->gpa or ngpa->gpa)
326
327    - if permissions are insufficient, reflect the fault back to the guest
328
329  - determine the host page
330
331    - if this is an mmio request, there is no host page; cache the info to
332      vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and vcpu->arch.mmio_gfn
333
334  - walk the shadow page table to find the spte for the translation,
335    instantiating missing intermediate page tables as necessary
336
337    - If this is an mmio request, cache the mmio info to the spte and set some
338      reserved bit on the spte (see callers of kvm_mmu_set_mmio_spte_mask)
339
340  - try to unsynchronize the page
341
342    - if successful, we can let the guest continue and modify the gpte
343
344  - emulate the instruction
345
346    - if failed, unshadow the page and let the guest continue
347
348  - update any translations that were modified by the instruction
349
350 invlpg handling:
351
352   - walk the shadow page hierarchy and drop affected translations
353   - try to reinstantiate the indicated translation in the hope that the
354     guest will use it in the near future
355
356 Guest control register updates:
357
358 - mov to cr3
359
360   - look up new shadow roots
361   - synchronize newly reachable shadow pages
362
363 - mov to cr0/cr4/efer
364
365   - set up mmu context for new paging mode
366   - look up new shadow roots
367   - synchronize newly reachable shadow pages
368
369 Host translation updates:
370
371   - mmu notifier called with updated hva
372   - look up affected sptes through reverse map
373   - drop (or update) translations
374
375 Emulating cr0.wp
376 ================
377
378 If tdp is not enabled, the host must keep cr0.wp=1 so page write protection
379 works for the guest kernel, not guest guest userspace.  When the guest
380 cr0.wp=1, this does not present a problem.  However when the guest cr0.wp=0,
381 we cannot map the permissions for gpte.u=1, gpte.w=0 to any spte (the
382 semantics require allowing any guest kernel access plus user read access).
383
384 We handle this by mapping the permissions to two possible sptes, depending
385 on fault type:
386
387 - kernel write fault: spte.u=0, spte.w=1 (allows full kernel access,
388   disallows user access)
389 - read fault: spte.u=1, spte.w=0 (allows full read access, disallows kernel
390   write access)
391
392 (user write faults generate a #PF)
393
394 In the first case there are two additional complications:
395
396 - if CR4.SMEP is enabled: since we've turned the page into a kernel page,
397   the kernel may now execute it.  We handle this by also setting spte.nx.
398   If we get a user fetch or read fault, we'll change spte.u=1 and
399   spte.nx=gpte.nx back.  For this to work, KVM forces EFER.NX to 1 when
400   shadow paging is in use.
401 - if CR4.SMAP is disabled: since the page has been changed to a kernel
402   page, it can not be reused when CR4.SMAP is enabled. We set
403   CR4.SMAP && !CR0.WP into shadow page's role to avoid this case. Note,
404   here we do not care the case that CR4.SMAP is enabled since KVM will
405   directly inject #PF to guest due to failed permission check.
406
407 To prevent an spte that was converted into a kernel page with cr0.wp=0
408 from being written by the kernel after cr0.wp has changed to 1, we make
409 the value of cr0.wp part of the page role.  This means that an spte created
410 with one value of cr0.wp cannot be used when cr0.wp has a different value -
411 it will simply be missed by the shadow page lookup code.  A similar issue
412 exists when an spte created with cr0.wp=0 and cr4.smep=0 is used after
413 changing cr4.smep to 1.  To avoid this, the value of !cr0.wp && cr4.smep
414 is also made a part of the page role.
415
416 Large pages
417 ===========
418
419 The mmu supports all combinations of large and small guest and host pages.
420 Supported page sizes include 4k, 2M, 4M, and 1G.  4M pages are treated as
421 two separate 2M pages, on both guest and host, since the mmu always uses PAE
422 paging.
423
424 To instantiate a large spte, four constraints must be satisfied:
425
426 - the spte must point to a large host page
427 - the guest pte must be a large pte of at least equivalent size (if tdp is
428   enabled, there is no guest pte and this condition is satisfied)
429 - if the spte will be writeable, the large page frame may not overlap any
430   write-protected pages
431 - the guest page must be wholly contained by a single memory slot
432
433 To check the last two conditions, the mmu maintains a ->disallow_lpage set of
434 arrays for each memory slot and large page size.  Every write protected page
435 causes its disallow_lpage to be incremented, thus preventing instantiation of
436 a large spte.  The frames at the end of an unaligned memory slot have
437 artificially inflated ->disallow_lpages so they can never be instantiated.
438
439 Fast invalidation of MMIO sptes
440 ===============================
441
442 As mentioned in "Reaction to events" above, kvm will cache MMIO
443 information in leaf sptes.  When a new memslot is added or an existing
444 memslot is changed, this information may become stale and needs to be
445 invalidated.  This also needs to hold the MMU lock while walking all
446 shadow pages, and is made more scalable with a similar technique.
447
448 MMIO sptes have a few spare bits, which are used to store a
449 generation number.  The global generation number is stored in
450 kvm_memslots(kvm)->generation, and increased whenever guest memory info
451 changes.
452
453 When KVM finds an MMIO spte, it checks the generation number of the spte.
454 If the generation number of the spte does not equal the global generation
455 number, it will ignore the cached MMIO information and handle the page
456 fault through the slow path.
457
458 Since only 18 bits are used to store generation-number on mmio spte, all
459 pages are zapped when there is an overflow.
460
461 Unfortunately, a single memory access might access kvm_memslots(kvm) multiple
462 times, the last one happening when the generation number is retrieved and
463 stored into the MMIO spte.  Thus, the MMIO spte might be created based on
464 out-of-date information, but with an up-to-date generation number.
465
466 To avoid this, the generation number is incremented again after synchronize_srcu
467 returns; thus, bit 63 of kvm_memslots(kvm)->generation set to 1 only during a
468 memslot update, while some SRCU readers might be using the old copy.  We do not
469 want to use an MMIO sptes created with an odd generation number, and we can do
470 this without losing a bit in the MMIO spte.  The "update in-progress" bit of the
471 generation is not stored in MMIO spte, and is so is implicitly zero when the
472 generation is extracted out of the spte.  If KVM is unlucky and creates an MMIO
473 spte while an update is in-progress, the next access to the spte will always be
474 a cache miss.  For example, a subsequent access during the update window will
475 miss due to the in-progress flag diverging, while an access after the update
476 window closes will have a higher generation number (as compared to the spte).
477
478
479 Further reading
480 ===============
481
482 - NPT presentation from KVM Forum 2008
483   https://www.linux-kvm.org/images/c/c8/KvmForum2008%24kdf2008_21.pdf