Backmerge remote-tracking branch 'drm/drm-next' into drm-misc-next
[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 from the parent ptes in the form uwx.
175     Note execute 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.efer_nx:
184     Contains the value of efer.nx 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.smm:
196     Is 1 if the page is valid in system management mode.  This field
197     determines which of the kvm_memslots array was used to build this
198     shadow page; it is also used to go back from a struct kvm_mmu_page
199     to a memslot, through the kvm_memslots_for_spte_role macro and
200     __gfn_to_memslot.
201   role.ad_disabled:
202     Is 1 if the MMU instance cannot use A/D bits.  EPT did not have A/D
203     bits before Haswell; shadow EPT page tables also cannot use A/D bits
204     if the L1 hypervisor does not enable them.
205   gfn:
206     Either the guest page table containing the translations shadowed by this
207     page, or the base page frame for linear translations.  See role.direct.
208   spt:
209     A pageful of 64-bit sptes containing the translations for this page.
210     Accessed by both kvm and hardware.
211     The page pointed to by spt will have its page->private pointing back
212     at the shadow page structure.
213     sptes in spt point either at guest pages, or at lower-level shadow pages.
214     Specifically, if sp1 and sp2 are shadow pages, then sp1->spt[n] may point
215     at __pa(sp2->spt).  sp2 will point back at sp1 through parent_pte.
216     The spt array forms a DAG structure with the shadow page as a node, and
217     guest pages as leaves.
218   gfns:
219     An array of 512 guest frame numbers, one for each present pte.  Used to
220     perform a reverse map from a pte to a gfn. When role.direct is set, any
221     element of this array can be calculated from the gfn field when used, in
222     this case, the array of gfns is not allocated. See role.direct and gfn.
223   root_count:
224     A counter keeping track of how many hardware registers (guest cr3 or
225     pdptrs) are now pointing at the page.  While this counter is nonzero, the
226     page cannot be destroyed.  See role.invalid.
227   parent_ptes:
228     The reverse mapping for the pte/ptes pointing at this page's spt. If
229     parent_ptes bit 0 is zero, only one spte points at this page and
230     parent_ptes points at this single spte, otherwise, there exists multiple
231     sptes pointing at this page and (parent_ptes & ~0x1) points at a data
232     structure with a list of parent sptes.
233   unsync:
234     If true, then the translations in this page may not match the guest's
235     translation.  This is equivalent to the state of the tlb when a pte is
236     changed but before the tlb entry is flushed.  Accordingly, unsync ptes
237     are synchronized when the guest executes invlpg or flushes its tlb by
238     other means.  Valid for leaf pages.
239   unsync_children:
240     How many sptes in the page point at pages that are unsync (or have
241     unsynchronized children).
242   unsync_child_bitmap:
243     A bitmap indicating which sptes in spt point (directly or indirectly) at
244     pages that may be unsynchronized.  Used to quickly locate all unsychronized
245     pages reachable from a given page.
246   clear_spte_count:
247     Only present on 32-bit hosts, where a 64-bit spte cannot be written
248     atomically.  The reader uses this while running out of the MMU lock
249     to detect in-progress updates and retry them until the writer has
250     finished the write.
251   write_flooding_count:
252     A guest may write to a page table many times, causing a lot of
253     emulations if the page needs to be write-protected (see "Synchronized
254     and unsynchronized pages" below).  Leaf pages can be unsynchronized
255     so that they do not trigger frequent emulation, but this is not
256     possible for non-leafs.  This field counts the number of emulations
257     since the last time the page table was actually used; if emulation
258     is triggered too frequently on this page, KVM will unmap the page
259     to avoid emulation in the future.
260
261 Reverse map
262 ===========
263
264 The mmu maintains a reverse mapping whereby all ptes mapping a page can be
265 reached given its gfn.  This is used, for example, when swapping out a page.
266
267 Synchronized and unsynchronized pages
268 =====================================
269
270 The guest uses two events to synchronize its tlb and page tables: tlb flushes
271 and page invalidations (invlpg).
272
273 A tlb flush means that we need to synchronize all sptes reachable from the
274 guest's cr3.  This is expensive, so we keep all guest page tables write
275 protected, and synchronize sptes to gptes when a gpte is written.
276
277 A special case is when a guest page table is reachable from the current
278 guest cr3.  In this case, the guest is obliged to issue an invlpg instruction
279 before using the translation.  We take advantage of that by removing write
280 protection from the guest page, and allowing the guest to modify it freely.
281 We synchronize modified gptes when the guest invokes invlpg.  This reduces
282 the amount of emulation we have to do when the guest modifies multiple gptes,
283 or when the a guest page is no longer used as a page table and is used for
284 random guest data.
285
286 As a side effect we have to resynchronize all reachable unsynchronized shadow
287 pages on a tlb flush.
288
289
290 Reaction to events
291 ==================
292
293 - guest page fault (or npt page fault, or ept violation)
294
295 This is the most complicated event.  The cause of a page fault can be:
296
297   - a true guest fault (the guest translation won't allow the access) (*)
298   - access to a missing translation
299   - access to a protected translation
300     - when logging dirty pages, memory is write protected
301     - synchronized shadow pages are write protected (*)
302   - access to untranslatable memory (mmio)
303
304   (*) not applicable in direct mode
305
306 Handling a page fault is performed as follows:
307
308  - if the RSV bit of the error code is set, the page fault is caused by guest
309    accessing MMIO and cached MMIO information is available.
310
311    - walk shadow page table
312    - check for valid generation number in the spte (see "Fast invalidation of
313      MMIO sptes" below)
314    - cache the information to vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and
315      vcpu->arch.mmio_gfn, and call the emulator
316
317  - If both P bit and R/W bit of error code are set, this could possibly
318    be handled as a "fast page fault" (fixed without taking the MMU lock).  See
319    the description in Documentation/virt/kvm/locking.rst.
320
321  - if needed, walk the guest page tables to determine the guest translation
322    (gva->gpa or ngpa->gpa)
323
324    - if permissions are insufficient, reflect the fault back to the guest
325
326  - determine the host page
327
328    - if this is an mmio request, there is no host page; cache the info to
329      vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and vcpu->arch.mmio_gfn
330
331  - walk the shadow page table to find the spte for the translation,
332    instantiating missing intermediate page tables as necessary
333
334    - If this is an mmio request, cache the mmio info to the spte and set some
335      reserved bit on the spte (see callers of kvm_mmu_set_mmio_spte_mask)
336
337  - try to unsynchronize the page
338
339    - if successful, we can let the guest continue and modify the gpte
340
341  - emulate the instruction
342
343    - if failed, unshadow the page and let the guest continue
344
345  - update any translations that were modified by the instruction
346
347 invlpg handling:
348
349   - walk the shadow page hierarchy and drop affected translations
350   - try to reinstantiate the indicated translation in the hope that the
351     guest will use it in the near future
352
353 Guest control register updates:
354
355 - mov to cr3
356
357   - look up new shadow roots
358   - synchronize newly reachable shadow pages
359
360 - mov to cr0/cr4/efer
361
362   - set up mmu context for new paging mode
363   - look up new shadow roots
364   - synchronize newly reachable shadow pages
365
366 Host translation updates:
367
368   - mmu notifier called with updated hva
369   - look up affected sptes through reverse map
370   - drop (or update) translations
371
372 Emulating cr0.wp
373 ================
374
375 If tdp is not enabled, the host must keep cr0.wp=1 so page write protection
376 works for the guest kernel, not guest guest userspace.  When the guest
377 cr0.wp=1, this does not present a problem.  However when the guest cr0.wp=0,
378 we cannot map the permissions for gpte.u=1, gpte.w=0 to any spte (the
379 semantics require allowing any guest kernel access plus user read access).
380
381 We handle this by mapping the permissions to two possible sptes, depending
382 on fault type:
383
384 - kernel write fault: spte.u=0, spte.w=1 (allows full kernel access,
385   disallows user access)
386 - read fault: spte.u=1, spte.w=0 (allows full read access, disallows kernel
387   write access)
388
389 (user write faults generate a #PF)
390
391 In the first case there are two additional complications:
392
393 - if CR4.SMEP is enabled: since we've turned the page into a kernel page,
394   the kernel may now execute it.  We handle this by also setting spte.nx.
395   If we get a user fetch or read fault, we'll change spte.u=1 and
396   spte.nx=gpte.nx back.  For this to work, KVM forces EFER.NX to 1 when
397   shadow paging is in use.
398 - if CR4.SMAP is disabled: since the page has been changed to a kernel
399   page, it can not be reused when CR4.SMAP is enabled. We set
400   CR4.SMAP && !CR0.WP into shadow page's role to avoid this case. Note,
401   here we do not care the case that CR4.SMAP is enabled since KVM will
402   directly inject #PF to guest due to failed permission check.
403
404 To prevent an spte that was converted into a kernel page with cr0.wp=0
405 from being written by the kernel after cr0.wp has changed to 1, we make
406 the value of cr0.wp part of the page role.  This means that an spte created
407 with one value of cr0.wp cannot be used when cr0.wp has a different value -
408 it will simply be missed by the shadow page lookup code.  A similar issue
409 exists when an spte created with cr0.wp=0 and cr4.smep=0 is used after
410 changing cr4.smep to 1.  To avoid this, the value of !cr0.wp && cr4.smep
411 is also made a part of the page role.
412
413 Large pages
414 ===========
415
416 The mmu supports all combinations of large and small guest and host pages.
417 Supported page sizes include 4k, 2M, 4M, and 1G.  4M pages are treated as
418 two separate 2M pages, on both guest and host, since the mmu always uses PAE
419 paging.
420
421 To instantiate a large spte, four constraints must be satisfied:
422
423 - the spte must point to a large host page
424 - the guest pte must be a large pte of at least equivalent size (if tdp is
425   enabled, there is no guest pte and this condition is satisfied)
426 - if the spte will be writeable, the large page frame may not overlap any
427   write-protected pages
428 - the guest page must be wholly contained by a single memory slot
429
430 To check the last two conditions, the mmu maintains a ->disallow_lpage set of
431 arrays for each memory slot and large page size.  Every write protected page
432 causes its disallow_lpage to be incremented, thus preventing instantiation of
433 a large spte.  The frames at the end of an unaligned memory slot have
434 artificially inflated ->disallow_lpages so they can never be instantiated.
435
436 Fast invalidation of MMIO sptes
437 ===============================
438
439 As mentioned in "Reaction to events" above, kvm will cache MMIO
440 information in leaf sptes.  When a new memslot is added or an existing
441 memslot is changed, this information may become stale and needs to be
442 invalidated.  This also needs to hold the MMU lock while walking all
443 shadow pages, and is made more scalable with a similar technique.
444
445 MMIO sptes have a few spare bits, which are used to store a
446 generation number.  The global generation number is stored in
447 kvm_memslots(kvm)->generation, and increased whenever guest memory info
448 changes.
449
450 When KVM finds an MMIO spte, it checks the generation number of the spte.
451 If the generation number of the spte does not equal the global generation
452 number, it will ignore the cached MMIO information and handle the page
453 fault through the slow path.
454
455 Since only 18 bits are used to store generation-number on mmio spte, all
456 pages are zapped when there is an overflow.
457
458 Unfortunately, a single memory access might access kvm_memslots(kvm) multiple
459 times, the last one happening when the generation number is retrieved and
460 stored into the MMIO spte.  Thus, the MMIO spte might be created based on
461 out-of-date information, but with an up-to-date generation number.
462
463 To avoid this, the generation number is incremented again after synchronize_srcu
464 returns; thus, bit 63 of kvm_memslots(kvm)->generation set to 1 only during a
465 memslot update, while some SRCU readers might be using the old copy.  We do not
466 want to use an MMIO sptes created with an odd generation number, and we can do
467 this without losing a bit in the MMIO spte.  The "update in-progress" bit of the
468 generation is not stored in MMIO spte, and is so is implicitly zero when the
469 generation is extracted out of the spte.  If KVM is unlucky and creates an MMIO
470 spte while an update is in-progress, the next access to the spte will always be
471 a cache miss.  For example, a subsequent access during the update window will
472 miss due to the in-progress flag diverging, while an access after the update
473 window closes will have a higher generation number (as compared to the spte).
474
475
476 Further reading
477 ===============
478
479 - NPT presentation from KVM Forum 2008
480   https://www.linux-kvm.org/images/c/c8/KvmForum2008%24kdf2008_21.pdf