Merge tag 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/virt/kvm/kvm
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / virt / kvm / mmu.rst
diff --git a/Documentation/virt/kvm/mmu.rst b/Documentation/virt/kvm/mmu.rst
deleted file mode 100644 (file)
index 5b1ebad..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,480 +0,0 @@
-.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
-
-======================
-The x86 kvm shadow mmu
-======================
-
-The mmu (in arch/x86/kvm, files mmu.[ch] and paging_tmpl.h) is responsible
-for presenting a standard x86 mmu to the guest, while translating guest
-physical addresses to host physical addresses.
-
-The mmu code attempts to satisfy the following requirements:
-
-- correctness:
-              the guest should not be able to determine that it is running
-               on an emulated mmu except for timing (we attempt to comply
-               with the specification, not emulate the characteristics of
-               a particular implementation such as tlb size)
-- security:
-              the guest must not be able to touch host memory not assigned
-               to it
-- performance:
-               minimize the performance penalty imposed by the mmu
-- scaling:
-               need to scale to large memory and large vcpu guests
-- hardware:
-               support the full range of x86 virtualization hardware
-- integration:
-               Linux memory management code must be in control of guest memory
-               so that swapping, page migration, page merging, transparent
-               hugepages, and similar features work without change
-- dirty tracking:
-               report writes to guest memory to enable live migration
-               and framebuffer-based displays
-- footprint:
-               keep the amount of pinned kernel memory low (most memory
-               should be shrinkable)
-- reliability:
-               avoid multipage or GFP_ATOMIC allocations
-
-Acronyms
-========
-
-====  ====================================================================
-pfn   host page frame number
-hpa   host physical address
-hva   host virtual address
-gfn   guest frame number
-gpa   guest physical address
-gva   guest virtual address
-ngpa  nested guest physical address
-ngva  nested guest virtual address
-pte   page table entry (used also to refer generically to paging structure
-      entries)
-gpte  guest pte (referring to gfns)
-spte  shadow pte (referring to pfns)
-tdp   two dimensional paging (vendor neutral term for NPT and EPT)
-====  ====================================================================
-
-Virtual and real hardware supported
-===================================
-
-The mmu supports first-generation mmu hardware, which allows an atomic switch
-of the current paging mode and cr3 during guest entry, as well as
-two-dimensional paging (AMD's NPT and Intel's EPT).  The emulated hardware
-it exposes is the traditional 2/3/4 level x86 mmu, with support for global
-pages, pae, pse, pse36, cr0.wp, and 1GB pages. Emulated hardware also
-able to expose NPT capable hardware on NPT capable hosts.
-
-Translation
-===========
-
-The primary job of the mmu is to program the processor's mmu to translate
-addresses for the guest.  Different translations are required at different
-times:
-
-- when guest paging is disabled, we translate guest physical addresses to
-  host physical addresses (gpa->hpa)
-- when guest paging is enabled, we translate guest virtual addresses, to
-  guest physical addresses, to host physical addresses (gva->gpa->hpa)
-- when the guest launches a guest of its own, we translate nested guest
-  virtual addresses, to nested guest physical addresses, to guest physical
-  addresses, to host physical addresses (ngva->ngpa->gpa->hpa)
-
-The primary challenge is to encode between 1 and 3 translations into hardware
-that support only 1 (traditional) and 2 (tdp) translations.  When the
-number of required translations matches the hardware, the mmu operates in
-direct mode; otherwise it operates in shadow mode (see below).
-
-Memory
-======
-
-Guest memory (gpa) is part of the user address space of the process that is
-using kvm.  Userspace defines the translation between guest addresses and user
-addresses (gpa->hva); note that two gpas may alias to the same hva, but not
-vice versa.
-
-These hvas may be backed using any method available to the host: anonymous
-memory, file backed memory, and device memory.  Memory might be paged by the
-host at any time.
-
-Events
-======
-
-The mmu is driven by events, some from the guest, some from the host.
-
-Guest generated events:
-
-- writes to control registers (especially cr3)
-- invlpg/invlpga instruction execution
-- access to missing or protected translations
-
-Host generated events:
-
-- changes in the gpa->hpa translation (either through gpa->hva changes or
-  through hva->hpa changes)
-- memory pressure (the shrinker)
-
-Shadow pages
-============
-
-The principal data structure is the shadow page, 'struct kvm_mmu_page'.  A
-shadow page contains 512 sptes, which can be either leaf or nonleaf sptes.  A
-shadow page may contain a mix of leaf and nonleaf sptes.
-
-A nonleaf spte allows the hardware mmu to reach the leaf pages and
-is not related to a translation directly.  It points to other shadow pages.
-
-A leaf spte corresponds to either one or two translations encoded into
-one paging structure entry.  These are always the lowest level of the
-translation stack, with optional higher level translations left to NPT/EPT.
-Leaf ptes point at guest pages.
-
-The following table shows translations encoded by leaf ptes, with higher-level
-translations in parentheses:
-
- Non-nested guests::
-
-  nonpaging:     gpa->hpa
-  paging:        gva->gpa->hpa
-  paging, tdp:   (gva->)gpa->hpa
-
- Nested guests::
-
-  non-tdp:       ngva->gpa->hpa  (*)
-  tdp:           (ngva->)ngpa->gpa->hpa
-
-  (*) the guest hypervisor will encode the ngva->gpa translation into its page
-      tables if npt is not present
-
-Shadow pages contain the following information:
-  role.level:
-    The level in the shadow paging hierarchy that this shadow page belongs to.
-    1=4k sptes, 2=2M sptes, 3=1G sptes, etc.
-  role.direct:
-    If set, leaf sptes reachable from this page are for a linear range.
-    Examples include real mode translation, large guest pages backed by small
-    host pages, and gpa->hpa translations when NPT or EPT is active.
-    The linear range starts at (gfn << PAGE_SHIFT) and its size is determined
-    by role.level (2MB for first level, 1GB for second level, 0.5TB for third
-    level, 256TB for fourth level)
-    If clear, this page corresponds to a guest page table denoted by the gfn
-    field.
-  role.quadrant:
-    When role.has_4_byte_gpte=1, the guest uses 32-bit gptes while the host uses 64-bit
-    sptes.  That means a guest page table contains more ptes than the host,
-    so multiple shadow pages are needed to shadow one guest page.
-    For first-level shadow pages, role.quadrant can be 0 or 1 and denotes the
-    first or second 512-gpte block in the guest page table.  For second-level
-    page tables, each 32-bit gpte is converted to two 64-bit sptes
-    (since each first-level guest page is shadowed by two first-level
-    shadow pages) so role.quadrant takes values in the range 0..3.  Each
-    quadrant maps 1GB virtual address space.
-  role.access:
-    Inherited guest access permissions from the parent ptes in the form uwx.
-    Note execute permission is positive, not negative.
-  role.invalid:
-    The page is invalid and should not be used.  It is a root page that is
-    currently pinned (by a cpu hardware register pointing to it); once it is
-    unpinned it will be destroyed.
-  role.has_4_byte_gpte:
-    Reflects the size of the guest PTE for which the page is valid, i.e. '0'
-    if direct map or 64-bit gptes are in use, '1' if 32-bit gptes are in use.
-  role.efer_nx:
-    Contains the value of efer.nx for which the page is valid.
-  role.cr0_wp:
-    Contains the value of cr0.wp for which the page is valid.
-  role.smep_andnot_wp:
-    Contains the value of cr4.smep && !cr0.wp for which the page is valid
-    (pages for which this is true are different from other pages; see the
-    treatment of cr0.wp=0 below).
-  role.smap_andnot_wp:
-    Contains the value of cr4.smap && !cr0.wp for which the page is valid
-    (pages for which this is true are different from other pages; see the
-    treatment of cr0.wp=0 below).
-  role.smm:
-    Is 1 if the page is valid in system management mode.  This field
-    determines which of the kvm_memslots array was used to build this
-    shadow page; it is also used to go back from a struct kvm_mmu_page
-    to a memslot, through the kvm_memslots_for_spte_role macro and
-    __gfn_to_memslot.
-  role.ad_disabled:
-    Is 1 if the MMU instance cannot use A/D bits.  EPT did not have A/D
-    bits before Haswell; shadow EPT page tables also cannot use A/D bits
-    if the L1 hypervisor does not enable them.
-  gfn:
-    Either the guest page table containing the translations shadowed by this
-    page, or the base page frame for linear translations.  See role.direct.
-  spt:
-    A pageful of 64-bit sptes containing the translations for this page.
-    Accessed by both kvm and hardware.
-    The page pointed to by spt will have its page->private pointing back
-    at the shadow page structure.
-    sptes in spt point either at guest pages, or at lower-level shadow pages.
-    Specifically, if sp1 and sp2 are shadow pages, then sp1->spt[n] may point
-    at __pa(sp2->spt).  sp2 will point back at sp1 through parent_pte.
-    The spt array forms a DAG structure with the shadow page as a node, and
-    guest pages as leaves.
-  gfns:
-    An array of 512 guest frame numbers, one for each present pte.  Used to
-    perform a reverse map from a pte to a gfn. When role.direct is set, any
-    element of this array can be calculated from the gfn field when used, in
-    this case, the array of gfns is not allocated. See role.direct and gfn.
-  root_count:
-    A counter keeping track of how many hardware registers (guest cr3 or
-    pdptrs) are now pointing at the page.  While this counter is nonzero, the
-    page cannot be destroyed.  See role.invalid.
-  parent_ptes:
-    The reverse mapping for the pte/ptes pointing at this page's spt. If
-    parent_ptes bit 0 is zero, only one spte points at this page and
-    parent_ptes points at this single spte, otherwise, there exists multiple
-    sptes pointing at this page and (parent_ptes & ~0x1) points at a data
-    structure with a list of parent sptes.
-  unsync:
-    If true, then the translations in this page may not match the guest's
-    translation.  This is equivalent to the state of the tlb when a pte is
-    changed but before the tlb entry is flushed.  Accordingly, unsync ptes
-    are synchronized when the guest executes invlpg or flushes its tlb by
-    other means.  Valid for leaf pages.
-  unsync_children:
-    How many sptes in the page point at pages that are unsync (or have
-    unsynchronized children).
-  unsync_child_bitmap:
-    A bitmap indicating which sptes in spt point (directly or indirectly) at
-    pages that may be unsynchronized.  Used to quickly locate all unsychronized
-    pages reachable from a given page.
-  clear_spte_count:
-    Only present on 32-bit hosts, where a 64-bit spte cannot be written
-    atomically.  The reader uses this while running out of the MMU lock
-    to detect in-progress updates and retry them until the writer has
-    finished the write.
-  write_flooding_count:
-    A guest may write to a page table many times, causing a lot of
-    emulations if the page needs to be write-protected (see "Synchronized
-    and unsynchronized pages" below).  Leaf pages can be unsynchronized
-    so that they do not trigger frequent emulation, but this is not
-    possible for non-leafs.  This field counts the number of emulations
-    since the last time the page table was actually used; if emulation
-    is triggered too frequently on this page, KVM will unmap the page
-    to avoid emulation in the future.
-
-Reverse map
-===========
-
-The mmu maintains a reverse mapping whereby all ptes mapping a page can be
-reached given its gfn.  This is used, for example, when swapping out a page.
-
-Synchronized and unsynchronized pages
-=====================================
-
-The guest uses two events to synchronize its tlb and page tables: tlb flushes
-and page invalidations (invlpg).
-
-A tlb flush means that we need to synchronize all sptes reachable from the
-guest's cr3.  This is expensive, so we keep all guest page tables write
-protected, and synchronize sptes to gptes when a gpte is written.
-
-A special case is when a guest page table is reachable from the current
-guest cr3.  In this case, the guest is obliged to issue an invlpg instruction
-before using the translation.  We take advantage of that by removing write
-protection from the guest page, and allowing the guest to modify it freely.
-We synchronize modified gptes when the guest invokes invlpg.  This reduces
-the amount of emulation we have to do when the guest modifies multiple gptes,
-or when the a guest page is no longer used as a page table and is used for
-random guest data.
-
-As a side effect we have to resynchronize all reachable unsynchronized shadow
-pages on a tlb flush.
-
-
-Reaction to events
-==================
-
-- guest page fault (or npt page fault, or ept violation)
-
-This is the most complicated event.  The cause of a page fault can be:
-
-  - a true guest fault (the guest translation won't allow the access) (*)
-  - access to a missing translation
-  - access to a protected translation
-    - when logging dirty pages, memory is write protected
-    - synchronized shadow pages are write protected (*)
-  - access to untranslatable memory (mmio)
-
-  (*) not applicable in direct mode
-
-Handling a page fault is performed as follows:
-
- - if the RSV bit of the error code is set, the page fault is caused by guest
-   accessing MMIO and cached MMIO information is available.
-
-   - walk shadow page table
-   - check for valid generation number in the spte (see "Fast invalidation of
-     MMIO sptes" below)
-   - cache the information to vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and
-     vcpu->arch.mmio_gfn, and call the emulator
-
- - If both P bit and R/W bit of error code are set, this could possibly
-   be handled as a "fast page fault" (fixed without taking the MMU lock).  See
-   the description in Documentation/virt/kvm/locking.rst.
-
- - if needed, walk the guest page tables to determine the guest translation
-   (gva->gpa or ngpa->gpa)
-
-   - if permissions are insufficient, reflect the fault back to the guest
-
- - determine the host page
-
-   - if this is an mmio request, there is no host page; cache the info to
-     vcpu->arch.mmio_gva, vcpu->arch.mmio_access and vcpu->arch.mmio_gfn
-
- - walk the shadow page table to find the spte for the translation,
-   instantiating missing intermediate page tables as necessary
-
-   - If this is an mmio request, cache the mmio info to the spte and set some
-     reserved bit on the spte (see callers of kvm_mmu_set_mmio_spte_mask)
-
- - try to unsynchronize the page
-
-   - if successful, we can let the guest continue and modify the gpte
-
- - emulate the instruction
-
-   - if failed, unshadow the page and let the guest continue
-
- - update any translations that were modified by the instruction
-
-invlpg handling:
-
-  - walk the shadow page hierarchy and drop affected translations
-  - try to reinstantiate the indicated translation in the hope that the
-    guest will use it in the near future
-
-Guest control register updates:
-
-- mov to cr3
-
-  - look up new shadow roots
-  - synchronize newly reachable shadow pages
-
-- mov to cr0/cr4/efer
-
-  - set up mmu context for new paging mode
-  - look up new shadow roots
-  - synchronize newly reachable shadow pages
-
-Host translation updates:
-
-  - mmu notifier called with updated hva
-  - look up affected sptes through reverse map
-  - drop (or update) translations
-
-Emulating cr0.wp
-================
-
-If tdp is not enabled, the host must keep cr0.wp=1 so page write protection
-works for the guest kernel, not guest guest userspace.  When the guest
-cr0.wp=1, this does not present a problem.  However when the guest cr0.wp=0,
-we cannot map the permissions for gpte.u=1, gpte.w=0 to any spte (the
-semantics require allowing any guest kernel access plus user read access).
-
-We handle this by mapping the permissions to two possible sptes, depending
-on fault type:
-
-- kernel write fault: spte.u=0, spte.w=1 (allows full kernel access,
-  disallows user access)
-- read fault: spte.u=1, spte.w=0 (allows full read access, disallows kernel
-  write access)
-
-(user write faults generate a #PF)
-
-In the first case there are two additional complications:
-
-- if CR4.SMEP is enabled: since we've turned the page into a kernel page,
-  the kernel may now execute it.  We handle this by also setting spte.nx.
-  If we get a user fetch or read fault, we'll change spte.u=1 and
-  spte.nx=gpte.nx back.  For this to work, KVM forces EFER.NX to 1 when
-  shadow paging is in use.
-- if CR4.SMAP is disabled: since the page has been changed to a kernel
-  page, it can not be reused when CR4.SMAP is enabled. We set
-  CR4.SMAP && !CR0.WP into shadow page's role to avoid this case. Note,
-  here we do not care the case that CR4.SMAP is enabled since KVM will
-  directly inject #PF to guest due to failed permission check.
-
-To prevent an spte that was converted into a kernel page with cr0.wp=0
-from being written by the kernel after cr0.wp has changed to 1, we make
-the value of cr0.wp part of the page role.  This means that an spte created
-with one value of cr0.wp cannot be used when cr0.wp has a different value -
-it will simply be missed by the shadow page lookup code.  A similar issue
-exists when an spte created with cr0.wp=0 and cr4.smep=0 is used after
-changing cr4.smep to 1.  To avoid this, the value of !cr0.wp && cr4.smep
-is also made a part of the page role.
-
-Large pages
-===========
-
-The mmu supports all combinations of large and small guest and host pages.
-Supported page sizes include 4k, 2M, 4M, and 1G.  4M pages are treated as
-two separate 2M pages, on both guest and host, since the mmu always uses PAE
-paging.
-
-To instantiate a large spte, four constraints must be satisfied:
-
-- the spte must point to a large host page
-- the guest pte must be a large pte of at least equivalent size (if tdp is
-  enabled, there is no guest pte and this condition is satisfied)
-- if the spte will be writeable, the large page frame may not overlap any
-  write-protected pages
-- the guest page must be wholly contained by a single memory slot
-
-To check the last two conditions, the mmu maintains a ->disallow_lpage set of
-arrays for each memory slot and large page size.  Every write protected page
-causes its disallow_lpage to be incremented, thus preventing instantiation of
-a large spte.  The frames at the end of an unaligned memory slot have
-artificially inflated ->disallow_lpages so they can never be instantiated.
-
-Fast invalidation of MMIO sptes
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-
-As mentioned in "Reaction to events" above, kvm will cache MMIO
-information in leaf sptes.  When a new memslot is added or an existing
-memslot is changed, this information may become stale and needs to be
-invalidated.  This also needs to hold the MMU lock while walking all
-shadow pages, and is made more scalable with a similar technique.
-
-MMIO sptes have a few spare bits, which are used to store a
-generation number.  The global generation number is stored in
-kvm_memslots(kvm)->generation, and increased whenever guest memory info
-changes.
-
-When KVM finds an MMIO spte, it checks the generation number of the spte.
-If the generation number of the spte does not equal the global generation
-number, it will ignore the cached MMIO information and handle the page
-fault through the slow path.
-
-Since only 18 bits are used to store generation-number on mmio spte, all
-pages are zapped when there is an overflow.
-
-Unfortunately, a single memory access might access kvm_memslots(kvm) multiple
-times, the last one happening when the generation number is retrieved and
-stored into the MMIO spte.  Thus, the MMIO spte might be created based on
-out-of-date information, but with an up-to-date generation number.
-
-To avoid this, the generation number is incremented again after synchronize_srcu
-returns; thus, bit 63 of kvm_memslots(kvm)->generation set to 1 only during a
-memslot update, while some SRCU readers might be using the old copy.  We do not
-want to use an MMIO sptes created with an odd generation number, and we can do
-this without losing a bit in the MMIO spte.  The "update in-progress" bit of the
-generation is not stored in MMIO spte, and is so is implicitly zero when the
-generation is extracted out of the spte.  If KVM is unlucky and creates an MMIO
-spte while an update is in-progress, the next access to the spte will always be
-a cache miss.  For example, a subsequent access during the update window will
-miss due to the in-progress flag diverging, while an access after the update
-window closes will have a higher generation number (as compared to the spte).
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-Further reading
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-- NPT presentation from KVM Forum 2008
-  https://www.linux-kvm.org/images/c/c8/KvmForum2008%24kdf2008_21.pdf