Pull fujitsu into release branch
[powerpc.git] / Documentation / lguest / lguest.c
index 3949620..f266839 100644 (file)
 #include <zlib.h>
 #include <assert.h>
 #include <sched.h>
-/*L:110 We can ignore the 30 include files we need for this program, but I do
+#include "linux/lguest_launcher.h"
+#include "linux/virtio_config.h"
+#include "linux/virtio_net.h"
+#include "linux/virtio_blk.h"
+#include "linux/virtio_console.h"
+#include "linux/virtio_ring.h"
+#include "asm-x86/bootparam.h"
+/*L:110 We can ignore the 38 include files we need for this program, but I do
  * want to draw attention to the use of kernel-style types.
  *
  * As Linus said, "C is a Spartan language, and so should your naming be."  I
- * like these abbreviations and the header we need uses them, so we define them
- * here.
- */
+ * like these abbreviations, so we define them here.  Note that u64 is always
+ * unsigned long long, which works on all Linux systems: this means that we can
+ * use %llu in printf for any u64. */
 typedef unsigned long long u64;
 typedef uint32_t u32;
 typedef uint16_t u16;
 typedef uint8_t u8;
-#include "linux/lguest_launcher.h"
-#include "linux/pci_ids.h"
-#include "linux/virtio_config.h"
-#include "linux/virtio_net.h"
-#include "linux/virtio_blk.h"
-#include "linux/virtio_console.h"
-#include "linux/virtio_ring.h"
-#include "asm-x86/e820.h"
 /*:*/
 
 #define PAGE_PRESENT 0x7       /* Present, RW, Execute */
@@ -335,7 +334,7 @@ static unsigned long map_elf(int elf_fd, const Elf32_Ehdr *ehdr)
  * the funky header so we know where in the file to load, and away we go! */
 static unsigned long load_bzimage(int fd)
 {
-       u8 hdr[1024];
+       struct boot_params boot;
        int r;
        /* Modern bzImages get loaded at 1M. */
        void *p = from_guest_phys(0x100000);
@@ -343,27 +342,26 @@ static unsigned long load_bzimage(int fd)
        /* Go back to the start of the file and read the header.  It should be
         * a Linux boot header (see Documentation/i386/boot.txt) */
        lseek(fd, 0, SEEK_SET);
-       read(fd, hdr, sizeof(hdr));
+       read(fd, &boot, sizeof(boot));
 
-       /* At offset 0x202, we expect the magic "HdrS" */
-       if (memcmp(hdr + 0x202, "HdrS", 4) != 0)
+       /* Inside the setup_hdr, we expect the magic "HdrS" */
+       if (memcmp(&boot.hdr.header, "HdrS", 4) != 0)
                errx(1, "This doesn't look like a bzImage to me");
 
-       /* The byte at 0x1F1 tells us how many extra sectors of
-        * header: skip over them all. */
-       lseek(fd, (unsigned long)(hdr[0x1F1]+1) * 512, SEEK_SET);
+       /* Skip over the extra sectors of the header. */
+       lseek(fd, (boot.hdr.setup_sects+1) * 512, SEEK_SET);
 
        /* Now read everything into memory. in nice big chunks. */
        while ((r = read(fd, p, 65536)) > 0)
                p += r;
 
-       /* Finally, 0x214 tells us where to start the kernel. */
-       return *(unsigned long *)&hdr[0x214];
+       /* Finally, code32_start tells us where to enter the kernel. */
+       return boot.hdr.code32_start;
 }
 
 /*L:140 Loading the kernel is easy when it's a "vmlinux", but most kernels
- * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With some funky
- * coding, we can load those, too. */
+ * come wrapped up in the self-decompressing "bzImage" format.  With a little
+ * work, we can load those, too. */
 static unsigned long load_kernel(int fd)
 {
        Elf32_Ehdr hdr;
@@ -466,6 +464,7 @@ static unsigned long setup_pagetables(unsigned long mem,
         * to know where it is. */
        return to_guest_phys(pgdir);
 }
+/*:*/
 
 /* Simple routine to roll all the commandline arguments together with spaces
  * between them. */
@@ -482,9 +481,9 @@ static void concat(char *dst, char *args[])
        dst[len] = '\0';
 }
 
-/* This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We saw
- * the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
- * the base of guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
+/*L:185 This is where we actually tell the kernel to initialize the Guest.  We
+ * saw the arguments it expects when we looked at initialize() in lguest_user.c:
+ * the base of Guest "physical" memory, the top physical page to allow, the
  * top level pagetable and the entry point for the Guest. */
 static int tell_kernel(unsigned long pgdir, unsigned long start)
 {
@@ -514,13 +513,14 @@ static void add_device_fd(int fd)
 /*L:200
  * The Waker.
  *
- * With a console and network devices, we can have lots of input which we need
- * to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to watch,
- * but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly icky.
+ * With console, block and network devices, we can have lots of input which we
+ * need to process.  We could try to tell the kernel what file descriptors to
+ * watch, but handing a file descriptor mask through to the kernel is fairly
+ * icky.
  *
  * Instead, we fork off a process which watches the file descriptors and writes
- * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest filedescriptor to tell the Host
- * loop to stop running the Guest.  This causes it to return from the
+ * the LHREQ_BREAK command to the /dev/lguest file descriptor to tell the Host
+ * stop running the Guest.  This causes the Launcher to return from the
  * /dev/lguest read with -EAGAIN, where it will write to /dev/lguest to reset
  * the LHREQ_BREAK and wake us up again.
  *
@@ -546,7 +546,9 @@ static void wake_parent(int pipefd, int lguest_fd)
                        if (read(pipefd, &fd, sizeof(fd)) == 0)
                                exit(0);
                        /* Otherwise it's telling us to change what file
-                        * descriptors we're to listen to. */
+                        * descriptors we're to listen to.  Positive means
+                        * listen to a new one, negative means stop
+                        * listening. */
                        if (fd >= 0)
                                FD_SET(fd, &devices.infds);
                        else
@@ -561,7 +563,7 @@ static int setup_waker(int lguest_fd)
 {
        int pipefd[2], child;
 
-       /* We create a pipe to talk to the waker, and also so it knows when the
+       /* We create a pipe to talk to the Waker, and also so it knows when the
         * Launcher dies (and closes pipe). */
        pipe(pipefd);
        child = fork();
@@ -569,7 +571,8 @@ static int setup_waker(int lguest_fd)
                err(1, "forking");
 
        if (child == 0) {
-               /* Close the "writing" end of our copy of the pipe */
+               /* We are the Waker: close the "writing" end of our copy of the
+                * pipe and start waiting for input. */
                close(pipefd[1]);
                wake_parent(pipefd[0], lguest_fd);
        }
@@ -580,12 +583,12 @@ static int setup_waker(int lguest_fd)
        return pipefd[1];
 }
 
-/*L:210
+/*
  * Device Handling.
  *
- * When the Guest sends DMA to us, it sends us an array of addresses and sizes.
+ * When the Guest gives us a buffer, it sends an array of addresses and sizes.
  * We need to make sure it's not trying to reach into the Launcher itself, so
- * we have a convenient routine which check it and exits with an error message
+ * we have a convenient routine which checks it and exits with an error message
  * if something funny is going on:
  */
 static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
@@ -602,7 +605,9 @@ static void *_check_pointer(unsigned long addr, unsigned int size,
 /* A macro which transparently hands the line number to the real function. */
 #define check_pointer(addr,size) _check_pointer(addr, size, __LINE__)
 
-/* This function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num. */
+/* Each buffer in the virtqueues is actually a chain of descriptors.  This
+ * function returns the next descriptor in the chain, or vq->vring.num if we're
+ * at the end. */
 static unsigned next_desc(struct virtqueue *vq, unsigned int i)
 {
        unsigned int next;
@@ -681,13 +686,14 @@ static unsigned get_vq_desc(struct virtqueue *vq,
        return head;
 }
 
-/* Once we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
+/* After we've used one of their buffers, we tell them about it.  We'll then
  * want to send them an interrupt, using trigger_irq(). */
 static void add_used(struct virtqueue *vq, unsigned int head, int len)
 {
        struct vring_used_elem *used;
 
-       /* Get a pointer to the next entry in the used ring. */
+       /* The virtqueue contains a ring of used buffers.  Get a pointer to the
+        * next entry in that used ring. */
        used = &vq->vring.used->ring[vq->vring.used->idx % vq->vring.num];
        used->id = head;
        used->len = len;
@@ -701,6 +707,7 @@ static void trigger_irq(int fd, struct virtqueue *vq)
 {
        unsigned long buf[] = { LHREQ_IRQ, vq->config.irq };
 
+       /* If they don't want an interrupt, don't send one. */
        if (vq->vring.avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT)
                return;
 
@@ -717,8 +724,11 @@ static void add_used_and_trigger(int fd, struct virtqueue *vq,
        trigger_irq(fd, vq);
 }
 
-/* Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
- * on exit so the user can see what they type next. */
+/*
+ * The Console
+ *
+ * Here is the input terminal setting we save, and the routine to restore them
+ * on exit so the user gets their terminal back. */
 static struct termios orig_term;
 static void restore_term(void)
 {
@@ -819,7 +829,10 @@ static void handle_console_output(int fd, struct virtqueue *vq)
        }
 }
 
-/* Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
+/*
+ * The Network
+ *
+ * Handling output for network is also simple: we get all the output buffers
  * and write them (ignoring the first element) to this device's file descriptor
  * (stdout). */
 static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
@@ -832,8 +845,9 @@ static void handle_net_output(int fd, struct virtqueue *vq)
        while ((head = get_vq_desc(vq, iov, &out, &in)) != vq->vring.num) {
                if (in)
                        errx(1, "Input buffers in output queue?");
-               /* Check header, but otherwise ignore it (we said we supported
-                * no features). */
+               /* Check header, but otherwise ignore it (we told the Guest we
+                * supported no features, so it shouldn't have anything
+                * interesting). */
                (void)convert(&iov[0], struct virtio_net_hdr);
                len = writev(vq->dev->fd, iov+1, out-1);
                add_used_and_trigger(fd, vq, head, len);
@@ -884,7 +898,8 @@ static bool handle_tun_input(int fd, struct device *dev)
        return true;
 }
 
-/* This callback ensures we try again, in case we stopped console or net
+/*L:215 This is the callback attached to the network and console input
+ * virtqueues: it ensures we try again, in case we stopped console or net
  * delivery because Guest didn't have any buffers. */
 static void enable_fd(int fd, struct virtqueue *vq)
 {
@@ -920,7 +935,7 @@ static void handle_output(int fd, unsigned long addr)
              strnlen(from_guest_phys(addr), guest_limit - addr));
 }
 
-/* This is called when the waker wakes us up: check for incoming file
+/* This is called when the Waker wakes us up: check for incoming file
  * descriptors. */
 static void handle_input(int fd)
 {
@@ -987,8 +1002,7 @@ static struct lguest_device_desc *new_dev_desc(u16 type)
 }
 
 /* Each device descriptor is followed by some configuration information.
- * The first byte is a "status" byte for the Guest to report what's happening.
- * After that are fields: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
+ * Each configuration field looks like: u8 type, u8 len, [... len bytes...].
  *
  * This routine adds a new field to an existing device's descriptor.  It only
  * works for the last device, but that's OK because that's how we use it. */
@@ -1045,14 +1059,17 @@ static void add_virtqueue(struct device *dev, unsigned int num_descs,
        /* Link virtqueue back to device. */
        vq->dev = dev;
 
-       /* Set up handler. */
+       /* Set the routine to call when the Guest does something to this
+        * virtqueue. */
        vq->handle_output = handle_output;
+
+       /* Set the "Don't Notify Me" flag if we don't have a handler */
        if (!handle_output)
                vq->vring.used->flags = VRING_USED_F_NO_NOTIFY;
 }
 
 /* This routine does all the creation and setup of a new device, including
- * caling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
+ * calling new_dev_desc() to allocate the descriptor and device memory. */
 static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
                                 bool (*handle_input)(int, struct device *))
 {
@@ -1061,7 +1078,7 @@ static struct device *new_device(const char *name, u16 type, int fd,
        /* Append to device list.  Prepending to a single-linked list is
         * easier, but the user expects the devices to be arranged on the bus
         * in command-line order.  The first network device on the command line
-        * is eth0, the first block device /dev/lgba, etc. */
+        * is eth0, the first block device /dev/vda, etc. */
        *devices.lastdev = dev;
        dev->next = NULL;
        devices.lastdev = &dev->next;
@@ -1105,7 +1122,7 @@ static void setup_console(void)
        /* The console needs two virtqueues: the input then the output.  When
         * they put something the input queue, we make sure we're listening to
         * stdin.  When they put something in the output queue, we write it to
-        * stdout.  */
+        * stdout. */
        add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, enable_fd);
        add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_console_output);
 
@@ -1253,21 +1270,17 @@ static void setup_tun_net(const char *arg)
                verbose("attached to bridge: %s\n", br_name);
 }
 
-
-/*
- * Block device.
+/* Our block (disk) device should be really simple: the Guest asks for a block
+ * number and we read or write that position in the file.  Unfortunately, that
+ * was amazingly slow: the Guest waits until the read is finished before
+ * running anything else, even if it could have been doing useful work.
  *
- * Serving a block device is really easy: the Guest asks for a block number and
- * we read or write that position in the file.
- *
- * Unfortunately, this is amazingly slow: the Guest waits until the read is
- * finished before running anything else, even if it could be doing useful
- * work.  We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that
- * characters actually go missing from your code when you try to use it.
+ * We could use async I/O, except it's reputed to suck so hard that characters
+ * actually go missing from your code when you try to use it.
  *
  * So we farm the I/O out to thread, and communicate with it via a pipe. */
 
-/* This hangs off device->priv, with the data. */
+/* This hangs off device->priv. */
 struct vblk_info
 {
        /* The size of the file. */
@@ -1283,8 +1296,14 @@ struct vblk_info
         * Launcher triggers interrupt to Guest. */
        int done_fd;
 };
+/*:*/
 
-/* This is the core of the I/O thread.  It returns true if it did something. */
+/*L:210
+ * The Disk
+ *
+ * Remember that the block device is handled by a separate I/O thread.  We head
+ * straight into the core of that thread here:
+ */
 static bool service_io(struct device *dev)
 {
        struct vblk_info *vblk = dev->priv;
@@ -1295,10 +1314,14 @@ static bool service_io(struct device *dev)
        struct iovec iov[dev->vq->vring.num];
        off64_t off;
 
+       /* See if there's a request waiting.  If not, nothing to do. */
        head = get_vq_desc(dev->vq, iov, &out_num, &in_num);
        if (head == dev->vq->vring.num)
                return false;
 
+       /* Every block request should contain at least one output buffer
+        * (detailing the location on disk and the type of request) and one
+        * input buffer (to hold the result). */
        if (out_num == 0 || in_num == 0)
                errx(1, "Bad virtblk cmd %u out=%u in=%u",
                     head, out_num, in_num);
@@ -1307,10 +1330,15 @@ static bool service_io(struct device *dev)
        in = convert(&iov[out_num+in_num-1], struct virtio_blk_inhdr);
        off = out->sector * 512;
 
-       /* This is how we implement barriers.  Pretty poor, no? */
+       /* The block device implements "barriers", where the Guest indicates
+        * that it wants all previous writes to occur before this write.  We
+        * don't have a way of asking our kernel to do a barrier, so we just
+        * synchronize all the data in the file.  Pretty poor, no? */
        if (out->type & VIRTIO_BLK_T_BARRIER)
                fdatasync(vblk->fd);
 
+       /* In general the virtio block driver is allowed to try SCSI commands.
+        * It'd be nice if we supported eject, for example, but we don't. */
        if (out->type & VIRTIO_BLK_T_SCSI_CMD) {
                fprintf(stderr, "Scsi commands unsupported\n");
                in->status = VIRTIO_BLK_S_UNSUPP;
@@ -1376,7 +1404,7 @@ static int io_thread(void *_dev)
 
        /* When this read fails, it means Launcher died, so we follow. */
        while (read(vblk->workpipe[0], &c, 1) == 1) {
-               /* We acknowledge each request immediately, to reduce latency,
+               /* We acknowledge each request immediately to reduce latency,
                 * rather than waiting until we've done them all.  I haven't
                 * measured to see if it makes any difference. */
                while (service_io(dev))
@@ -1385,12 +1413,14 @@ static int io_thread(void *_dev)
        return 0;
 }
 
-/* When the thread says some I/O is done, we interrupt the Guest. */
+/* Now we've seen the I/O thread, we return to the Launcher to see what happens
+ * when the thread tells us it's completed some I/O. */
 static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
 {
        char c;
 
-       /* If child died, presumably it printed message. */
+       /* If the I/O thread died, presumably it printed the error, so we
+        * simply exit. */
        if (read(dev->fd, &c, 1) != 1)
                exit(1);
 
@@ -1399,7 +1429,7 @@ static bool handle_io_finish(int fd, struct device *dev)
        return true;
 }
 
-/* When the Guest submits some I/O, we wake the I/O thread. */
+/* When the Guest submits some I/O, we just need to wake the I/O thread. */
 static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
 {
        struct vblk_info *vblk = vq->dev->priv;
@@ -1411,7 +1441,7 @@ static void handle_virtblk_output(int fd, struct virtqueue *vq)
                exit(1);
 }
 
-/* This creates a virtual block device. */
+/*L:198 This actually sets up a virtual block device. */
 static void setup_block_file(const char *filename)
 {
        int p[2];
@@ -1427,7 +1457,7 @@ static void setup_block_file(const char *filename)
        /* The device responds to return from I/O thread. */
        dev = new_device("block", VIRTIO_ID_BLOCK, p[0], handle_io_finish);
 
-       /* The device has a virtqueue. */
+       /* The device has one virtqueue, where the Guest places requests. */
        add_virtqueue(dev, VIRTQUEUE_NUM, handle_virtblk_output);
 
        /* Allocate the room for our own bookkeeping */
@@ -1449,7 +1479,8 @@ static void setup_block_file(const char *filename)
        /* The I/O thread writes to this end of the pipe when done. */
        vblk->done_fd = p[1];
 
-       /* This is how we tell the I/O thread about more work. */
+       /* This is the second pipe, which is how we tell the I/O thread about
+        * more work. */
        pipe(vblk->workpipe);
 
        /* Create stack for thread and run it */
@@ -1488,24 +1519,25 @@ static void __attribute__((noreturn)) run_guest(int lguest_fd)
                        char reason[1024] = { 0 };
                        read(lguest_fd, reason, sizeof(reason)-1);
                        errx(1, "%s", reason);
-               /* EAGAIN means the waker wanted us to look at some input.
+               /* EAGAIN means the Waker wanted us to look at some input.
                 * Anything else means a bug or incompatible change. */
                } else if (errno != EAGAIN)
                        err(1, "Running guest failed");
 
-               /* Service input, then unset the BREAK which releases
-                * the Waker. */
+               /* Service input, then unset the BREAK to release the Waker. */
                handle_input(lguest_fd);
                if (write(lguest_fd, args, sizeof(args)) < 0)
                        err(1, "Resetting break");
        }
 }
 /*
- * This is the end of the Launcher.
+ * This is the end of the Launcher.  The good news: we are over halfway
+ * through!  The bad news: the most fiendish part of the code still lies ahead
+ * of us.
  *
- * But wait!  We've seen I/O from the Launcher, and we've seen I/O from the
- * Drivers.  If we were to see the Host kernel I/O code, our understanding
* would be complete... :*/
+ * Are you ready?  Take a deep breath and join me in the core of the Host, in
+ * "make Host".
+ :*/
 
 static struct option opts[] = {
        { "verbose", 0, NULL, 'v' },
@@ -1528,10 +1560,10 @@ int main(int argc, char *argv[])
        /* Memory, top-level pagetable, code startpoint and size of the
         * (optional) initrd. */
        unsigned long mem = 0, pgdir, start, initrd_size = 0;
-       /* A temporary and the /dev/lguest file descriptor. */
+       /* Two temporaries and the /dev/lguest file descriptor. */
        int i, c, lguest_fd;
        /* The boot information for the Guest. */
-       void *boot;
+       struct boot_params *boot;
        /* If they specify an initrd file to load. */
        const char *initrd_name = NULL;
 
@@ -1607,10 +1639,10 @@ int main(int argc, char *argv[])
                initrd_size = load_initrd(initrd_name, mem);
                /* These are the location in the Linux boot header where the
                 * start and size of the initrd are expected to be found. */
-               *(unsigned long *)(boot+0x218) = mem - initrd_size;
-               *(unsigned long *)(boot+0x21c) = initrd_size;
+               boot->hdr.ramdisk_image = mem - initrd_size;
+               boot->hdr.ramdisk_size = initrd_size;
                /* The bootloader type 0xFF means "unknown"; that's OK. */
-               *(unsigned char *)(boot+0x210) = 0xFF;
+               boot->hdr.type_of_loader = 0xFF;
        }
 
        /* Set up the initial linear pagetables, starting below the initrd. */
@@ -1618,23 +1650,22 @@ int main(int argc, char *argv[])
 
        /* The Linux boot header contains an "E820" memory map: ours is a
         * simple, single region. */
-       *(char*)(boot+E820NR) = 1;
-       *((struct e820entry *)(boot+E820MAP))
-               = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
+       boot->e820_entries = 1;
+       boot->e820_map[0] = ((struct e820entry) { 0, mem, E820_RAM });
        /* The boot header contains a command line pointer: we put the command
-        * line after the boot header (at address 4096) */
-       *(u32 *)(boot + 0x228) = 4096;
-       concat(boot + 4096, argv+optind+2);
+        * line after the boot header. */
+       boot->hdr.cmd_line_ptr = to_guest_phys(boot + 1);
+       /* We use a simple helper to copy the arguments separated by spaces. */
+       concat((char *)(boot + 1), argv+optind+2);
 
        /* Boot protocol version: 2.07 supports the fields for lguest. */
-       *(u16 *)(boot + 0x206) = 0x207;
+       boot->hdr.version = 0x207;
 
        /* The hardware_subarch value of "1" tells the Guest it's an lguest. */
-       *(u32 *)(boot + 0x23c) = 1;
+       boot->hdr.hardware_subarch = 1;
 
-       /* Set bit 6 of the loadflags (aka. KEEP_SEGMENTS) so the entry path
-        * does not try to reload segment registers. */
-       *(u8 *)(boot + 0x211) |= (1 << 6);
+       /* Tell the entry path not to try to reload segment registers. */
+       boot->hdr.loadflags |= KEEP_SEGMENTS;
 
        /* We tell the kernel to initialize the Guest: this returns the open
         * /dev/lguest file descriptor. */