pintos-os.org Git - pintos-anon/blob - src/threads/mmu.h

   1 /*
   2  * Copyright (C) 1997 Massachusetts Institute of Technology
   3  *
   4  * This software is being provided by the copyright holders under the
   5  * following license. By obtaining, using and/or copying this software,
   6  * you agree that you have read, understood, and will comply with the
   7  * following terms and conditions:
   8  *
   9  * Permission to use, copy, modify, distribute, and sell this software
  10  * and its documentation for any purpose and without fee or royalty is
  11  * hereby granted, provided that the full text of this NOTICE appears on
  12  * ALL copies of the software and documentation or portions thereof,
  13  * including modifications, that you make.
  14  *
  15  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS," AND COPYRIGHT HOLDERS MAKE NO
  16  * REPRESENTATIONS OR WARRANTIES, EXPRESS OR IMPLIED. BY WAY OF EXAMPLE,
  17  * BUT NOT LIMITATION, COPYRIGHT HOLDERS MAKE NO REPRESENTATIONS OR
  18  * WARRANTIES OF MERCHANTABILITY OR FITNESS FOR ANY PARTICULAR PURPOSE OR
  19  * THAT THE USE OF THE SOFTWARE OR DOCUMENTATION WILL NOT INFRINGE ANY
  20  * THIRD PARTY PATENTS, COPYRIGHTS, TRADEMARKS OR OTHER RIGHTS. COPYRIGHT
  21  * HOLDERS WILL BEAR NO LIABILITY FOR ANY USE OF THIS SOFTWARE OR
  22  * DOCUMENTATION.
  23  *
  24  * The name and trademarks of copyright holders may NOT be used in
  25  * advertising or publicity pertaining to the software without specific,
  26  * written prior permission. Title to copyright in this software and any
  27  * associated documentation will at all times remain with copyright
  28  * holders. See the file AUTHORS which should have accompanied this software
  29  * for a list of all copyright holders.
  30  *
  31  * This file may be derived from previously copyrighted software. This
  32  * copyright applies only to those changes made by the copyright
  33  * holders listed in the AUTHORS file. The rest of this file is covered by
  34  * the copyright notices, if any, listed below.
  35  */
  36
  37
  38 #ifndef _MMU_H_
  39 #define _MMU_H_
  40
  41 #ifndef __ASSEMBLER__
  42 #include <stdint.h>
  43 #endif
  44
  45 // An Address:
  46 //  +--------10------+-------10-------+---------12----------+
  47 //  | Page Directory |   Page Table   | Offset within Page  |
  48 //  +----------------+----------------+---------------------+
  49
  50 #define PGSHIFT         12              /* LOG2(NBPG) */
  51 #define NBPG            (1 << PGSHIFT)  /* bytes/page */
  52
  53 /* Page tables (selected by VA[31:22] and indexed by VA[21:12]) */
  54 #define NLPG (1<<(PGSHIFT-2))   /* Number of 32-bit longwords per page */
  55 #define PGMASK (NBPG - 1)       /* Mask for page offset.  Terrible name! */
  56 /* Page number of virtual page in the virtual page table. */
  57 #define PGNO(va) ((uint32_t) (va) >> PGSHIFT)
  58 /* Index of PTE for VA within the corresponding page table */
  59 #define PTENO(va) (((uint32_t) (va) >> PGSHIFT) & 0x3ff)
  60 /* Round up to a page */
  61 #define PGROUNDUP(va) (((va) + PGMASK) & ~PGMASK)
  62 /* Round down to a page */
  63 #define PGROUNDDOWN(va) ((va) & ~PGMASK)
  64 /* Page directories (indexed by VA[31:22]) */
  65 #define PDSHIFT 22             /* LOG2(NBPD) */
  66 #define NBPD (1 << PDSHIFT)    /* bytes/page dir */
  67 #define PDMASK (NBPD-1)        /* byte offset into region mapped by
  68                                   a page table */
  69 #define PDENO(va) ((uint32_t) (va) >> PDSHIFT)
  70 /* Round up  */
  71 #define PDROUNDUP(va) (((va) + PDMASK) & ~PDMASK)
  72 /* Round down */
  73 #define PDROUNDDOWN(va) ((va) & ~PDMASK)
  74
  75 /* At IOPHYSMEM (640K) there is a 384K hole for I/O.  From the kernel,
  76  * IOPHYSMEM can be addressed at KERNBASE + IOPHYSMEM.  The hole ends
  77  * at physical address EXTPHYSMEM. */
  78 #define IOPHYSMEM 0xa0000
  79 #define EXTPHYSMEM 0x100000
  80
  81
  82 /*
  83  * Virtual memory map:                                Permissions
  84  *                                                    kernel/user
  85  *
  86  *    4 Gig -------->  +------------------------------+
  87  *                     |                              | RW/--
  88  *                     ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  89  *                     :              .               :
  90  *                     :              .               :
  91  *                     :              .               :
  92  *                     |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~| RW/--
  93  *                     |                              | RW/--
  94  *                     |  Physical Memory             | RW/--
  95  *                     |                              | RW/--
  96  *    KERNBASE ----->  +------------------------------+
  97  *                     |  Kernel Virtual Page Table   | RW/--   NBPD
  98  *    VPT,KSTACKTOP--> +------------------------------+                 --+
  99  *                     |        Kernel Stack          | RW/--  KSTKSIZE   |
 100  *                     | - - - - - - - - - - - - - - -|                 NBPD
 101  *                     |       Invalid memory         | --/--             |
 102  *    ULIM     ------> +------------------------------+                 --+
 103  *                     |      R/O User VPT            | R-/R-   NBPD
 104  *    UVPT      ---->  +------------------------------+
 105  *                     |        R/O PPAGE             | R-/R-   NBPD
 106  *    UPPAGES   ---->  +------------------------------+
 107  *                     |        R/O UENVS             | R-/R-   NBPD
 108  * UTOP,UENVS -------> +------------------------------+
 109  * UXSTACKTOP -/       |      user exception stack    | RW/RW   NBPG
 110  *                     +------------------------------+
 111  *                     |       Invalid memory         | --/--   NBPG
 112  *    USTACKTOP  ----> +------------------------------+
 113  *                     |     normal user stack        | RW/RW   NBPG
 114  *                     +------------------------------+
 115  *                     |                              |
 116  *                     |                              |
 117  *                     ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 118  *                     .                              .
 119  *                     .                              .
 120  *                     .                              .
 121  *                     |~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~|
 122  *                     |                              |
 123  *    UTEXT ------->   +------------------------------+
 124  *                     |                              |  2 * NBPD
 125  *    0 ------------>  +------------------------------+
 126  */
 127
 128
 129 #define PHYS_BASE       0xc0000000      /* All physical memory mapped here. */
 130 #define KERN_BASE       0xc0100000      /* Kernel loaded here. */
 131
 132 /* Virtual page table.  Last entry of all PDEs contains a pointer to
 133  * the PD itself, thereby turning the PD into a page table which
 134  * maps all PTEs over the last 4 Megs of the virtual address space */
 135 #define VPT (KERNBASE - NBPD)
 136 #define KSTACKTOP VPT
 137 #define KSTKSIZE (8 * NBPG)             /* size of a kernel stack */
 138 #define ULIM (KSTACKTOP - NBPD)
 139
 140 /*
 141  * User read-only mappings! Anything below here til UTOP are readonly to user.
 142  * They are global pages mapped in at env allocation time.
 143  */
 144
 145 /* Same as VPT but read-only for users */
 146 #define UVPT (ULIM - NBPD)
 147 /* Read-only copies of all ppage structures */
 148 #define UPPAGES (UVPT - NBPD)
 149 /* Read only copy of the global env structures */
 150 #define UENVS (UPPAGES - NBPD)
 151
 152
 153
 154 /*
 155  * Top of user VM. User can manipulate VA from UTOP-1 and down!
 156  */
 157 #define UTOP UENVS
 158 #define UXSTACKTOP (UTOP)           /* one page user exception stack */
 159 /* leave top page invalid to guard against exception stack overflow */
 160 #define USTACKTOP (UTOP - 2*NBPG)   /* top of the normal user stack */
 161 #define UTEXT (2*NBPD)
 162
 163 /* Number of page tables for mapping physical memory at KERNBASE.
 164  * (each PT contains 1K PTE's, for a total of 128 Megabytes mapped) */
 165 #define NPPT ((-KERNBASE)>>PDSHIFT)
 166
 167 #ifndef __ASSEMBLER__
 168 /* Kernel virtual address at which physical address PADDR is
 169    mapped. */
 170 static inline void *
 171 ptov (uint32_t paddr)
 172 {
 173   return (void *) (paddr + PHYS_BASE);
 174 }
 175
 176 /* Physical address at which kernel virtual address VADDR is
 177    mapped. */
 178 static inline uint32_t
 179 vtop (void *vaddr)
 180 {
 181   return (uint32_t) vaddr - PHYS_BASE;
 182 }
 183 #endif
 184
 185 #define PFM_NONE 0x0     /* No page faults expected.  Must be a kernel bug */
 186 #define PFM_KILL 0x1     /* On fault kill user process. */
 187
 188
 189 /*
 190  * Macros to build GDT entries in assembly.
 191  */
 192 #define SEG_NULL           \
 193         .word 0, 0;        \
 194         .byte 0, 0, 0, 0
 195 #define SEG(type,base,lim)                                    \
 196         .word ((lim)&0xffff), ((base)&0xffff);                \
 197         .byte (((base)>>16)&0xff), (0x90|(type)),             \
 198                 (0xc0|(((lim)>>16)&0xf)), (((base)>>24)&0xff)
 199
 200
 201
 202 /* Page Table/Directory Entry flags
 203  *   these are defined by the hardware
 204  */
 205 #define PG_P 0x1               /* Present */
 206 #define PG_W 0x2               /* Writeable */
 207 #define PG_U 0x4               /* User */
 208 #define PG_PWT 0x8             /* Write-Through */
 209 #define PG_PCD 0x10            /* Cache-Disable */
 210 #define PG_A 0x20              /* Accessed */
 211 #define PG_D 0x40              /* Dirty */
 212 #define PG_PS 0x80             /* Page Size */
 213 #define PG_MBZ 0x180           /* Bits must be zero */
 214 #define PG_USER 0xe00          /* Bits for user processes */
 215 /*
 216  * The PG_USER bits are not used by the kernel and they are
 217  * not interpreted by the hardware.  The kernel allows
 218  * user processes to set them arbitrarily.
 219  */
 220
 221
 222
 223 /* Control Register flags */
 224 #define CR0_PE 0x1             /* Protection Enable */
 225 #define CR0_MP 0x2             /* Monitor coProcessor */
 226 #define CR0_EM 0x4             /* Emulation */
 227 #define CR0_TS 0x8             /* Task Switched */
 228 #define CR0_ET 0x10            /* Extension Type */
 229 #define CR0_NE 0x20            /* Numeric Errror */
 230 #define CR0_WP 0x10000         /* Write Protect */
 231 #define CR0_AM 0x40000         /* Alignment Mask */
 232 #define CR0_NW 0x20000000      /* Not Writethrough */
 233 #define CR0_CD 0x40000000      /* Cache Disable */
 234 #define CR0_PG 0x80000000      /* Paging */
 235
 236 #define CR4_PCE 0x100          /* Performance counter enable */
 237 #define CR4_MCE 0x40           /* Machine Check Enable */
 238 #define CR4_PSE 0x10           /* Page Size Extensions */
 239 #define CR4_DE  0x08           /* Debugging Extensions */
 240 #define CR4_TSD 0x04           /* Time Stamp Disable */
 241 #define CR4_PVI 0x02           /* Protected-Mode Virtual Interrupts */
 242 #define CR4_VME 0x01           /* V86 Mode Extensions */
 243
 244 /* EFLAGS Register. */
 245 #define FLAG_CF   0x00000001    /* Carry Flag. */
 246 #define FLAG_PF   0x00000004    /* Parity Flag. */
 247 #define FLAG_AF   0x00000010    /* Auxiliary Carry Flag. */
 248 #define FLAG_ZF   0x00000040    /* Zero Flag. */
 249 #define FLAG_SF   0x00000080    /* Sign Flag. */
 250 #define FLAG_TF   0x00000100    /* Trap Flag. */
 251 #define FLAG_IF   0x00000200    /* Interrupt Flag. */
 252 #define FLAG_DF   0x00000400    /* Direction Flag. */
 253 #define FLAG_OF   0x00000800    /* Overflow Flag. */
 254 #define FLAG_IOPL 0x00003000    /* I/O Privilege Level (2 bits). */
 255 #define FLAG_IOPL_SHIFT 12
 256 #define FLAG_NT   0x00004000    /* Nested Task. */
 257 #define FLAG_RF   0x00010000    /* Resume Flag. */
 258 #define FLAG_VM   0x00020000    /* Virtual 8086 Mode. */
 259 #define FLAG_AC   0x00040000    /* Alignment Check. */
 260 #define FLAG_VIF  0x00080000    /* Virtual Interrupt Flag. */
 261 #define FLAG_VIP  0x00100000    /* Virtual Interrupt Pending. */
 262 #define FLAG_ID   0x00200000    /* ID Flag. */
 263
 264 /* Page fault error codes */
 265 #define FEC_PR 0x1             /* Page fault caused by protection violation */
 266 #define FEC_WR 0x2             /* Page fault caused by a write */
 267 #define FEC_U  0x4             /* Page fault occured while in user mode */
 268
 269
 270 /* Application segment type bits */
 271 #define STA_X 0x8              /* Executable segment */
 272 #define STA_A 0x1              /* Accessed */
 273
 274 #define STA_C 0x4              /* Conforming code segment (executable only) */
 275 #define STA_R 0x2              /* Readable (executable segments) */
 276
 277 #define STA_E 0x4              /* Expand down (non-executable segments) */
 278 #define STA_W 0x2              /* Writeable (non-executable segments) */
 279
 280
 281 /* Segment selectors. */
 282 #define SEL_NULL        0x00    /* Null selector. */
 283 #define SEL_KCSEG       0x08    /* Kernel code selector. */
 284 #define SEL_KDSEG       0x10    /* Kernel data selector. */
 285 #define SEL_UCSEG       0x18    /* Kernel code selector. */
 286 #define SEL_UDSEG       0x20    /* Kernel data selector. */
 287 #define SEL_TSS         0x28    /* Task-state segment. */
 288 #define SEL_CNT         6       /* Number of segments. */
 289
 290 #ifndef __ASSEMBLER__
 291 struct tss
 292   {
 293     uint16_t back_link, :16;
 294     uint32_t esp0;
 295     uint16_t ss0, :16;
 296     uint32_t esp1;
 297     uint16_t ss1, :16;
 298     uint32_t esp2;
 299     uint16_t ss2, :16;
 300     uint32_t cr3;
 301     uint32_t eip;
 302     uint32_t eflags;
 303     uint32_t eax, ecx, edx, ebx;
 304     uint32_t esp, ebp, esi, edi;
 305     uint16_t es, :16;
 306     uint16_t cs, :16;
 307     uint16_t ss, :16;
 308     uint16_t ds, :16;
 309     uint16_t fs, :16;
 310     uint16_t gs, :16;
 311     uint16_t ldt, :16;
 312     uint16_t trace, bitmap;
 313   };
 314
 315 enum seg_system
 316   {
 317     SYS_SYSTEM = 0,             /* System segment. */
 318     SYS_CODE_DATA = 1           /* Code or data segment. */
 319   };
 320
 321 enum seg_granularity
 322   {
 323     GRAN_BYTE = 0,              /* Limit has 1-byte granularity. */
 324     GRAN_PAGE = 1               /* Limit has 4 kB granularity. */
 325   };
 326
 327 enum seg_type
 328   {
 329     /* System segment types. */
 330     TYPE_TSS_16_A = 1,          /* 16-bit TSS (available). */
 331     TYPE_LDT = 2,               /* LDT. */
 332     TYPE_TSS_16_B = 3,          /* 16-bit TSS (busy). */
 333     TYPE_CALL_16 = 4,           /* 16-bit call gate. */
 334     TYPE_TASK = 5,              /* Task gate. */
 335     TYPE_INT_16 = 6,            /* 16-bit interrupt gate. */
 336     TYPE_TRAP_16 = 7,           /* 16-bit trap gate. */
 337     TYPE_TSS_32_A = 9,          /* 32-bit TSS (available). */
 338     TYPE_TSS_32_B = 11,         /* 32-bit TSS (busy). */
 339     TYPE_CALL_32 = 12,          /* 32-bit call gate. */
 340     TYPE_INT_32 = 14,           /* 32-bit interrupt gate. */
 341     TYPE_TRAP_32 = 15,          /* 32-bit trap gate. */
 342
 343     /* Code/data segment types. */
 344     TYPE_CODE = 8,              /* 1=Code segment, 0=data segment. */
 345     TYPE_ACCESSED = 1,          /* Set if accessed. */
 346
 347     /* Data segment types. */
 348     TYPE_EXPAND_DOWN = 4,       /* 1=Expands up, 0=expands down. */
 349     TYPE_WRITABLE = 2,          /* 1=Read/write, 0=read-only. */
 350
 351     /* Code segment types. */
 352     TYPE_CONFORMING = 4,        /* 1=Conforming, 0=nonconforming. */
 353     TYPE_READABLE = 2           /* 1=Exec/read, 0=exec-only. */
 354   };
 355
 356 static inline uint64_t
 357 make_dtr_operand (uint16_t limit, void *base)
 358 {
 359   return limit | ((uint64_t) (uint32_t) base << 16);
 360 }
 361 #endif
 362
 363 #endif /* !_MMU_H_ */