arch/arm64/mm/mmu.c

   1 /*
   2  * Based on arch/arm/mm/mmu.c
   3  *
   4  * Copyright (C) 1995-2005 Russell King
   5  * Copyright (C) 2012 ARM Ltd.
   6  *
   7  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   8  * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
   9  * published by the Free Software Foundation.
  10  *
  11  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14  * GNU General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  17  * along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  18  */
  19
  20 #include <linux/export.h>
  21 #include <linux/kernel.h>
  22 #include <linux/errno.h>
  23 #include <linux/init.h>
  24 #include <linux/mman.h>
  25 #include <linux/nodemask.h>
  26 #include <linux/memblock.h>
  27 #include <linux/fs.h>
  28 #include <linux/io.h>
  29
  30 #include <asm/cputype.h>
  31 #include <asm/fixmap.h>
  32 #include <asm/sections.h>
  33 #include <asm/setup.h>
  34 #include <asm/sizes.h>
  35 #include <asm/tlb.h>
  36 #include <asm/memblock.h>
  37 #include <asm/mmu_context.h>
  38
  39 #include "mm.h"
  40
  41 /*
  42  * Empty_zero_page is a special page that is used for zero-initialized data
  43  * and COW.
  44  */
  45 struct page *empty_zero_page;
  46 EXPORT_SYMBOL(empty_zero_page);
  47
  48 pgprot_t phys_mem_access_prot(struct file *file, unsigned long pfn,
  49                               unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
  50 {
  51         if (!pfn_valid(pfn))
  52                 return pgprot_noncached(vma_prot);
  53         else if (file->f_flags & O_SYNC)
  54                 return pgprot_writecombine(vma_prot);
  55         return vma_prot;
  56 }
  57 EXPORT_SYMBOL(phys_mem_access_prot);
  58
  59 static void __init *early_alloc(unsigned long sz)
  60 {
  61         void *ptr = __va(memblock_alloc(sz, sz));
  62         memset(ptr, 0, sz);
  63         return ptr;
  64 }
  65
  66 static void __init alloc_init_pte(pmd_t *pmd, unsigned long addr,
  67                                   unsigned long end, unsigned long pfn,
  68                                   pgprot_t prot)
  69 {
  70         pte_t *pte;
  71
  72         if (pmd_none(*pmd)) {
  73                 pte = early_alloc(PTRS_PER_PTE * sizeof(pte_t));
  74                 __pmd_populate(pmd, __pa(pte), PMD_TYPE_TABLE);
  75         }
  76         BUG_ON(pmd_bad(*pmd));
  77
  78         pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
  79         do {
  80                 set_pte(pte, pfn_pte(pfn, prot));
  81                 pfn++;
  82         } while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);
  83 }
  84
  85 static void __init alloc_init_pmd(struct mm_struct *mm, pud_t *pud,
  86                                   unsigned long addr, unsigned long end,
  87                                   phys_addr_t phys, pgprot_t prot)
  88 {
  89         pmd_t *pmd;
  90         unsigned long next;
  91
  92         /*
  93          * Check for initial section mappings in the pgd/pud and remove them.
  94          */
  95         if (pud_none(*pud) || pud_bad(*pud)) {
  96                 pmd = early_alloc(PTRS_PER_PMD * sizeof(pmd_t));
  97                 pud_populate(mm, pud, pmd);
  98         }
  99
 100         pmd = pmd_offset(pud, addr);
 101         do {
 102                 next = pmd_addr_end(addr, end);
 103                 /* try section mapping first */
 104                 if (((addr | next | phys) & ~SECTION_MASK) == 0) {
 105                         pmd_t old_pmd =*pmd;
 106                         set_pmd(pmd, __pmd(phys |
 107                                            pgprot_val(mk_sect_prot(prot))));
 108                         /*
 109                          * Check for previous table entries created during
 110                          * boot (__create_page_tables) and flush them.
 111                          */
 112                         if (!pmd_none(old_pmd))
 113                                 flush_tlb_all();
 114                 } else {
 115                         alloc_init_pte(pmd, addr, next, __phys_to_pfn(phys),
 116                                        prot);
 117                 }
 118                 phys += next - addr;
 119         } while (pmd++, addr = next, addr != end);
 120 }
 121
 122 static void __init alloc_init_pud(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd,
 123                                   unsigned long addr, unsigned long end,
 124                                   phys_addr_t phys, pgprot_t prot)
 125 {
 126         pud_t *pud;
 127         unsigned long next;
 128
 129         if (pgd_none(*pgd)) {
 130                 pud = early_alloc(PTRS_PER_PUD * sizeof(pud_t));
 131                 pgd_populate(mm, pgd, pud);
 132         }
 133         BUG_ON(pgd_bad(*pgd));
 134
 135         pud = pud_offset(pgd, addr);
 136         do {
 137                 next = pud_addr_end(addr, end);
 138
 139                 /*
 140                  * For 4K granule only, attempt to put down a 1GB block
 141                  */
 142                 if ((PAGE_SHIFT == 12) &&
 143                     ((addr | next | phys) & ~PUD_MASK) == 0) {
 144                         pud_t old_pud = *pud;
 145                         set_pud(pud, __pud(phys |
 146                                            pgprot_val(mk_sect_prot(prot))));
 147
 148                         /*
 149                          * If we have an old value for a pud, it will
 150                          * be pointing to a pmd table that we no longer
 151                          * need (from swapper_pg_dir).
 152                          *
 153                          * Look up the old pmd table and free it.
 154                          */
 155                         if (!pud_none(old_pud)) {
 156                                 phys_addr_t table = __pa(pmd_offset(&old_pud, 0));
 157                                 memblock_free(table, PAGE_SIZE);
 158                                 flush_tlb_all();
 159                         }
 160                 } else {
 161                         alloc_init_pmd(mm, pud, addr, next, phys, prot);
 162                 }
 163                 phys += next - addr;
 164         } while (pud++, addr = next, addr != end);
 165 }
 166
 167 /*
 168  * Create the page directory entries and any necessary page tables for the
 169  * mapping specified by 'md'.
 170  */
 171 static void __init __create_mapping(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd,
 172                                     phys_addr_t phys, unsigned long virt,
 173                                     phys_addr_t size, pgprot_t prot)
 174 {
 175         unsigned long addr, length, end, next;
 176
 177         addr = virt & PAGE_MASK;
 178         length = PAGE_ALIGN(size + (virt & ~PAGE_MASK));
 179
 180         end = addr + length;
 181         do {
 182                 next = pgd_addr_end(addr, end);
 183                 alloc_init_pud(mm, pgd, addr, next, phys, prot);
 184                 phys += next - addr;
 185         } while (pgd++, addr = next, addr != end);
 186 }
 187
 188 static void __init create_mapping(phys_addr_t phys, unsigned long virt,
 189                                   phys_addr_t size)
 190 {
 191         if (virt < VMALLOC_START) {
 192                 pr_warn("BUG: not creating mapping for %pa at 0x%016lx - outside kernel range\n",
 193                         &phys, virt);
 194                 return;
 195         }
 196         __create_mapping(&init_mm, pgd_offset_k(virt & PAGE_MASK), phys, virt,
 197                          size, PAGE_KERNEL_EXEC);
 198 }
 199
 200 void __init create_pgd_mapping(struct mm_struct *mm, phys_addr_t phys,
 201                                unsigned long virt, phys_addr_t size,
 202                                pgprot_t prot)
 203 {
 204         __create_mapping(mm, pgd_offset(mm, virt), phys, virt, size, prot);
 205 }
 206
 207 static void __init map_mem(void)
 208 {
 209         struct memblock_region *reg;
 210         phys_addr_t limit;
 211
 212         /*
 213          * Temporarily limit the memblock range. We need to do this as
 214          * create_mapping requires puds, pmds and ptes to be allocated from
 215          * memory addressable from the initial direct kernel mapping.
 216          *
 217          * The initial direct kernel mapping, located at swapper_pg_dir, gives
 218          * us PUD_SIZE (4K pages) or PMD_SIZE (64K pages) memory starting from
 219          * PHYS_OFFSET (which must be aligned to 2MB as per
 220          * Documentation/arm64/booting.txt).
 221          */
 222         if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_64K_PAGES))
 223                 limit = PHYS_OFFSET + PMD_SIZE;
 224         else
 225                 limit = PHYS_OFFSET + PUD_SIZE;
 226         memblock_set_current_limit(limit);
 227
 228         /* map all the memory banks */
 229         for_each_memblock(memory, reg) {
 230                 phys_addr_t start = reg->base;
 231                 phys_addr_t end = start + reg->size;
 232
 233                 if (start >= end)
 234                         break;
 235
 236 #ifndef CONFIG_ARM64_64K_PAGES
 237                 /*
 238                  * For the first memory bank align the start address and
 239                  * current memblock limit to prevent create_mapping() from
 240                  * allocating pte page tables from unmapped memory.
 241                  * When 64K pages are enabled, the pte page table for the
 242                  * first PGDIR_SIZE is already present in swapper_pg_dir.
 243                  */
 244                 if (start < limit)
 245                         start = ALIGN(start, PMD_SIZE);
 246                 if (end < limit) {
 247                         limit = end & PMD_MASK;
 248                         memblock_set_current_limit(limit);
 249                 }
 250 #endif
 251
 252                 create_mapping(start, __phys_to_virt(start), end - start);
 253         }
 254
 255         /* Limit no longer required. */
 256         memblock_set_current_limit(MEMBLOCK_ALLOC_ANYWHERE);
 257 }
 258
 259 /*
 260  * paging_init() sets up the page tables, initialises the zone memory
 261  * maps and sets up the zero page.
 262  */
 263 void __init paging_init(void)
 264 {
 265         void *zero_page;
 266
 267         map_mem();
 268
 269         /*
 270          * Finally flush the caches and tlb to ensure that we're in a
 271          * consistent state.
 272          */
 273         flush_cache_all();
 274         flush_tlb_all();
 275
 276         /* allocate the zero page. */
 277         zero_page = early_alloc(PAGE_SIZE);
 278
 279         bootmem_init();
 280
 281         empty_zero_page = virt_to_page(zero_page);
 282
 283         /*
 284          * TTBR0 is only used for the identity mapping at this stage. Make it
 285          * point to zero page to avoid speculatively fetching new entries.
 286          */
 287         cpu_set_reserved_ttbr0();
 288         flush_tlb_all();
 289 }
 290
 291 /*
 292  * Enable the identity mapping to allow the MMU disabling.
 293  */
 294 void setup_mm_for_reboot(void)
 295 {
 296         cpu_switch_mm(idmap_pg_dir, &init_mm);
 297         flush_tlb_all();
 298 }
 299
 300 /*
 301  * Check whether a kernel address is valid (derived from arch/x86/).
 302  */
 303 int kern_addr_valid(unsigned long addr)
 304 {
 305         pgd_t *pgd;
 306         pud_t *pud;
 307         pmd_t *pmd;
 308         pte_t *pte;
 309
 310         if ((((long)addr) >> VA_BITS) != -1UL)
 311                 return 0;
 312
 313         pgd = pgd_offset_k(addr);
 314         if (pgd_none(*pgd))
 315                 return 0;
 316
 317         pud = pud_offset(pgd, addr);
 318         if (pud_none(*pud))
 319                 return 0;
 320
 321         if (pud_sect(*pud))
 322                 return pfn_valid(pud_pfn(*pud));
 323
 324         pmd = pmd_offset(pud, addr);
 325         if (pmd_none(*pmd))
 326                 return 0;
 327
 328         if (pmd_sect(*pmd))
 329                 return pfn_valid(pmd_pfn(*pmd));
 330
 331         pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
 332         if (pte_none(*pte))
 333                 return 0;
 334
 335         return pfn_valid(pte_pfn(*pte));
 336 }
 337 #ifdef CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP
 338 #ifdef CONFIG_ARM64_64K_PAGES
 339 int __meminit vmemmap_populate(unsigned long start, unsigned long end, int node)
 340 {
 341         return vmemmap_populate_basepages(start, end, node);
 342 }
 343 #else   /* !CONFIG_ARM64_64K_PAGES */
 344 int __meminit vmemmap_populate(unsigned long start, unsigned long end, int node)
 345 {
 346         unsigned long addr = start;
 347         unsigned long next;
 348         pgd_t *pgd;
 349         pud_t *pud;
 350         pmd_t *pmd;
 351
 352         do {
 353                 next = pmd_addr_end(addr, end);
 354
 355                 pgd = vmemmap_pgd_populate(addr, node);
 356                 if (!pgd)
 357                         return -ENOMEM;
 358
 359                 pud = vmemmap_pud_populate(pgd, addr, node);
 360                 if (!pud)
 361                         return -ENOMEM;
 362
 363                 pmd = pmd_offset(pud, addr);
 364                 if (pmd_none(*pmd)) {
 365                         void *p = NULL;
 366
 367                         p = vmemmap_alloc_block_buf(PMD_SIZE, node);
 368                         if (!p)
 369                                 return -ENOMEM;
 370
 371                         set_pmd(pmd, __pmd(__pa(p) | PROT_SECT_NORMAL));
 372                 } else
 373                         vmemmap_verify((pte_t *)pmd, node, addr, next);
 374         } while (addr = next, addr != end);
 375
 376         return 0;
 377 }
 378 #endif  /* CONFIG_ARM64_64K_PAGES */
 379 void vmemmap_free(unsigned long start, unsigned long end)
 380 {
 381 }
 382 #endif  /* CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP */
 383
 384 static pte_t bm_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
 385 #if CONFIG_ARM64_PGTABLE_LEVELS > 2
 386 static pmd_t bm_pmd[PTRS_PER_PMD] __page_aligned_bss;
 387 #endif
 388 #if CONFIG_ARM64_PGTABLE_LEVELS > 3
 389 static pud_t bm_pud[PTRS_PER_PUD] __page_aligned_bss;
 390 #endif
 391
 392 static inline pud_t * fixmap_pud(unsigned long addr)
 393 {
 394         pgd_t *pgd = pgd_offset_k(addr);
 395
 396         BUG_ON(pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd));
 397
 398         return pud_offset(pgd, addr);
 399 }
 400
 401 static inline pmd_t * fixmap_pmd(unsigned long addr)
 402 {
 403         pud_t *pud = fixmap_pud(addr);
 404
 405         BUG_ON(pud_none(*pud) || pud_bad(*pud));
 406
 407         return pmd_offset(pud, addr);
 408 }
 409
 410 static inline pte_t * fixmap_pte(unsigned long addr)
 411 {
 412         pmd_t *pmd = fixmap_pmd(addr);
 413
 414         BUG_ON(pmd_none(*pmd) || pmd_bad(*pmd));
 415
 416         return pte_offset_kernel(pmd, addr);
 417 }
 418
 419 void __init early_fixmap_init(void)
 420 {
 421         pgd_t *pgd;
 422         pud_t *pud;
 423         pmd_t *pmd;
 424         unsigned long addr = FIXADDR_START;
 425
 426         pgd = pgd_offset_k(addr);
 427         pgd_populate(&init_mm, pgd, bm_pud);
 428         pud = pud_offset(pgd, addr);
 429         pud_populate(&init_mm, pud, bm_pmd);
 430         pmd = pmd_offset(pud, addr);
 431         pmd_populate_kernel(&init_mm, pmd, bm_pte);
 432
 433         /*
 434          * The boot-ioremap range spans multiple pmds, for which
 435          * we are not preparted:
 436          */
 437         BUILD_BUG_ON((__fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN) >> PMD_SHIFT)
 438                      != (__fix_to_virt(FIX_BTMAP_END) >> PMD_SHIFT));
 439
 440         if ((pmd != fixmap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN)))
 441              || pmd != fixmap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_END))) {
 442                 WARN_ON(1);
 443                 pr_warn("pmd %p != %p, %p\n",
 444                         pmd, fixmap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN)),
 445                         fixmap_pmd(fix_to_virt(FIX_BTMAP_END)));
 446                 pr_warn("fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN): %08lx\n",
 447                         fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN));
 448                 pr_warn("fix_to_virt(FIX_BTMAP_END):   %08lx\n",
 449                         fix_to_virt(FIX_BTMAP_END));
 450
 451                 pr_warn("FIX_BTMAP_END:       %d\n", FIX_BTMAP_END);
 452                 pr_warn("FIX_BTMAP_BEGIN:     %d\n", FIX_BTMAP_BEGIN);
 453         }
 454 }
 455
 456 void __set_fixmap(enum fixed_addresses idx,
 457                                phys_addr_t phys, pgprot_t flags)
 458 {
 459         unsigned long addr = __fix_to_virt(idx);
 460         pte_t *pte;
 461
 462         if (idx >= __end_of_fixed_addresses) {
 463                 BUG();
 464                 return;
 465         }
 466
 467         pte = fixmap_pte(addr);
 468
 469         if (pgprot_val(flags)) {
 470                 set_pte(pte, pfn_pte(phys >> PAGE_SHIFT, flags));
 471         } else {
 472                 pte_clear(&init_mm, addr, pte);
 473                 flush_tlb_kernel_range(addr, addr+PAGE_SIZE);
 474         }
 475 }