x86/mm: Use/Fix PCID to optimize user/kernel switches
[muen/linux.git] / arch / x86 / mm / init.c
1 #include <linux/gfp.h>
2 #include <linux/initrd.h>
3 #include <linux/ioport.h>
4 #include <linux/swap.h>
5 #include <linux/memblock.h>
6 #include <linux/bootmem.h>      /* for max_low_pfn */
7
8 #include <asm/set_memory.h>
9 #include <asm/e820/api.h>
10 #include <asm/init.h>
11 #include <asm/page.h>
12 #include <asm/page_types.h>
13 #include <asm/sections.h>
14 #include <asm/setup.h>
15 #include <asm/tlbflush.h>
16 #include <asm/tlb.h>
17 #include <asm/proto.h>
18 #include <asm/dma.h>            /* for MAX_DMA_PFN */
19 #include <asm/microcode.h>
20 #include <asm/kaslr.h>
21 #include <asm/hypervisor.h>
22 #include <asm/cpufeature.h>
23 #include <asm/pti.h>
24
25 /*
26  * We need to define the tracepoints somewhere, and tlb.c
27  * is only compied when SMP=y.
28  */
29 #define CREATE_TRACE_POINTS
30 #include <trace/events/tlb.h>
31
32 #include "mm_internal.h"
33
34 /*
35  * Tables translating between page_cache_type_t and pte encoding.
36  *
37  * The default values are defined statically as minimal supported mode;
38  * WC and WT fall back to UC-.  pat_init() updates these values to support
39  * more cache modes, WC and WT, when it is safe to do so.  See pat_init()
40  * for the details.  Note, __early_ioremap() used during early boot-time
41  * takes pgprot_t (pte encoding) and does not use these tables.
42  *
43  *   Index into __cachemode2pte_tbl[] is the cachemode.
44  *
45  *   Index into __pte2cachemode_tbl[] are the caching attribute bits of the pte
46  *   (_PAGE_PWT, _PAGE_PCD, _PAGE_PAT) at index bit positions 0, 1, 2.
47  */
48 uint16_t __cachemode2pte_tbl[_PAGE_CACHE_MODE_NUM] = {
49         [_PAGE_CACHE_MODE_WB      ]     = 0         | 0        ,
50         [_PAGE_CACHE_MODE_WC      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
51         [_PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS]     = 0         | _PAGE_PCD,
52         [_PAGE_CACHE_MODE_UC      ]     = _PAGE_PWT | _PAGE_PCD,
53         [_PAGE_CACHE_MODE_WT      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
54         [_PAGE_CACHE_MODE_WP      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
55 };
56 EXPORT_SYMBOL(__cachemode2pte_tbl);
57
58 uint8_t __pte2cachemode_tbl[8] = {
59         [__pte2cm_idx( 0        | 0         | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_WB,
60         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | 0         | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
61         [__pte2cm_idx( 0        | _PAGE_PCD | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
62         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC,
63         [__pte2cm_idx( 0        | 0         | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_WB,
64         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | 0         | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
65         [__pte2cm_idx(0         | _PAGE_PCD | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
66         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC,
67 };
68 EXPORT_SYMBOL(__pte2cachemode_tbl);
69
70 static unsigned long __initdata pgt_buf_start;
71 static unsigned long __initdata pgt_buf_end;
72 static unsigned long __initdata pgt_buf_top;
73
74 static unsigned long min_pfn_mapped;
75
76 static bool __initdata can_use_brk_pgt = true;
77
78 /*
79  * Pages returned are already directly mapped.
80  *
81  * Changing that is likely to break Xen, see commit:
82  *
83  *    279b706 x86,xen: introduce x86_init.mapping.pagetable_reserve
84  *
85  * for detailed information.
86  */
87 __ref void *alloc_low_pages(unsigned int num)
88 {
89         unsigned long pfn;
90         int i;
91
92         if (after_bootmem) {
93                 unsigned int order;
94
95                 order = get_order((unsigned long)num << PAGE_SHIFT);
96                 return (void *)__get_free_pages(GFP_ATOMIC | __GFP_NOTRACK |
97                                                 __GFP_ZERO, order);
98         }
99
100         if ((pgt_buf_end + num) > pgt_buf_top || !can_use_brk_pgt) {
101                 unsigned long ret;
102                 if (min_pfn_mapped >= max_pfn_mapped)
103                         panic("alloc_low_pages: ran out of memory");
104                 ret = memblock_find_in_range(min_pfn_mapped << PAGE_SHIFT,
105                                         max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT,
106                                         PAGE_SIZE * num , PAGE_SIZE);
107                 if (!ret)
108                         panic("alloc_low_pages: can not alloc memory");
109                 memblock_reserve(ret, PAGE_SIZE * num);
110                 pfn = ret >> PAGE_SHIFT;
111         } else {
112                 pfn = pgt_buf_end;
113                 pgt_buf_end += num;
114                 printk(KERN_DEBUG "BRK [%#010lx, %#010lx] PGTABLE\n",
115                         pfn << PAGE_SHIFT, (pgt_buf_end << PAGE_SHIFT) - 1);
116         }
117
118         for (i = 0; i < num; i++) {
119                 void *adr;
120
121                 adr = __va((pfn + i) << PAGE_SHIFT);
122                 clear_page(adr);
123         }
124
125         return __va(pfn << PAGE_SHIFT);
126 }
127
128 /*
129  * By default need 3 4k for initial PMD_SIZE,  3 4k for 0-ISA_END_ADDRESS.
130  * With KASLR memory randomization, depending on the machine e820 memory
131  * and the PUD alignment. We may need twice more pages when KASLR memory
132  * randomization is enabled.
133  */
134 #ifndef CONFIG_RANDOMIZE_MEMORY
135 #define INIT_PGD_PAGE_COUNT      6
136 #else
137 #define INIT_PGD_PAGE_COUNT      12
138 #endif
139 #define INIT_PGT_BUF_SIZE       (INIT_PGD_PAGE_COUNT * PAGE_SIZE)
140 RESERVE_BRK(early_pgt_alloc, INIT_PGT_BUF_SIZE);
141 void  __init early_alloc_pgt_buf(void)
142 {
143         unsigned long tables = INIT_PGT_BUF_SIZE;
144         phys_addr_t base;
145
146         base = __pa(extend_brk(tables, PAGE_SIZE));
147
148         pgt_buf_start = base >> PAGE_SHIFT;
149         pgt_buf_end = pgt_buf_start;
150         pgt_buf_top = pgt_buf_start + (tables >> PAGE_SHIFT);
151 }
152
153 int after_bootmem;
154
155 early_param_on_off("gbpages", "nogbpages", direct_gbpages, CONFIG_X86_DIRECT_GBPAGES);
156
157 struct map_range {
158         unsigned long start;
159         unsigned long end;
160         unsigned page_size_mask;
161 };
162
163 static int page_size_mask;
164
165 static void enable_global_pages(void)
166 {
167         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
168                 __supported_pte_mask |= _PAGE_GLOBAL;
169 }
170
171 static void __init probe_page_size_mask(void)
172 {
173         /*
174          * For CONFIG_KMEMCHECK or pagealloc debugging, identity mapping will
175          * use small pages.
176          * This will simplify cpa(), which otherwise needs to support splitting
177          * large pages into small in interrupt context, etc.
178          */
179         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PSE) && !debug_pagealloc_enabled() && !IS_ENABLED(CONFIG_KMEMCHECK))
180                 page_size_mask |= 1 << PG_LEVEL_2M;
181         else
182                 direct_gbpages = 0;
183
184         /* Enable PSE if available */
185         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PSE))
186                 cr4_set_bits_and_update_boot(X86_CR4_PSE);
187
188         /* Enable PGE if available */
189         __supported_pte_mask &= ~_PAGE_GLOBAL;
190         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
191                 cr4_set_bits_and_update_boot(X86_CR4_PGE);
192                 enable_global_pages();
193         }
194
195         /* Enable 1 GB linear kernel mappings if available: */
196         if (direct_gbpages && boot_cpu_has(X86_FEATURE_GBPAGES)) {
197                 printk(KERN_INFO "Using GB pages for direct mapping\n");
198                 page_size_mask |= 1 << PG_LEVEL_1G;
199         } else {
200                 direct_gbpages = 0;
201         }
202 }
203
204 static void setup_pcid(void)
205 {
206 #ifdef CONFIG_X86_64
207         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID)) {
208                 if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
209                         /*
210                          * This can't be cr4_set_bits_and_update_boot() --
211                          * the trampoline code can't handle CR4.PCIDE and
212                          * it wouldn't do any good anyway.  Despite the name,
213                          * cr4_set_bits_and_update_boot() doesn't actually
214                          * cause the bits in question to remain set all the
215                          * way through the secondary boot asm.
216                          *
217                          * Instead, we brute-force it and set CR4.PCIDE
218                          * manually in start_secondary().
219                          */
220                         cr4_set_bits(X86_CR4_PCIDE);
221                 } else {
222                         /*
223                          * flush_tlb_all(), as currently implemented, won't
224                          * work if PCID is on but PGE is not.  Since that
225                          * combination doesn't exist on real hardware, there's
226                          * no reason to try to fully support it, but it's
227                          * polite to avoid corrupting data if we're on
228                          * an improperly configured VM.
229                          */
230                         setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_PCID);
231                 }
232         }
233 #endif
234 }
235
236 #ifdef CONFIG_X86_32
237 #define NR_RANGE_MR 3
238 #else /* CONFIG_X86_64 */
239 #define NR_RANGE_MR 5
240 #endif
241
242 static int __meminit save_mr(struct map_range *mr, int nr_range,
243                              unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn,
244                              unsigned long page_size_mask)
245 {
246         if (start_pfn < end_pfn) {
247                 if (nr_range >= NR_RANGE_MR)
248                         panic("run out of range for init_memory_mapping\n");
249                 mr[nr_range].start = start_pfn<<PAGE_SHIFT;
250                 mr[nr_range].end   = end_pfn<<PAGE_SHIFT;
251                 mr[nr_range].page_size_mask = page_size_mask;
252                 nr_range++;
253         }
254
255         return nr_range;
256 }
257
258 /*
259  * adjust the page_size_mask for small range to go with
260  *      big page size instead small one if nearby are ram too.
261  */
262 static void __ref adjust_range_page_size_mask(struct map_range *mr,
263                                                          int nr_range)
264 {
265         int i;
266
267         for (i = 0; i < nr_range; i++) {
268                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M)) &&
269                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))) {
270                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PMD_SIZE);
271                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PMD_SIZE);
272
273 #ifdef CONFIG_X86_32
274                         if ((end >> PAGE_SHIFT) > max_low_pfn)
275                                 continue;
276 #endif
277
278                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
279                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_2M;
280                 }
281                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G)) &&
282                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))) {
283                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PUD_SIZE);
284                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PUD_SIZE);
285
286                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
287                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_1G;
288                 }
289         }
290 }
291
292 static const char *page_size_string(struct map_range *mr)
293 {
294         static const char str_1g[] = "1G";
295         static const char str_2m[] = "2M";
296         static const char str_4m[] = "4M";
297         static const char str_4k[] = "4k";
298
299         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))
300                 return str_1g;
301         /*
302          * 32-bit without PAE has a 4M large page size.
303          * PG_LEVEL_2M is misnamed, but we can at least
304          * print out the right size in the string.
305          */
306         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) &&
307             !IS_ENABLED(CONFIG_X86_PAE) &&
308             mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
309                 return str_4m;
310
311         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
312                 return str_2m;
313
314         return str_4k;
315 }
316
317 static int __meminit split_mem_range(struct map_range *mr, int nr_range,
318                                      unsigned long start,
319                                      unsigned long end)
320 {
321         unsigned long start_pfn, end_pfn, limit_pfn;
322         unsigned long pfn;
323         int i;
324
325         limit_pfn = PFN_DOWN(end);
326
327         /* head if not big page alignment ? */
328         pfn = start_pfn = PFN_DOWN(start);
329 #ifdef CONFIG_X86_32
330         /*
331          * Don't use a large page for the first 2/4MB of memory
332          * because there are often fixed size MTRRs in there
333          * and overlapping MTRRs into large pages can cause
334          * slowdowns.
335          */
336         if (pfn == 0)
337                 end_pfn = PFN_DOWN(PMD_SIZE);
338         else
339                 end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
340 #else /* CONFIG_X86_64 */
341         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
342 #endif
343         if (end_pfn > limit_pfn)
344                 end_pfn = limit_pfn;
345         if (start_pfn < end_pfn) {
346                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
347                 pfn = end_pfn;
348         }
349
350         /* big page (2M) range */
351         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
352 #ifdef CONFIG_X86_32
353         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
354 #else /* CONFIG_X86_64 */
355         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
356         if (end_pfn > round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE)))
357                 end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
358 #endif
359
360         if (start_pfn < end_pfn) {
361                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
362                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
363                 pfn = end_pfn;
364         }
365
366 #ifdef CONFIG_X86_64
367         /* big page (1G) range */
368         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
369         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
370         if (start_pfn < end_pfn) {
371                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
372                                 page_size_mask &
373                                  ((1<<PG_LEVEL_2M)|(1<<PG_LEVEL_1G)));
374                 pfn = end_pfn;
375         }
376
377         /* tail is not big page (1G) alignment */
378         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
379         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
380         if (start_pfn < end_pfn) {
381                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
382                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
383                 pfn = end_pfn;
384         }
385 #endif
386
387         /* tail is not big page (2M) alignment */
388         start_pfn = pfn;
389         end_pfn = limit_pfn;
390         nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
391
392         if (!after_bootmem)
393                 adjust_range_page_size_mask(mr, nr_range);
394
395         /* try to merge same page size and continuous */
396         for (i = 0; nr_range > 1 && i < nr_range - 1; i++) {
397                 unsigned long old_start;
398                 if (mr[i].end != mr[i+1].start ||
399                     mr[i].page_size_mask != mr[i+1].page_size_mask)
400                         continue;
401                 /* move it */
402                 old_start = mr[i].start;
403                 memmove(&mr[i], &mr[i+1],
404                         (nr_range - 1 - i) * sizeof(struct map_range));
405                 mr[i--].start = old_start;
406                 nr_range--;
407         }
408
409         for (i = 0; i < nr_range; i++)
410                 pr_debug(" [mem %#010lx-%#010lx] page %s\n",
411                                 mr[i].start, mr[i].end - 1,
412                                 page_size_string(&mr[i]));
413
414         return nr_range;
415 }
416
417 struct range pfn_mapped[E820_MAX_ENTRIES];
418 int nr_pfn_mapped;
419
420 static void add_pfn_range_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
421 {
422         nr_pfn_mapped = add_range_with_merge(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES,
423                                              nr_pfn_mapped, start_pfn, end_pfn);
424         nr_pfn_mapped = clean_sort_range(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES);
425
426         max_pfn_mapped = max(max_pfn_mapped, end_pfn);
427
428         if (start_pfn < (1UL<<(32-PAGE_SHIFT)))
429                 max_low_pfn_mapped = max(max_low_pfn_mapped,
430                                          min(end_pfn, 1UL<<(32-PAGE_SHIFT)));
431 }
432
433 bool pfn_range_is_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
434 {
435         int i;
436
437         for (i = 0; i < nr_pfn_mapped; i++)
438                 if ((start_pfn >= pfn_mapped[i].start) &&
439                     (end_pfn <= pfn_mapped[i].end))
440                         return true;
441
442         return false;
443 }
444
445 /*
446  * Setup the direct mapping of the physical memory at PAGE_OFFSET.
447  * This runs before bootmem is initialized and gets pages directly from
448  * the physical memory. To access them they are temporarily mapped.
449  */
450 unsigned long __ref init_memory_mapping(unsigned long start,
451                                                unsigned long end)
452 {
453         struct map_range mr[NR_RANGE_MR];
454         unsigned long ret = 0;
455         int nr_range, i;
456
457         pr_debug("init_memory_mapping: [mem %#010lx-%#010lx]\n",
458                start, end - 1);
459
460         memset(mr, 0, sizeof(mr));
461         nr_range = split_mem_range(mr, 0, start, end);
462
463         for (i = 0; i < nr_range; i++)
464                 ret = kernel_physical_mapping_init(mr[i].start, mr[i].end,
465                                                    mr[i].page_size_mask);
466
467         add_pfn_range_mapped(start >> PAGE_SHIFT, ret >> PAGE_SHIFT);
468
469         return ret >> PAGE_SHIFT;
470 }
471
472 /*
473  * We need to iterate through the E820 memory map and create direct mappings
474  * for only E820_TYPE_RAM and E820_KERN_RESERVED regions. We cannot simply
475  * create direct mappings for all pfns from [0 to max_low_pfn) and
476  * [4GB to max_pfn) because of possible memory holes in high addresses
477  * that cannot be marked as UC by fixed/variable range MTRRs.
478  * Depending on the alignment of E820 ranges, this may possibly result
479  * in using smaller size (i.e. 4K instead of 2M or 1G) page tables.
480  *
481  * init_mem_mapping() calls init_range_memory_mapping() with big range.
482  * That range would have hole in the middle or ends, and only ram parts
483  * will be mapped in init_range_memory_mapping().
484  */
485 static unsigned long __init init_range_memory_mapping(
486                                            unsigned long r_start,
487                                            unsigned long r_end)
488 {
489         unsigned long start_pfn, end_pfn;
490         unsigned long mapped_ram_size = 0;
491         int i;
492
493         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
494                 u64 start = clamp_val(PFN_PHYS(start_pfn), r_start, r_end);
495                 u64 end = clamp_val(PFN_PHYS(end_pfn), r_start, r_end);
496                 if (start >= end)
497                         continue;
498
499                 /*
500                  * if it is overlapping with brk pgt, we need to
501                  * alloc pgt buf from memblock instead.
502                  */
503                 can_use_brk_pgt = max(start, (u64)pgt_buf_end<<PAGE_SHIFT) >=
504                                     min(end, (u64)pgt_buf_top<<PAGE_SHIFT);
505                 init_memory_mapping(start, end);
506                 mapped_ram_size += end - start;
507                 can_use_brk_pgt = true;
508         }
509
510         return mapped_ram_size;
511 }
512
513 static unsigned long __init get_new_step_size(unsigned long step_size)
514 {
515         /*
516          * Initial mapped size is PMD_SIZE (2M).
517          * We can not set step_size to be PUD_SIZE (1G) yet.
518          * In worse case, when we cross the 1G boundary, and
519          * PG_LEVEL_2M is not set, we will need 1+1+512 pages (2M + 8k)
520          * to map 1G range with PTE. Hence we use one less than the
521          * difference of page table level shifts.
522          *
523          * Don't need to worry about overflow in the top-down case, on 32bit,
524          * when step_size is 0, round_down() returns 0 for start, and that
525          * turns it into 0x100000000ULL.
526          * In the bottom-up case, round_up(x, 0) returns 0 though too, which
527          * needs to be taken into consideration by the code below.
528          */
529         return step_size << (PMD_SHIFT - PAGE_SHIFT - 1);
530 }
531
532 /**
533  * memory_map_top_down - Map [map_start, map_end) top down
534  * @map_start: start address of the target memory range
535  * @map_end: end address of the target memory range
536  *
537  * This function will setup direct mapping for memory range
538  * [map_start, map_end) in top-down. That said, the page tables
539  * will be allocated at the end of the memory, and we map the
540  * memory in top-down.
541  */
542 static void __init memory_map_top_down(unsigned long map_start,
543                                        unsigned long map_end)
544 {
545         unsigned long real_end, start, last_start;
546         unsigned long step_size;
547         unsigned long addr;
548         unsigned long mapped_ram_size = 0;
549
550         /* xen has big range in reserved near end of ram, skip it at first.*/
551         addr = memblock_find_in_range(map_start, map_end, PMD_SIZE, PMD_SIZE);
552         real_end = addr + PMD_SIZE;
553
554         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
555         step_size = PMD_SIZE;
556         max_pfn_mapped = 0; /* will get exact value next */
557         min_pfn_mapped = real_end >> PAGE_SHIFT;
558         last_start = start = real_end;
559
560         /*
561          * We start from the top (end of memory) and go to the bottom.
562          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
563          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
564          * for page table.
565          */
566         while (last_start > map_start) {
567                 if (last_start > step_size) {
568                         start = round_down(last_start - 1, step_size);
569                         if (start < map_start)
570                                 start = map_start;
571                 } else
572                         start = map_start;
573                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start,
574                                                         last_start);
575                 last_start = start;
576                 min_pfn_mapped = last_start >> PAGE_SHIFT;
577                 if (mapped_ram_size >= step_size)
578                         step_size = get_new_step_size(step_size);
579         }
580
581         if (real_end < map_end)
582                 init_range_memory_mapping(real_end, map_end);
583 }
584
585 /**
586  * memory_map_bottom_up - Map [map_start, map_end) bottom up
587  * @map_start: start address of the target memory range
588  * @map_end: end address of the target memory range
589  *
590  * This function will setup direct mapping for memory range
591  * [map_start, map_end) in bottom-up. Since we have limited the
592  * bottom-up allocation above the kernel, the page tables will
593  * be allocated just above the kernel and we map the memory
594  * in [map_start, map_end) in bottom-up.
595  */
596 static void __init memory_map_bottom_up(unsigned long map_start,
597                                         unsigned long map_end)
598 {
599         unsigned long next, start;
600         unsigned long mapped_ram_size = 0;
601         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
602         unsigned long step_size = PMD_SIZE;
603
604         start = map_start;
605         min_pfn_mapped = start >> PAGE_SHIFT;
606
607         /*
608          * We start from the bottom (@map_start) and go to the top (@map_end).
609          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
610          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
611          * for page table.
612          */
613         while (start < map_end) {
614                 if (step_size && map_end - start > step_size) {
615                         next = round_up(start + 1, step_size);
616                         if (next > map_end)
617                                 next = map_end;
618                 } else {
619                         next = map_end;
620                 }
621
622                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start, next);
623                 start = next;
624
625                 if (mapped_ram_size >= step_size)
626                         step_size = get_new_step_size(step_size);
627         }
628 }
629
630 void __init init_mem_mapping(void)
631 {
632         unsigned long end;
633
634         pti_check_boottime_disable();
635         probe_page_size_mask();
636         setup_pcid();
637
638 #ifdef CONFIG_X86_64
639         end = max_pfn << PAGE_SHIFT;
640 #else
641         end = max_low_pfn << PAGE_SHIFT;
642 #endif
643
644         /* the ISA range is always mapped regardless of memory holes */
645         init_memory_mapping(0, ISA_END_ADDRESS);
646
647         /* Init the trampoline, possibly with KASLR memory offset */
648         init_trampoline();
649
650         /*
651          * If the allocation is in bottom-up direction, we setup direct mapping
652          * in bottom-up, otherwise we setup direct mapping in top-down.
653          */
654         if (memblock_bottom_up()) {
655                 unsigned long kernel_end = __pa_symbol(_end);
656
657                 /*
658                  * we need two separate calls here. This is because we want to
659                  * allocate page tables above the kernel. So we first map
660                  * [kernel_end, end) to make memory above the kernel be mapped
661                  * as soon as possible. And then use page tables allocated above
662                  * the kernel to map [ISA_END_ADDRESS, kernel_end).
663                  */
664                 memory_map_bottom_up(kernel_end, end);
665                 memory_map_bottom_up(ISA_END_ADDRESS, kernel_end);
666         } else {
667                 memory_map_top_down(ISA_END_ADDRESS, end);
668         }
669
670 #ifdef CONFIG_X86_64
671         if (max_pfn > max_low_pfn) {
672                 /* can we preseve max_low_pfn ?*/
673                 max_low_pfn = max_pfn;
674         }
675 #else
676         early_ioremap_page_table_range_init();
677 #endif
678
679         load_cr3(swapper_pg_dir);
680         __flush_tlb_all();
681
682         x86_init.hyper.init_mem_mapping();
683
684         early_memtest(0, max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT);
685 }
686
687 /*
688  * devmem_is_allowed() checks to see if /dev/mem access to a certain address
689  * is valid. The argument is a physical page number.
690  *
691  * On x86, access has to be given to the first megabyte of RAM because that
692  * area traditionally contains BIOS code and data regions used by X, dosemu,
693  * and similar apps. Since they map the entire memory range, the whole range
694  * must be allowed (for mapping), but any areas that would otherwise be
695  * disallowed are flagged as being "zero filled" instead of rejected.
696  * Access has to be given to non-kernel-ram areas as well, these contain the
697  * PCI mmio resources as well as potential bios/acpi data regions.
698  */
699 int devmem_is_allowed(unsigned long pagenr)
700 {
701         if (page_is_ram(pagenr)) {
702                 /*
703                  * For disallowed memory regions in the low 1MB range,
704                  * request that the page be shown as all zeros.
705                  */
706                 if (pagenr < 256)
707                         return 2;
708
709                 return 0;
710         }
711
712         /*
713          * This must follow RAM test, since System RAM is considered a
714          * restricted resource under CONFIG_STRICT_IOMEM.
715          */
716         if (iomem_is_exclusive(pagenr << PAGE_SHIFT)) {
717                 /* Low 1MB bypasses iomem restrictions. */
718                 if (pagenr < 256)
719                         return 1;
720
721                 return 0;
722         }
723
724         return 1;
725 }
726
727 void free_init_pages(char *what, unsigned long begin, unsigned long end)
728 {
729         unsigned long begin_aligned, end_aligned;
730
731         /* Make sure boundaries are page aligned */
732         begin_aligned = PAGE_ALIGN(begin);
733         end_aligned   = end & PAGE_MASK;
734
735         if (WARN_ON(begin_aligned != begin || end_aligned != end)) {
736                 begin = begin_aligned;
737                 end   = end_aligned;
738         }
739
740         if (begin >= end)
741                 return;
742
743         /*
744          * If debugging page accesses then do not free this memory but
745          * mark them not present - any buggy init-section access will
746          * create a kernel page fault:
747          */
748         if (debug_pagealloc_enabled()) {
749                 pr_info("debug: unmapping init [mem %#010lx-%#010lx]\n",
750                         begin, end - 1);
751                 set_memory_np(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
752         } else {
753                 /*
754                  * We just marked the kernel text read only above, now that
755                  * we are going to free part of that, we need to make that
756                  * writeable and non-executable first.
757                  */
758                 set_memory_nx(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
759                 set_memory_rw(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
760
761                 free_reserved_area((void *)begin, (void *)end,
762                                    POISON_FREE_INITMEM, what);
763         }
764 }
765
766 void __ref free_initmem(void)
767 {
768         e820__reallocate_tables();
769
770         free_init_pages("unused kernel",
771                         (unsigned long)(&__init_begin),
772                         (unsigned long)(&__init_end));
773 }
774
775 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
776 void __init free_initrd_mem(unsigned long start, unsigned long end)
777 {
778         /*
779          * end could be not aligned, and We can not align that,
780          * decompresser could be confused by aligned initrd_end
781          * We already reserve the end partial page before in
782          *   - i386_start_kernel()
783          *   - x86_64_start_kernel()
784          *   - relocate_initrd()
785          * So here We can do PAGE_ALIGN() safely to get partial page to be freed
786          */
787         free_init_pages("initrd", start, PAGE_ALIGN(end));
788 }
789 #endif
790
791 /*
792  * Calculate the precise size of the DMA zone (first 16 MB of RAM),
793  * and pass it to the MM layer - to help it set zone watermarks more
794  * accurately.
795  *
796  * Done on 64-bit systems only for the time being, although 32-bit systems
797  * might benefit from this as well.
798  */
799 void __init memblock_find_dma_reserve(void)
800 {
801 #ifdef CONFIG_X86_64
802         u64 nr_pages = 0, nr_free_pages = 0;
803         unsigned long start_pfn, end_pfn;
804         phys_addr_t start_addr, end_addr;
805         int i;
806         u64 u;
807
808         /*
809          * Iterate over all memory ranges (free and reserved ones alike),
810          * to calculate the total number of pages in the first 16 MB of RAM:
811          */
812         nr_pages = 0;
813         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
814                 start_pfn = min(start_pfn, MAX_DMA_PFN);
815                 end_pfn   = min(end_pfn,   MAX_DMA_PFN);
816
817                 nr_pages += end_pfn - start_pfn;
818         }
819
820         /*
821          * Iterate over free memory ranges to calculate the number of free
822          * pages in the DMA zone, while not counting potential partial
823          * pages at the beginning or the end of the range:
824          */
825         nr_free_pages = 0;
826         for_each_free_mem_range(u, NUMA_NO_NODE, MEMBLOCK_NONE, &start_addr, &end_addr, NULL) {
827                 start_pfn = min_t(unsigned long, PFN_UP(start_addr), MAX_DMA_PFN);
828                 end_pfn   = min_t(unsigned long, PFN_DOWN(end_addr), MAX_DMA_PFN);
829
830                 if (start_pfn < end_pfn)
831                         nr_free_pages += end_pfn - start_pfn;
832         }
833
834         set_dma_reserve(nr_pages - nr_free_pages);
835 #endif
836 }
837
838 void __init zone_sizes_init(void)
839 {
840         unsigned long max_zone_pfns[MAX_NR_ZONES];
841
842         memset(max_zone_pfns, 0, sizeof(max_zone_pfns));
843
844 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA
845         max_zone_pfns[ZONE_DMA]         = min(MAX_DMA_PFN, max_low_pfn);
846 #endif
847 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
848         max_zone_pfns[ZONE_DMA32]       = min(MAX_DMA32_PFN, max_low_pfn);
849 #endif
850         max_zone_pfns[ZONE_NORMAL]      = max_low_pfn;
851 #ifdef CONFIG_HIGHMEM
852         max_zone_pfns[ZONE_HIGHMEM]     = max_pfn;
853 #endif
854
855         free_area_init_nodes(max_zone_pfns);
856 }
857
858 __visible DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate) = {
859         .loaded_mm = &init_mm,
860         .next_asid = 1,
861         .cr4 = ~0UL,    /* fail hard if we screw up cr4 shadow initialization */
862 };
863 EXPORT_SYMBOL_GPL(cpu_tlbstate);
864
865 void update_cache_mode_entry(unsigned entry, enum page_cache_mode cache)
866 {
867         /* entry 0 MUST be WB (hardwired to speed up translations) */
868         BUG_ON(!entry && cache != _PAGE_CACHE_MODE_WB);
869
870         __cachemode2pte_tbl[cache] = __cm_idx2pte(entry);
871         __pte2cachemode_tbl[entry] = cache;
872 }