arch/s390/mm/pgalloc.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  *  Page table allocation functions
   4  *
   5  *    Copyright IBM Corp. 2016
   6  *    Author(s): Martin Schwidefsky <schwidefsky@de.ibm.com>
   7  */
   8
   9 #include <linux/sysctl.h>
  10 #include <linux/slab.h>
  11 #include <linux/mm.h>
  12 #include <asm/mmu_context.h>
  13 #include <asm/pgalloc.h>
  14 #include <asm/gmap.h>
  15 #include <asm/tlb.h>
  16 #include <asm/tlbflush.h>
  17
  18 #ifdef CONFIG_PGSTE
  19
  20 int page_table_allocate_pgste = 0;
  21 EXPORT_SYMBOL(page_table_allocate_pgste);
  22
  23 static struct ctl_table page_table_sysctl[] = {
  24         {
  25                 .procname       = "allocate_pgste",
  26                 .data           = &page_table_allocate_pgste,
  27                 .maxlen         = sizeof(int),
  28                 .mode           = S_IRUGO | S_IWUSR,
  29                 .proc_handler   = proc_dointvec_minmax,
  30                 .extra1         = SYSCTL_ZERO,
  31                 .extra2         = SYSCTL_ONE,
  32         },
  33         { }
  34 };
  35
  36 static struct ctl_table page_table_sysctl_dir[] = {
  37         {
  38                 .procname       = "vm",
  39                 .maxlen         = 0,
  40                 .mode           = 0555,
  41                 .child          = page_table_sysctl,
  42         },
  43         { }
  44 };
  45
  46 static int __init page_table_register_sysctl(void)
  47 {
  48         return register_sysctl_table(page_table_sysctl_dir) ? 0 : -ENOMEM;
  49 }
  50 __initcall(page_table_register_sysctl);
  51
  52 #endif /* CONFIG_PGSTE */
  53
  54 unsigned long *crst_table_alloc(struct mm_struct *mm)
  55 {
  56         struct page *page = alloc_pages(GFP_KERNEL, 2);
  57
  58         if (!page)
  59                 return NULL;
  60         arch_set_page_dat(page, 2);
  61         return (unsigned long *) page_to_virt(page);
  62 }
  63
  64 void crst_table_free(struct mm_struct *mm, unsigned long *table)
  65 {
  66         free_pages((unsigned long) table, 2);
  67 }
  68
  69 static void __crst_table_upgrade(void *arg)
  70 {
  71         struct mm_struct *mm = arg;
  72
  73         /* change all active ASCEs to avoid the creation of new TLBs */
  74         if (current->active_mm == mm) {
  75                 S390_lowcore.user_asce = mm->context.asce;
  76                 __ctl_load(S390_lowcore.user_asce, 7, 7);
  77         }
  78         __tlb_flush_local();
  79 }
  80
  81 int crst_table_upgrade(struct mm_struct *mm, unsigned long end)
  82 {
  83         unsigned long *pgd = NULL, *p4d = NULL, *__pgd;
  84         unsigned long asce_limit = mm->context.asce_limit;
  85
  86         /* upgrade should only happen from 3 to 4, 3 to 5, or 4 to 5 levels */
  87         VM_BUG_ON(asce_limit < _REGION2_SIZE);
  88
  89         if (end <= asce_limit)
  90                 return 0;
  91
  92         if (asce_limit == _REGION2_SIZE) {
  93                 p4d = crst_table_alloc(mm);
  94                 if (unlikely(!p4d))
  95                         goto err_p4d;
  96                 crst_table_init(p4d, _REGION2_ENTRY_EMPTY);
  97         }
  98         if (end > _REGION1_SIZE) {
  99                 pgd = crst_table_alloc(mm);
 100                 if (unlikely(!pgd))
 101                         goto err_pgd;
 102                 crst_table_init(pgd, _REGION1_ENTRY_EMPTY);
 103         }
 104
 105         spin_lock_bh(&mm->page_table_lock);
 106
 107         /*
 108          * This routine gets called with mmap_lock lock held and there is
 109          * no reason to optimize for the case of otherwise. However, if
 110          * that would ever change, the below check will let us know.
 111          */
 112         VM_BUG_ON(asce_limit != mm->context.asce_limit);
 113
 114         if (p4d) {
 115                 __pgd = (unsigned long *) mm->pgd;
 116                 p4d_populate(mm, (p4d_t *) p4d, (pud_t *) __pgd);
 117                 mm->pgd = (pgd_t *) p4d;
 118                 mm->context.asce_limit = _REGION1_SIZE;
 119                 mm->context.asce = __pa(mm->pgd) | _ASCE_TABLE_LENGTH |
 120                         _ASCE_USER_BITS | _ASCE_TYPE_REGION2;
 121                 mm_inc_nr_puds(mm);
 122         }
 123         if (pgd) {
 124                 __pgd = (unsigned long *) mm->pgd;
 125                 pgd_populate(mm, (pgd_t *) pgd, (p4d_t *) __pgd);
 126                 mm->pgd = (pgd_t *) pgd;
 127                 mm->context.asce_limit = TASK_SIZE_MAX;
 128                 mm->context.asce = __pa(mm->pgd) | _ASCE_TABLE_LENGTH |
 129                         _ASCE_USER_BITS | _ASCE_TYPE_REGION1;
 130         }
 131
 132         spin_unlock_bh(&mm->page_table_lock);
 133
 134         on_each_cpu(__crst_table_upgrade, mm, 0);
 135
 136         return 0;
 137
 138 err_pgd:
 139         crst_table_free(mm, p4d);
 140 err_p4d:
 141         return -ENOMEM;
 142 }
 143
 144 static inline unsigned int atomic_xor_bits(atomic_t *v, unsigned int bits)
 145 {
 146         unsigned int old, new;
 147
 148         do {
 149                 old = atomic_read(v);
 150                 new = old ^ bits;
 151         } while (atomic_cmpxchg(v, old, new) != old);
 152         return new;
 153 }
 154
 155 #ifdef CONFIG_PGSTE
 156
 157 struct page *page_table_alloc_pgste(struct mm_struct *mm)
 158 {
 159         struct page *page;
 160         u64 *table;
 161
 162         page = alloc_page(GFP_KERNEL);
 163         if (page) {
 164                 table = (u64 *)page_to_virt(page);
 165                 memset64(table, _PAGE_INVALID, PTRS_PER_PTE);
 166                 memset64(table + PTRS_PER_PTE, 0, PTRS_PER_PTE);
 167         }
 168         return page;
 169 }
 170
 171 void page_table_free_pgste(struct page *page)
 172 {
 173         __free_page(page);
 174 }
 175
 176 #endif /* CONFIG_PGSTE */
 177
 178 /*
 179  * page table entry allocation/free routines.
 180  */
 181 unsigned long *page_table_alloc(struct mm_struct *mm)
 182 {
 183         unsigned long *table;
 184         struct page *page;
 185         unsigned int mask, bit;
 186
 187         /* Try to get a fragment of a 4K page as a 2K page table */
 188         if (!mm_alloc_pgste(mm)) {
 189                 table = NULL;
 190                 spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 191                 if (!list_empty(&mm->context.pgtable_list)) {
 192                         page = list_first_entry(&mm->context.pgtable_list,
 193                                                 struct page, lru);
 194                         mask = atomic_read(&page->_refcount) >> 24;
 195                         mask = (mask | (mask >> 4)) & 3;
 196                         if (mask != 3) {
 197                                 table = (unsigned long *) page_to_virt(page);
 198                                 bit = mask & 1;         /* =1 -> second 2K */
 199                                 if (bit)
 200                                         table += PTRS_PER_PTE;
 201                                 atomic_xor_bits(&page->_refcount,
 202                                                         1U << (bit + 24));
 203                                 list_del(&page->lru);
 204                         }
 205                 }
 206                 spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 207                 if (table)
 208                         return table;
 209         }
 210         /* Allocate a fresh page */
 211         page = alloc_page(GFP_KERNEL);
 212         if (!page)
 213                 return NULL;
 214         if (!pgtable_pte_page_ctor(page)) {
 215                 __free_page(page);
 216                 return NULL;
 217         }
 218         arch_set_page_dat(page, 0);
 219         /* Initialize page table */
 220         table = (unsigned long *) page_to_virt(page);
 221         if (mm_alloc_pgste(mm)) {
 222                 /* Return 4K page table with PGSTEs */
 223                 atomic_xor_bits(&page->_refcount, 3 << 24);
 224                 memset64((u64 *)table, _PAGE_INVALID, PTRS_PER_PTE);
 225                 memset64((u64 *)table + PTRS_PER_PTE, 0, PTRS_PER_PTE);
 226         } else {
 227                 /* Return the first 2K fragment of the page */
 228                 atomic_xor_bits(&page->_refcount, 1 << 24);
 229                 memset64((u64 *)table, _PAGE_INVALID, 2 * PTRS_PER_PTE);
 230                 spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 231                 list_add(&page->lru, &mm->context.pgtable_list);
 232                 spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 233         }
 234         return table;
 235 }
 236
 237 void page_table_free(struct mm_struct *mm, unsigned long *table)
 238 {
 239         struct page *page;
 240         unsigned int bit, mask;
 241
 242         page = virt_to_page(table);
 243         if (!mm_alloc_pgste(mm)) {
 244                 /* Free 2K page table fragment of a 4K page */
 245                 bit = ((unsigned long) table & ~PAGE_MASK)/(PTRS_PER_PTE*sizeof(pte_t));
 246                 spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 247                 mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, 0x11U << (bit + 24));
 248                 mask >>= 24;
 249                 if (mask & 3)
 250                         list_add(&page->lru, &mm->context.pgtable_list);
 251                 else
 252                         list_del(&page->lru);
 253                 spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 254                 mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, 0x10U << (bit + 24));
 255                 mask >>= 24;
 256                 if (mask != 0)
 257                         return;
 258         } else {
 259                 atomic_xor_bits(&page->_refcount, 3U << 24);
 260         }
 261
 262         pgtable_pte_page_dtor(page);
 263         __free_page(page);
 264 }
 265
 266 void page_table_free_rcu(struct mmu_gather *tlb, unsigned long *table,
 267                          unsigned long vmaddr)
 268 {
 269         struct mm_struct *mm;
 270         struct page *page;
 271         unsigned int bit, mask;
 272
 273         mm = tlb->mm;
 274         page = virt_to_page(table);
 275         if (mm_alloc_pgste(mm)) {
 276                 gmap_unlink(mm, table, vmaddr);
 277                 table = (unsigned long *) ((unsigned long)table | 3);
 278                 tlb_remove_table(tlb, table);
 279                 return;
 280         }
 281         bit = ((unsigned long) table & ~PAGE_MASK) / (PTRS_PER_PTE*sizeof(pte_t));
 282         spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 283         mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, 0x11U << (bit + 24));
 284         mask >>= 24;
 285         if (mask & 3)
 286                 list_add_tail(&page->lru, &mm->context.pgtable_list);
 287         else
 288                 list_del(&page->lru);
 289         spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 290         table = (unsigned long *) ((unsigned long) table | (1U << bit));
 291         tlb_remove_table(tlb, table);
 292 }
 293
 294 void __tlb_remove_table(void *_table)
 295 {
 296         unsigned int mask = (unsigned long) _table & 3;
 297         void *table = (void *)((unsigned long) _table ^ mask);
 298         struct page *page = virt_to_page(table);
 299
 300         switch (mask) {
 301         case 0:         /* pmd, pud, or p4d */
 302                 free_pages((unsigned long) table, 2);
 303                 break;
 304         case 1:         /* lower 2K of a 4K page table */
 305         case 2:         /* higher 2K of a 4K page table */
 306                 mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, mask << (4 + 24));
 307                 mask >>= 24;
 308                 if (mask != 0)
 309                         break;
 310                 fallthrough;
 311         case 3:         /* 4K page table with pgstes */
 312                 if (mask & 3)
 313                         atomic_xor_bits(&page->_refcount, 3 << 24);
 314                 pgtable_pte_page_dtor(page);
 315                 __free_page(page);
 316                 break;
 317         }
 318 }
 319
 320 /*
 321  * Base infrastructure required to generate basic asces, region, segment,
 322  * and page tables that do not make use of enhanced features like EDAT1.
 323  */
 324
 325 static struct kmem_cache *base_pgt_cache;
 326
 327 static unsigned long base_pgt_alloc(void)
 328 {
 329         u64 *table;
 330
 331         table = kmem_cache_alloc(base_pgt_cache, GFP_KERNEL);
 332         if (table)
 333                 memset64(table, _PAGE_INVALID, PTRS_PER_PTE);
 334         return (unsigned long) table;
 335 }
 336
 337 static void base_pgt_free(unsigned long table)
 338 {
 339         kmem_cache_free(base_pgt_cache, (void *) table);
 340 }
 341
 342 static unsigned long base_crst_alloc(unsigned long val)
 343 {
 344         unsigned long table;
 345
 346         table =  __get_free_pages(GFP_KERNEL, CRST_ALLOC_ORDER);
 347         if (table)
 348                 crst_table_init((unsigned long *)table, val);
 349         return table;
 350 }
 351
 352 static void base_crst_free(unsigned long table)
 353 {
 354         free_pages(table, CRST_ALLOC_ORDER);
 355 }
 356
 357 #define BASE_ADDR_END_FUNC(NAME, SIZE)                                  \
 358 static inline unsigned long base_##NAME##_addr_end(unsigned long addr,  \
 359                                                    unsigned long end)   \
 360 {                                                                       \
 361         unsigned long next = (addr + (SIZE)) & ~((SIZE) - 1);           \
 362                                                                         \
 363         return (next - 1) < (end - 1) ? next : end;                     \
 364 }
 365
 366 BASE_ADDR_END_FUNC(page,    _PAGE_SIZE)
 367 BASE_ADDR_END_FUNC(segment, _SEGMENT_SIZE)
 368 BASE_ADDR_END_FUNC(region3, _REGION3_SIZE)
 369 BASE_ADDR_END_FUNC(region2, _REGION2_SIZE)
 370 BASE_ADDR_END_FUNC(region1, _REGION1_SIZE)
 371
 372 static inline unsigned long base_lra(unsigned long address)
 373 {
 374         unsigned long real;
 375
 376         asm volatile(
 377                 "       lra     %0,0(%1)\n"
 378                 : "=d" (real) : "a" (address) : "cc");
 379         return real;
 380 }
 381
 382 static int base_page_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 383                           unsigned long end, int alloc)
 384 {
 385         unsigned long *pte, next;
 386
 387         if (!alloc)
 388                 return 0;
 389         pte = (unsigned long *) origin;
 390         pte += (addr & _PAGE_INDEX) >> _PAGE_SHIFT;
 391         do {
 392                 next = base_page_addr_end(addr, end);
 393                 *pte = base_lra(addr);
 394         } while (pte++, addr = next, addr < end);
 395         return 0;
 396 }
 397
 398 static int base_segment_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 399                              unsigned long end, int alloc)
 400 {
 401         unsigned long *ste, next, table;
 402         int rc;
 403
 404         ste = (unsigned long *) origin;
 405         ste += (addr & _SEGMENT_INDEX) >> _SEGMENT_SHIFT;
 406         do {
 407                 next = base_segment_addr_end(addr, end);
 408                 if (*ste & _SEGMENT_ENTRY_INVALID) {
 409                         if (!alloc)
 410                                 continue;
 411                         table = base_pgt_alloc();
 412                         if (!table)
 413                                 return -ENOMEM;
 414                         *ste = table | _SEGMENT_ENTRY;
 415                 }
 416                 table = *ste & _SEGMENT_ENTRY_ORIGIN;
 417                 rc = base_page_walk(table, addr, next, alloc);
 418                 if (rc)
 419                         return rc;
 420                 if (!alloc)
 421                         base_pgt_free(table);
 422                 cond_resched();
 423         } while (ste++, addr = next, addr < end);
 424         return 0;
 425 }
 426
 427 static int base_region3_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 428                              unsigned long end, int alloc)
 429 {
 430         unsigned long *rtte, next, table;
 431         int rc;
 432
 433         rtte = (unsigned long *) origin;
 434         rtte += (addr & _REGION3_INDEX) >> _REGION3_SHIFT;
 435         do {
 436                 next = base_region3_addr_end(addr, end);
 437                 if (*rtte & _REGION_ENTRY_INVALID) {
 438                         if (!alloc)
 439                                 continue;
 440                         table = base_crst_alloc(_SEGMENT_ENTRY_EMPTY);
 441                         if (!table)
 442                                 return -ENOMEM;
 443                         *rtte = table | _REGION3_ENTRY;
 444                 }
 445                 table = *rtte & _REGION_ENTRY_ORIGIN;
 446                 rc = base_segment_walk(table, addr, next, alloc);
 447                 if (rc)
 448                         return rc;
 449                 if (!alloc)
 450                         base_crst_free(table);
 451         } while (rtte++, addr = next, addr < end);
 452         return 0;
 453 }
 454
 455 static int base_region2_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 456                              unsigned long end, int alloc)
 457 {
 458         unsigned long *rste, next, table;
 459         int rc;
 460
 461         rste = (unsigned long *) origin;
 462         rste += (addr & _REGION2_INDEX) >> _REGION2_SHIFT;
 463         do {
 464                 next = base_region2_addr_end(addr, end);
 465                 if (*rste & _REGION_ENTRY_INVALID) {
 466                         if (!alloc)
 467                                 continue;
 468                         table = base_crst_alloc(_REGION3_ENTRY_EMPTY);
 469                         if (!table)
 470                                 return -ENOMEM;
 471                         *rste = table | _REGION2_ENTRY;
 472                 }
 473                 table = *rste & _REGION_ENTRY_ORIGIN;
 474                 rc = base_region3_walk(table, addr, next, alloc);
 475                 if (rc)
 476                         return rc;
 477                 if (!alloc)
 478                         base_crst_free(table);
 479         } while (rste++, addr = next, addr < end);
 480         return 0;
 481 }
 482
 483 static int base_region1_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 484                              unsigned long end, int alloc)
 485 {
 486         unsigned long *rfte, next, table;
 487         int rc;
 488
 489         rfte = (unsigned long *) origin;
 490         rfte += (addr & _REGION1_INDEX) >> _REGION1_SHIFT;
 491         do {
 492                 next = base_region1_addr_end(addr, end);
 493                 if (*rfte & _REGION_ENTRY_INVALID) {
 494                         if (!alloc)
 495                                 continue;
 496                         table = base_crst_alloc(_REGION2_ENTRY_EMPTY);
 497                         if (!table)
 498                                 return -ENOMEM;
 499                         *rfte = table | _REGION1_ENTRY;
 500                 }
 501                 table = *rfte & _REGION_ENTRY_ORIGIN;
 502                 rc = base_region2_walk(table, addr, next, alloc);
 503                 if (rc)
 504                         return rc;
 505                 if (!alloc)
 506                         base_crst_free(table);
 507         } while (rfte++, addr = next, addr < end);
 508         return 0;
 509 }
 510
 511 /**
 512  * base_asce_free - free asce and tables returned from base_asce_alloc()
 513  * @asce: asce to be freed
 514  *
 515  * Frees all region, segment, and page tables that were allocated with a
 516  * corresponding base_asce_alloc() call.
 517  */
 518 void base_asce_free(unsigned long asce)
 519 {
 520         unsigned long table = asce & _ASCE_ORIGIN;
 521
 522         if (!asce)
 523                 return;
 524         switch (asce & _ASCE_TYPE_MASK) {
 525         case _ASCE_TYPE_SEGMENT:
 526                 base_segment_walk(table, 0, _REGION3_SIZE, 0);
 527                 break;
 528         case _ASCE_TYPE_REGION3:
 529                 base_region3_walk(table, 0, _REGION2_SIZE, 0);
 530                 break;
 531         case _ASCE_TYPE_REGION2:
 532                 base_region2_walk(table, 0, _REGION1_SIZE, 0);
 533                 break;
 534         case _ASCE_TYPE_REGION1:
 535                 base_region1_walk(table, 0, TASK_SIZE_MAX, 0);
 536                 break;
 537         }
 538         base_crst_free(table);
 539 }
 540
 541 static int base_pgt_cache_init(void)
 542 {
 543         static DEFINE_MUTEX(base_pgt_cache_mutex);
 544         unsigned long sz = _PAGE_TABLE_SIZE;
 545
 546         if (base_pgt_cache)
 547                 return 0;
 548         mutex_lock(&base_pgt_cache_mutex);
 549         if (!base_pgt_cache)
 550                 base_pgt_cache = kmem_cache_create("base_pgt", sz, sz, 0, NULL);
 551         mutex_unlock(&base_pgt_cache_mutex);
 552         return base_pgt_cache ? 0 : -ENOMEM;
 553 }
 554
 555 /**
 556  * base_asce_alloc - create kernel mapping without enhanced DAT features
 557  * @addr: virtual start address of kernel mapping
 558  * @num_pages: number of consecutive pages
 559  *
 560  * Generate an asce, including all required region, segment and page tables,
 561  * that can be used to access the virtual kernel mapping. The difference is
 562  * that the returned asce does not make use of any enhanced DAT features like
 563  * e.g. large pages. This is required for some I/O functions that pass an
 564  * asce, like e.g. some service call requests.
 565  *
 566  * Note: the returned asce may NEVER be attached to any cpu. It may only be
 567  *       used for I/O requests. tlb entries that might result because the
 568  *       asce was attached to a cpu won't be cleared.
 569  */
 570 unsigned long base_asce_alloc(unsigned long addr, unsigned long num_pages)
 571 {
 572         unsigned long asce, table, end;
 573         int rc;
 574
 575         if (base_pgt_cache_init())
 576                 return 0;
 577         end = addr + num_pages * PAGE_SIZE;
 578         if (end <= _REGION3_SIZE) {
 579                 table = base_crst_alloc(_SEGMENT_ENTRY_EMPTY);
 580                 if (!table)
 581                         return 0;
 582                 rc = base_segment_walk(table, addr, end, 1);
 583                 asce = table | _ASCE_TYPE_SEGMENT | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 584         } else if (end <= _REGION2_SIZE) {
 585                 table = base_crst_alloc(_REGION3_ENTRY_EMPTY);
 586                 if (!table)
 587                         return 0;
 588                 rc = base_region3_walk(table, addr, end, 1);
 589                 asce = table | _ASCE_TYPE_REGION3 | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 590         } else if (end <= _REGION1_SIZE) {
 591                 table = base_crst_alloc(_REGION2_ENTRY_EMPTY);
 592                 if (!table)
 593                         return 0;
 594                 rc = base_region2_walk(table, addr, end, 1);
 595                 asce = table | _ASCE_TYPE_REGION2 | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 596         } else {
 597                 table = base_crst_alloc(_REGION1_ENTRY_EMPTY);
 598                 if (!table)
 599                         return 0;
 600                 rc = base_region1_walk(table, addr, end, 1);
 601                 asce = table | _ASCE_TYPE_REGION1 | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 602         }
 603         if (rc) {
 604                 base_asce_free(asce);
 605                 asce = 0;
 606         }
 607         return asce;
 608 }