511bf5fae8b82abb7ebbd7f4173f70afae9d1538
[platform/kernel/linux-rpi.git] / arch / x86 / include / asm / tlbflush.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _ASM_X86_TLBFLUSH_H
3 #define _ASM_X86_TLBFLUSH_H
4
5 #include <linux/mm.h>
6 #include <linux/sched.h>
7
8 #include <asm/processor.h>
9 #include <asm/cpufeature.h>
10 #include <asm/special_insns.h>
11 #include <asm/smp.h>
12 #include <asm/invpcid.h>
13 #include <asm/pti.h>
14 #include <asm/processor-flags.h>
15
16 /*
17  * The x86 feature is called PCID (Process Context IDentifier). It is similar
18  * to what is traditionally called ASID on the RISC processors.
19  *
20  * We don't use the traditional ASID implementation, where each process/mm gets
21  * its own ASID and flush/restart when we run out of ASID space.
22  *
23  * Instead we have a small per-cpu array of ASIDs and cache the last few mm's
24  * that came by on this CPU, allowing cheaper switch_mm between processes on
25  * this CPU.
26  *
27  * We end up with different spaces for different things. To avoid confusion we
28  * use different names for each of them:
29  *
30  * ASID  - [0, TLB_NR_DYN_ASIDS-1]
31  *         the canonical identifier for an mm
32  *
33  * kPCID - [1, TLB_NR_DYN_ASIDS]
34  *         the value we write into the PCID part of CR3; corresponds to the
35  *         ASID+1, because PCID 0 is special.
36  *
37  * uPCID - [2048 + 1, 2048 + TLB_NR_DYN_ASIDS]
38  *         for KPTI each mm has two address spaces and thus needs two
39  *         PCID values, but we can still do with a single ASID denomination
40  *         for each mm. Corresponds to kPCID + 2048.
41  *
42  */
43
44 /* There are 12 bits of space for ASIDS in CR3 */
45 #define CR3_HW_ASID_BITS                12
46
47 /*
48  * When enabled, PAGE_TABLE_ISOLATION consumes a single bit for
49  * user/kernel switches
50  */
51 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
52 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 1
53 #else
54 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 0
55 #endif
56
57 #define CR3_AVAIL_PCID_BITS (X86_CR3_PCID_BITS - PTI_CONSUMED_PCID_BITS)
58
59 /*
60  * ASIDs are zero-based: 0->MAX_AVAIL_ASID are valid.  -1 below to account
61  * for them being zero-based.  Another -1 is because PCID 0 is reserved for
62  * use by non-PCID-aware users.
63  */
64 #define MAX_ASID_AVAILABLE ((1 << CR3_AVAIL_PCID_BITS) - 2)
65
66 /*
67  * 6 because 6 should be plenty and struct tlb_state will fit in two cache
68  * lines.
69  */
70 #define TLB_NR_DYN_ASIDS        6
71
72 /*
73  * Given @asid, compute kPCID
74  */
75 static inline u16 kern_pcid(u16 asid)
76 {
77         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
78
79 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
80         /*
81          * Make sure that the dynamic ASID space does not confict with the
82          * bit we are using to switch between user and kernel ASIDs.
83          */
84         BUILD_BUG_ON(TLB_NR_DYN_ASIDS >= (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
85
86         /*
87          * The ASID being passed in here should have respected the
88          * MAX_ASID_AVAILABLE and thus never have the switch bit set.
89          */
90         VM_WARN_ON_ONCE(asid & (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
91 #endif
92         /*
93          * The dynamically-assigned ASIDs that get passed in are small
94          * (<TLB_NR_DYN_ASIDS).  They never have the high switch bit set,
95          * so do not bother to clear it.
96          *
97          * If PCID is on, ASID-aware code paths put the ASID+1 into the
98          * PCID bits.  This serves two purposes.  It prevents a nasty
99          * situation in which PCID-unaware code saves CR3, loads some other
100          * value (with PCID == 0), and then restores CR3, thus corrupting
101          * the TLB for ASID 0 if the saved ASID was nonzero.  It also means
102          * that any bugs involving loading a PCID-enabled CR3 with
103          * CR4.PCIDE off will trigger deterministically.
104          */
105         return asid + 1;
106 }
107
108 /*
109  * Given @asid, compute uPCID
110  */
111 static inline u16 user_pcid(u16 asid)
112 {
113         u16 ret = kern_pcid(asid);
114 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
115         ret |= 1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT;
116 #endif
117         return ret;
118 }
119
120 struct pgd_t;
121 static inline unsigned long build_cr3(pgd_t *pgd, u16 asid)
122 {
123         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID)) {
124                 return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid);
125         } else {
126                 VM_WARN_ON_ONCE(asid != 0);
127                 return __sme_pa(pgd);
128         }
129 }
130
131 static inline unsigned long build_cr3_noflush(pgd_t *pgd, u16 asid)
132 {
133         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
134         /*
135          * Use boot_cpu_has() instead of this_cpu_has() as this function
136          * might be called during early boot. This should work even after
137          * boot because all CPU's the have same capabilities:
138          */
139         VM_WARN_ON_ONCE(!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID));
140         return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid) | CR3_NOFLUSH;
141 }
142
143 #ifdef CONFIG_PARAVIRT
144 #include <asm/paravirt.h>
145 #else
146 #define __flush_tlb() __native_flush_tlb()
147 #define __flush_tlb_global() __native_flush_tlb_global()
148 #define __flush_tlb_one_user(addr) __native_flush_tlb_one_user(addr)
149 #endif
150
151 struct tlb_context {
152         u64 ctx_id;
153         u64 tlb_gen;
154 };
155
156 struct tlb_state {
157         /*
158          * cpu_tlbstate.loaded_mm should match CR3 whenever interrupts
159          * are on.  This means that it may not match current->active_mm,
160          * which will contain the previous user mm when we're in lazy TLB
161          * mode even if we've already switched back to swapper_pg_dir.
162          */
163         struct mm_struct *loaded_mm;
164         u16 loaded_mm_asid;
165         u16 next_asid;
166         /* last user mm's ctx id */
167         u64 last_ctx_id;
168
169         /*
170          * We can be in one of several states:
171          *
172          *  - Actively using an mm.  Our CPU's bit will be set in
173          *    mm_cpumask(loaded_mm) and is_lazy == false;
174          *
175          *  - Not using a real mm.  loaded_mm == &init_mm.  Our CPU's bit
176          *    will not be set in mm_cpumask(&init_mm) and is_lazy == false.
177          *
178          *  - Lazily using a real mm.  loaded_mm != &init_mm, our bit
179          *    is set in mm_cpumask(loaded_mm), but is_lazy == true.
180          *    We're heuristically guessing that the CR3 load we
181          *    skipped more than makes up for the overhead added by
182          *    lazy mode.
183          */
184         bool is_lazy;
185
186         /*
187          * If set we changed the page tables in such a way that we
188          * needed an invalidation of all contexts (aka. PCIDs / ASIDs).
189          * This tells us to go invalidate all the non-loaded ctxs[]
190          * on the next context switch.
191          *
192          * The current ctx was kept up-to-date as it ran and does not
193          * need to be invalidated.
194          */
195         bool invalidate_other;
196
197         /*
198          * Mask that contains TLB_NR_DYN_ASIDS+1 bits to indicate
199          * the corresponding user PCID needs a flush next time we
200          * switch to it; see SWITCH_TO_USER_CR3.
201          */
202         unsigned short user_pcid_flush_mask;
203
204         /*
205          * Access to this CR4 shadow and to H/W CR4 is protected by
206          * disabling interrupts when modifying either one.
207          */
208         unsigned long cr4;
209
210         /*
211          * This is a list of all contexts that might exist in the TLB.
212          * There is one per ASID that we use, and the ASID (what the
213          * CPU calls PCID) is the index into ctxts.
214          *
215          * For each context, ctx_id indicates which mm the TLB's user
216          * entries came from.  As an invariant, the TLB will never
217          * contain entries that are out-of-date as when that mm reached
218          * the tlb_gen in the list.
219          *
220          * To be clear, this means that it's legal for the TLB code to
221          * flush the TLB without updating tlb_gen.  This can happen
222          * (for now, at least) due to paravirt remote flushes.
223          *
224          * NB: context 0 is a bit special, since it's also used by
225          * various bits of init code.  This is fine -- code that
226          * isn't aware of PCID will end up harmlessly flushing
227          * context 0.
228          */
229         struct tlb_context ctxs[TLB_NR_DYN_ASIDS];
230 };
231 DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate);
232
233 /* Initialize cr4 shadow for this CPU. */
234 static inline void cr4_init_shadow(void)
235 {
236         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, __read_cr4());
237 }
238
239 static inline void __cr4_set(unsigned long cr4)
240 {
241         lockdep_assert_irqs_disabled();
242         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, cr4);
243         __write_cr4(cr4);
244 }
245
246 /* Set in this cpu's CR4. */
247 static inline void cr4_set_bits(unsigned long mask)
248 {
249         unsigned long cr4, flags;
250
251         local_irq_save(flags);
252         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
253         if ((cr4 | mask) != cr4)
254                 __cr4_set(cr4 | mask);
255         local_irq_restore(flags);
256 }
257
258 /* Clear in this cpu's CR4. */
259 static inline void cr4_clear_bits(unsigned long mask)
260 {
261         unsigned long cr4, flags;
262
263         local_irq_save(flags);
264         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
265         if ((cr4 & ~mask) != cr4)
266                 __cr4_set(cr4 & ~mask);
267         local_irq_restore(flags);
268 }
269
270 static inline void cr4_toggle_bits_irqsoff(unsigned long mask)
271 {
272         unsigned long cr4;
273
274         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
275         __cr4_set(cr4 ^ mask);
276 }
277
278 /* Read the CR4 shadow. */
279 static inline unsigned long cr4_read_shadow(void)
280 {
281         return this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
282 }
283
284 /*
285  * Mark all other ASIDs as invalid, preserves the current.
286  */
287 static inline void invalidate_other_asid(void)
288 {
289         this_cpu_write(cpu_tlbstate.invalidate_other, true);
290 }
291
292 /*
293  * Save some of cr4 feature set we're using (e.g.  Pentium 4MB
294  * enable and PPro Global page enable), so that any CPU's that boot
295  * up after us can get the correct flags.  This should only be used
296  * during boot on the boot cpu.
297  */
298 extern unsigned long mmu_cr4_features;
299 extern u32 *trampoline_cr4_features;
300
301 static inline void cr4_set_bits_and_update_boot(unsigned long mask)
302 {
303         mmu_cr4_features |= mask;
304         if (trampoline_cr4_features)
305                 *trampoline_cr4_features = mmu_cr4_features;
306         cr4_set_bits(mask);
307 }
308
309 extern void initialize_tlbstate_and_flush(void);
310
311 /*
312  * Given an ASID, flush the corresponding user ASID.  We can delay this
313  * until the next time we switch to it.
314  *
315  * See SWITCH_TO_USER_CR3.
316  */
317 static inline void invalidate_user_asid(u16 asid)
318 {
319         /* There is no user ASID if address space separation is off */
320         if (!IS_ENABLED(CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION))
321                 return;
322
323         /*
324          * We only have a single ASID if PCID is off and the CR3
325          * write will have flushed it.
326          */
327         if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
328                 return;
329
330         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
331                 return;
332
333         __set_bit(kern_pcid(asid),
334                   (unsigned long *)this_cpu_ptr(&cpu_tlbstate.user_pcid_flush_mask));
335 }
336
337 /*
338  * flush the entire current user mapping
339  */
340 static inline void __native_flush_tlb(void)
341 {
342         /*
343          * Preemption or interrupts must be disabled to protect the access
344          * to the per CPU variable and to prevent being preempted between
345          * read_cr3() and write_cr3().
346          */
347         WARN_ON_ONCE(preemptible());
348
349         invalidate_user_asid(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid));
350
351         /* If current->mm == NULL then the read_cr3() "borrows" an mm */
352         native_write_cr3(__native_read_cr3());
353 }
354
355 /*
356  * flush everything
357  */
358 static inline void __native_flush_tlb_global(void)
359 {
360         unsigned long cr4, flags;
361
362         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID)) {
363                 /*
364                  * Using INVPCID is considerably faster than a pair of writes
365                  * to CR4 sandwiched inside an IRQ flag save/restore.
366                  *
367                  * Note, this works with CR4.PCIDE=0 or 1.
368                  */
369                 invpcid_flush_all();
370                 return;
371         }
372
373         /*
374          * Read-modify-write to CR4 - protect it from preemption and
375          * from interrupts. (Use the raw variant because this code can
376          * be called from deep inside debugging code.)
377          */
378         raw_local_irq_save(flags);
379
380         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
381         /* toggle PGE */
382         native_write_cr4(cr4 ^ X86_CR4_PGE);
383         /* write old PGE again and flush TLBs */
384         native_write_cr4(cr4);
385
386         raw_local_irq_restore(flags);
387 }
388
389 /*
390  * flush one page in the user mapping
391  */
392 static inline void __native_flush_tlb_one_user(unsigned long addr)
393 {
394         u32 loaded_mm_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
395
396         asm volatile("invlpg (%0)" ::"r" (addr) : "memory");
397
398         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
399                 return;
400
401         /*
402          * Some platforms #GP if we call invpcid(type=1/2) before CR4.PCIDE=1.
403          * Just use invalidate_user_asid() in case we are called early.
404          */
405         if (!this_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE))
406                 invalidate_user_asid(loaded_mm_asid);
407         else
408                 invpcid_flush_one(user_pcid(loaded_mm_asid), addr);
409 }
410
411 /*
412  * flush everything
413  */
414 static inline void __flush_tlb_all(void)
415 {
416         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
417                 __flush_tlb_global();
418         } else {
419                 /*
420                  * !PGE -> !PCID (setup_pcid()), thus every flush is total.
421                  */
422                 __flush_tlb();
423         }
424 }
425
426 /*
427  * flush one page in the kernel mapping
428  */
429 static inline void __flush_tlb_one_kernel(unsigned long addr)
430 {
431         count_vm_tlb_event(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ONE);
432
433         /*
434          * If PTI is off, then __flush_tlb_one_user() is just INVLPG or its
435          * paravirt equivalent.  Even with PCID, this is sufficient: we only
436          * use PCID if we also use global PTEs for the kernel mapping, and
437          * INVLPG flushes global translations across all address spaces.
438          *
439          * If PTI is on, then the kernel is mapped with non-global PTEs, and
440          * __flush_tlb_one_user() will flush the given address for the current
441          * kernel address space and for its usermode counterpart, but it does
442          * not flush it for other address spaces.
443          */
444         __flush_tlb_one_user(addr);
445
446         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
447                 return;
448
449         /*
450          * See above.  We need to propagate the flush to all other address
451          * spaces.  In principle, we only need to propagate it to kernelmode
452          * address spaces, but the extra bookkeeping we would need is not
453          * worth it.
454          */
455         invalidate_other_asid();
456 }
457
458 #define TLB_FLUSH_ALL   -1UL
459
460 /*
461  * TLB flushing:
462  *
463  *  - flush_tlb_all() flushes all processes TLBs
464  *  - flush_tlb_mm(mm) flushes the specified mm context TLB's
465  *  - flush_tlb_page(vma, vmaddr) flushes one page
466  *  - flush_tlb_range(vma, start, end) flushes a range of pages
467  *  - flush_tlb_kernel_range(start, end) flushes a range of kernel pages
468  *  - flush_tlb_others(cpumask, info) flushes TLBs on other cpus
469  *
470  * ..but the i386 has somewhat limited tlb flushing capabilities,
471  * and page-granular flushes are available only on i486 and up.
472  */
473 struct flush_tlb_info {
474         /*
475          * We support several kinds of flushes.
476          *
477          * - Fully flush a single mm.  .mm will be set, .end will be
478          *   TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen will be the tlb_gen to
479          *   which the IPI sender is trying to catch us up.
480          *
481          * - Partially flush a single mm.  .mm will be set, .start and
482          *   .end will indicate the range, and .new_tlb_gen will be set
483          *   such that the changes between generation .new_tlb_gen-1 and
484          *   .new_tlb_gen are entirely contained in the indicated range.
485          *
486          * - Fully flush all mms whose tlb_gens have been updated.  .mm
487          *   will be NULL, .end will be TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen
488          *   will be zero.
489          */
490         struct mm_struct        *mm;
491         unsigned long           start;
492         unsigned long           end;
493         u64                     new_tlb_gen;
494 };
495
496 #define local_flush_tlb() __flush_tlb()
497
498 #define flush_tlb_mm(mm)        flush_tlb_mm_range(mm, 0UL, TLB_FLUSH_ALL, 0UL)
499
500 #define flush_tlb_range(vma, start, end)        \
501                 flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, start, end, vma->vm_flags)
502
503 extern void flush_tlb_all(void);
504 extern void flush_tlb_mm_range(struct mm_struct *mm, unsigned long start,
505                                 unsigned long end, unsigned long vmflag);
506 extern void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end);
507
508 static inline void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long a)
509 {
510         flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, a, a + PAGE_SIZE, VM_NONE);
511 }
512
513 void native_flush_tlb_others(const struct cpumask *cpumask,
514                              const struct flush_tlb_info *info);
515
516 static inline u64 inc_mm_tlb_gen(struct mm_struct *mm)
517 {
518         /*
519          * Bump the generation count.  This also serves as a full barrier
520          * that synchronizes with switch_mm(): callers are required to order
521          * their read of mm_cpumask after their writes to the paging
522          * structures.
523          */
524         return atomic64_inc_return(&mm->context.tlb_gen);
525 }
526
527 static inline void arch_tlbbatch_add_mm(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch,
528                                         struct mm_struct *mm)
529 {
530         inc_mm_tlb_gen(mm);
531         cpumask_or(&batch->cpumask, &batch->cpumask, mm_cpumask(mm));
532 }
533
534 extern void arch_tlbbatch_flush(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch);
535
536 #ifndef CONFIG_PARAVIRT
537 #define flush_tlb_others(mask, info)    \
538         native_flush_tlb_others(mask, info)
539 #endif
540
541 extern void tlb_flush_remove_tables(struct mm_struct *mm);
542 extern void tlb_flush_remove_tables_local(void *arg);
543
544 #define HAVE_TLB_FLUSH_REMOVE_TABLES
545
546 #endif /* _ASM_X86_TLBFLUSH_H */