Merge tag 'x86_mm_for_6.4' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/tip/tip
[platform/kernel/linux-starfive.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/swapfile.h>
7 #include <linux/swapops.h>
8 #include <linux/kmemleak.h>
9 #include <linux/sched/task.h>
10
11 #include <asm/set_memory.h>
12 #include <asm/e820/api.h>
13 #include <asm/init.h>
14 #include <asm/page.h>
15 #include <asm/page_types.h>
16 #include <asm/sections.h>
17 #include <asm/setup.h>
18 #include <asm/tlbflush.h>
19 #include <asm/tlb.h>
20 #include <asm/proto.h>
21 #include <asm/dma.h>            /* for MAX_DMA_PFN */
22 #include <asm/microcode.h>
23 #include <asm/kaslr.h>
24 #include <asm/hypervisor.h>
25 #include <asm/cpufeature.h>
26 #include <asm/pti.h>
27 #include <asm/text-patching.h>
28 #include <asm/memtype.h>
29 #include <asm/paravirt.h>
30
31 /*
32  * We need to define the tracepoints somewhere, and tlb.c
33  * is only compiled when SMP=y.
34  */
35 #include <trace/events/tlb.h>
36
37 #include "mm_internal.h"
38
39 /*
40  * Tables translating between page_cache_type_t and pte encoding.
41  *
42  * The default values are defined statically as minimal supported mode;
43  * WC and WT fall back to UC-.  pat_init() updates these values to support
44  * more cache modes, WC and WT, when it is safe to do so.  See pat_init()
45  * for the details.  Note, __early_ioremap() used during early boot-time
46  * takes pgprot_t (pte encoding) and does not use these tables.
47  *
48  *   Index into __cachemode2pte_tbl[] is the cachemode.
49  *
50  *   Index into __pte2cachemode_tbl[] are the caching attribute bits of the pte
51  *   (_PAGE_PWT, _PAGE_PCD, _PAGE_PAT) at index bit positions 0, 1, 2.
52  */
53 static uint16_t __cachemode2pte_tbl[_PAGE_CACHE_MODE_NUM] = {
54         [_PAGE_CACHE_MODE_WB      ]     = 0         | 0        ,
55         [_PAGE_CACHE_MODE_WC      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
56         [_PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS]     = 0         | _PAGE_PCD,
57         [_PAGE_CACHE_MODE_UC      ]     = _PAGE_PWT | _PAGE_PCD,
58         [_PAGE_CACHE_MODE_WT      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
59         [_PAGE_CACHE_MODE_WP      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
60 };
61
62 unsigned long cachemode2protval(enum page_cache_mode pcm)
63 {
64         if (likely(pcm == 0))
65                 return 0;
66         return __cachemode2pte_tbl[pcm];
67 }
68 EXPORT_SYMBOL(cachemode2protval);
69
70 static uint8_t __pte2cachemode_tbl[8] = {
71         [__pte2cm_idx( 0        | 0         | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_WB,
72         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | 0         | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
73         [__pte2cm_idx( 0        | _PAGE_PCD | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
74         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC,
75         [__pte2cm_idx( 0        | 0         | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_WB,
76         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | 0         | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
77         [__pte2cm_idx(0         | _PAGE_PCD | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
78         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC,
79 };
80
81 /*
82  * Check that the write-protect PAT entry is set for write-protect.
83  * To do this without making assumptions how PAT has been set up (Xen has
84  * another layout than the kernel), translate the _PAGE_CACHE_MODE_WP cache
85  * mode via the __cachemode2pte_tbl[] into protection bits (those protection
86  * bits will select a cache mode of WP or better), and then translate the
87  * protection bits back into the cache mode using __pte2cm_idx() and the
88  * __pte2cachemode_tbl[] array. This will return the really used cache mode.
89  */
90 bool x86_has_pat_wp(void)
91 {
92         uint16_t prot = __cachemode2pte_tbl[_PAGE_CACHE_MODE_WP];
93
94         return __pte2cachemode_tbl[__pte2cm_idx(prot)] == _PAGE_CACHE_MODE_WP;
95 }
96
97 enum page_cache_mode pgprot2cachemode(pgprot_t pgprot)
98 {
99         unsigned long masked;
100
101         masked = pgprot_val(pgprot) & _PAGE_CACHE_MASK;
102         if (likely(masked == 0))
103                 return 0;
104         return __pte2cachemode_tbl[__pte2cm_idx(masked)];
105 }
106
107 static unsigned long __initdata pgt_buf_start;
108 static unsigned long __initdata pgt_buf_end;
109 static unsigned long __initdata pgt_buf_top;
110
111 static unsigned long min_pfn_mapped;
112
113 static bool __initdata can_use_brk_pgt = true;
114
115 /*
116  * Pages returned are already directly mapped.
117  *
118  * Changing that is likely to break Xen, see commit:
119  *
120  *    279b706 x86,xen: introduce x86_init.mapping.pagetable_reserve
121  *
122  * for detailed information.
123  */
124 __ref void *alloc_low_pages(unsigned int num)
125 {
126         unsigned long pfn;
127         int i;
128
129         if (after_bootmem) {
130                 unsigned int order;
131
132                 order = get_order((unsigned long)num << PAGE_SHIFT);
133                 return (void *)__get_free_pages(GFP_ATOMIC | __GFP_ZERO, order);
134         }
135
136         if ((pgt_buf_end + num) > pgt_buf_top || !can_use_brk_pgt) {
137                 unsigned long ret = 0;
138
139                 if (min_pfn_mapped < max_pfn_mapped) {
140                         ret = memblock_phys_alloc_range(
141                                         PAGE_SIZE * num, PAGE_SIZE,
142                                         min_pfn_mapped << PAGE_SHIFT,
143                                         max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT);
144                 }
145                 if (!ret && can_use_brk_pgt)
146                         ret = __pa(extend_brk(PAGE_SIZE * num, PAGE_SIZE));
147
148                 if (!ret)
149                         panic("alloc_low_pages: can not alloc memory");
150
151                 pfn = ret >> PAGE_SHIFT;
152         } else {
153                 pfn = pgt_buf_end;
154                 pgt_buf_end += num;
155         }
156
157         for (i = 0; i < num; i++) {
158                 void *adr;
159
160                 adr = __va((pfn + i) << PAGE_SHIFT);
161                 clear_page(adr);
162         }
163
164         return __va(pfn << PAGE_SHIFT);
165 }
166
167 /*
168  * By default need to be able to allocate page tables below PGD firstly for
169  * the 0-ISA_END_ADDRESS range and secondly for the initial PMD_SIZE mapping.
170  * With KASLR memory randomization, depending on the machine e820 memory and the
171  * PUD alignment, twice that many pages may be needed when KASLR memory
172  * randomization is enabled.
173  */
174
175 #ifndef CONFIG_X86_5LEVEL
176 #define INIT_PGD_PAGE_TABLES    3
177 #else
178 #define INIT_PGD_PAGE_TABLES    4
179 #endif
180
181 #ifndef CONFIG_RANDOMIZE_MEMORY
182 #define INIT_PGD_PAGE_COUNT      (2 * INIT_PGD_PAGE_TABLES)
183 #else
184 #define INIT_PGD_PAGE_COUNT      (4 * INIT_PGD_PAGE_TABLES)
185 #endif
186
187 #define INIT_PGT_BUF_SIZE       (INIT_PGD_PAGE_COUNT * PAGE_SIZE)
188 RESERVE_BRK(early_pgt_alloc, INIT_PGT_BUF_SIZE);
189 void  __init early_alloc_pgt_buf(void)
190 {
191         unsigned long tables = INIT_PGT_BUF_SIZE;
192         phys_addr_t base;
193
194         base = __pa(extend_brk(tables, PAGE_SIZE));
195
196         pgt_buf_start = base >> PAGE_SHIFT;
197         pgt_buf_end = pgt_buf_start;
198         pgt_buf_top = pgt_buf_start + (tables >> PAGE_SHIFT);
199 }
200
201 int after_bootmem;
202
203 early_param_on_off("gbpages", "nogbpages", direct_gbpages, CONFIG_X86_DIRECT_GBPAGES);
204
205 struct map_range {
206         unsigned long start;
207         unsigned long end;
208         unsigned page_size_mask;
209 };
210
211 static int page_size_mask;
212
213 /*
214  * Save some of cr4 feature set we're using (e.g.  Pentium 4MB
215  * enable and PPro Global page enable), so that any CPU's that boot
216  * up after us can get the correct flags. Invoked on the boot CPU.
217  */
218 static inline void cr4_set_bits_and_update_boot(unsigned long mask)
219 {
220         mmu_cr4_features |= mask;
221         if (trampoline_cr4_features)
222                 *trampoline_cr4_features = mmu_cr4_features;
223         cr4_set_bits(mask);
224 }
225
226 static void __init probe_page_size_mask(void)
227 {
228         /*
229          * For pagealloc debugging, identity mapping will use small pages.
230          * This will simplify cpa(), which otherwise needs to support splitting
231          * large pages into small in interrupt context, etc.
232          */
233         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PSE) && !debug_pagealloc_enabled())
234                 page_size_mask |= 1 << PG_LEVEL_2M;
235         else
236                 direct_gbpages = 0;
237
238         /* Enable PSE if available */
239         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PSE))
240                 cr4_set_bits_and_update_boot(X86_CR4_PSE);
241
242         /* Enable PGE if available */
243         __supported_pte_mask &= ~_PAGE_GLOBAL;
244         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
245                 cr4_set_bits_and_update_boot(X86_CR4_PGE);
246                 __supported_pte_mask |= _PAGE_GLOBAL;
247         }
248
249         /* By the default is everything supported: */
250         __default_kernel_pte_mask = __supported_pte_mask;
251         /* Except when with PTI where the kernel is mostly non-Global: */
252         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PTI))
253                 __default_kernel_pte_mask &= ~_PAGE_GLOBAL;
254
255         /* Enable 1 GB linear kernel mappings if available: */
256         if (direct_gbpages && boot_cpu_has(X86_FEATURE_GBPAGES)) {
257                 printk(KERN_INFO "Using GB pages for direct mapping\n");
258                 page_size_mask |= 1 << PG_LEVEL_1G;
259         } else {
260                 direct_gbpages = 0;
261         }
262 }
263
264 static void setup_pcid(void)
265 {
266         if (!IS_ENABLED(CONFIG_X86_64))
267                 return;
268
269         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID))
270                 return;
271
272         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
273                 /*
274                  * This can't be cr4_set_bits_and_update_boot() -- the
275                  * trampoline code can't handle CR4.PCIDE and it wouldn't
276                  * do any good anyway.  Despite the name,
277                  * cr4_set_bits_and_update_boot() doesn't actually cause
278                  * the bits in question to remain set all the way through
279                  * the secondary boot asm.
280                  *
281                  * Instead, we brute-force it and set CR4.PCIDE manually in
282                  * start_secondary().
283                  */
284                 cr4_set_bits(X86_CR4_PCIDE);
285
286                 /*
287                  * INVPCID's single-context modes (2/3) only work if we set
288                  * X86_CR4_PCIDE, *and* we INVPCID support.  It's unusable
289                  * on systems that have X86_CR4_PCIDE clear, or that have
290                  * no INVPCID support at all.
291                  */
292                 if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID))
293                         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE);
294         } else {
295                 /*
296                  * flush_tlb_all(), as currently implemented, won't work if
297                  * PCID is on but PGE is not.  Since that combination
298                  * doesn't exist on real hardware, there's no reason to try
299                  * to fully support it, but it's polite to avoid corrupting
300                  * data if we're on an improperly configured VM.
301                  */
302                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_PCID);
303         }
304 }
305
306 #ifdef CONFIG_X86_32
307 #define NR_RANGE_MR 3
308 #else /* CONFIG_X86_64 */
309 #define NR_RANGE_MR 5
310 #endif
311
312 static int __meminit save_mr(struct map_range *mr, int nr_range,
313                              unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn,
314                              unsigned long page_size_mask)
315 {
316         if (start_pfn < end_pfn) {
317                 if (nr_range >= NR_RANGE_MR)
318                         panic("run out of range for init_memory_mapping\n");
319                 mr[nr_range].start = start_pfn<<PAGE_SHIFT;
320                 mr[nr_range].end   = end_pfn<<PAGE_SHIFT;
321                 mr[nr_range].page_size_mask = page_size_mask;
322                 nr_range++;
323         }
324
325         return nr_range;
326 }
327
328 /*
329  * adjust the page_size_mask for small range to go with
330  *      big page size instead small one if nearby are ram too.
331  */
332 static void __ref adjust_range_page_size_mask(struct map_range *mr,
333                                                          int nr_range)
334 {
335         int i;
336
337         for (i = 0; i < nr_range; i++) {
338                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M)) &&
339                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))) {
340                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PMD_SIZE);
341                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PMD_SIZE);
342
343 #ifdef CONFIG_X86_32
344                         if ((end >> PAGE_SHIFT) > max_low_pfn)
345                                 continue;
346 #endif
347
348                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
349                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_2M;
350                 }
351                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G)) &&
352                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))) {
353                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PUD_SIZE);
354                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PUD_SIZE);
355
356                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
357                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_1G;
358                 }
359         }
360 }
361
362 static const char *page_size_string(struct map_range *mr)
363 {
364         static const char str_1g[] = "1G";
365         static const char str_2m[] = "2M";
366         static const char str_4m[] = "4M";
367         static const char str_4k[] = "4k";
368
369         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))
370                 return str_1g;
371         /*
372          * 32-bit without PAE has a 4M large page size.
373          * PG_LEVEL_2M is misnamed, but we can at least
374          * print out the right size in the string.
375          */
376         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) &&
377             !IS_ENABLED(CONFIG_X86_PAE) &&
378             mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
379                 return str_4m;
380
381         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
382                 return str_2m;
383
384         return str_4k;
385 }
386
387 static int __meminit split_mem_range(struct map_range *mr, int nr_range,
388                                      unsigned long start,
389                                      unsigned long end)
390 {
391         unsigned long start_pfn, end_pfn, limit_pfn;
392         unsigned long pfn;
393         int i;
394
395         limit_pfn = PFN_DOWN(end);
396
397         /* head if not big page alignment ? */
398         pfn = start_pfn = PFN_DOWN(start);
399 #ifdef CONFIG_X86_32
400         /*
401          * Don't use a large page for the first 2/4MB of memory
402          * because there are often fixed size MTRRs in there
403          * and overlapping MTRRs into large pages can cause
404          * slowdowns.
405          */
406         if (pfn == 0)
407                 end_pfn = PFN_DOWN(PMD_SIZE);
408         else
409                 end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
410 #else /* CONFIG_X86_64 */
411         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
412 #endif
413         if (end_pfn > limit_pfn)
414                 end_pfn = limit_pfn;
415         if (start_pfn < end_pfn) {
416                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
417                 pfn = end_pfn;
418         }
419
420         /* big page (2M) range */
421         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
422 #ifdef CONFIG_X86_32
423         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
424 #else /* CONFIG_X86_64 */
425         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
426         if (end_pfn > round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE)))
427                 end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
428 #endif
429
430         if (start_pfn < end_pfn) {
431                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
432                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
433                 pfn = end_pfn;
434         }
435
436 #ifdef CONFIG_X86_64
437         /* big page (1G) range */
438         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
439         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
440         if (start_pfn < end_pfn) {
441                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
442                                 page_size_mask &
443                                  ((1<<PG_LEVEL_2M)|(1<<PG_LEVEL_1G)));
444                 pfn = end_pfn;
445         }
446
447         /* tail is not big page (1G) alignment */
448         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
449         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
450         if (start_pfn < end_pfn) {
451                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
452                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
453                 pfn = end_pfn;
454         }
455 #endif
456
457         /* tail is not big page (2M) alignment */
458         start_pfn = pfn;
459         end_pfn = limit_pfn;
460         nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
461
462         if (!after_bootmem)
463                 adjust_range_page_size_mask(mr, nr_range);
464
465         /* try to merge same page size and continuous */
466         for (i = 0; nr_range > 1 && i < nr_range - 1; i++) {
467                 unsigned long old_start;
468                 if (mr[i].end != mr[i+1].start ||
469                     mr[i].page_size_mask != mr[i+1].page_size_mask)
470                         continue;
471                 /* move it */
472                 old_start = mr[i].start;
473                 memmove(&mr[i], &mr[i+1],
474                         (nr_range - 1 - i) * sizeof(struct map_range));
475                 mr[i--].start = old_start;
476                 nr_range--;
477         }
478
479         for (i = 0; i < nr_range; i++)
480                 pr_debug(" [mem %#010lx-%#010lx] page %s\n",
481                                 mr[i].start, mr[i].end - 1,
482                                 page_size_string(&mr[i]));
483
484         return nr_range;
485 }
486
487 struct range pfn_mapped[E820_MAX_ENTRIES];
488 int nr_pfn_mapped;
489
490 static void add_pfn_range_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
491 {
492         nr_pfn_mapped = add_range_with_merge(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES,
493                                              nr_pfn_mapped, start_pfn, end_pfn);
494         nr_pfn_mapped = clean_sort_range(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES);
495
496         max_pfn_mapped = max(max_pfn_mapped, end_pfn);
497
498         if (start_pfn < (1UL<<(32-PAGE_SHIFT)))
499                 max_low_pfn_mapped = max(max_low_pfn_mapped,
500                                          min(end_pfn, 1UL<<(32-PAGE_SHIFT)));
501 }
502
503 bool pfn_range_is_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
504 {
505         int i;
506
507         for (i = 0; i < nr_pfn_mapped; i++)
508                 if ((start_pfn >= pfn_mapped[i].start) &&
509                     (end_pfn <= pfn_mapped[i].end))
510                         return true;
511
512         return false;
513 }
514
515 /*
516  * Setup the direct mapping of the physical memory at PAGE_OFFSET.
517  * This runs before bootmem is initialized and gets pages directly from
518  * the physical memory. To access them they are temporarily mapped.
519  */
520 unsigned long __ref init_memory_mapping(unsigned long start,
521                                         unsigned long end, pgprot_t prot)
522 {
523         struct map_range mr[NR_RANGE_MR];
524         unsigned long ret = 0;
525         int nr_range, i;
526
527         pr_debug("init_memory_mapping: [mem %#010lx-%#010lx]\n",
528                start, end - 1);
529
530         memset(mr, 0, sizeof(mr));
531         nr_range = split_mem_range(mr, 0, start, end);
532
533         for (i = 0; i < nr_range; i++)
534                 ret = kernel_physical_mapping_init(mr[i].start, mr[i].end,
535                                                    mr[i].page_size_mask,
536                                                    prot);
537
538         add_pfn_range_mapped(start >> PAGE_SHIFT, ret >> PAGE_SHIFT);
539
540         return ret >> PAGE_SHIFT;
541 }
542
543 /*
544  * We need to iterate through the E820 memory map and create direct mappings
545  * for only E820_TYPE_RAM and E820_KERN_RESERVED regions. We cannot simply
546  * create direct mappings for all pfns from [0 to max_low_pfn) and
547  * [4GB to max_pfn) because of possible memory holes in high addresses
548  * that cannot be marked as UC by fixed/variable range MTRRs.
549  * Depending on the alignment of E820 ranges, this may possibly result
550  * in using smaller size (i.e. 4K instead of 2M or 1G) page tables.
551  *
552  * init_mem_mapping() calls init_range_memory_mapping() with big range.
553  * That range would have hole in the middle or ends, and only ram parts
554  * will be mapped in init_range_memory_mapping().
555  */
556 static unsigned long __init init_range_memory_mapping(
557                                            unsigned long r_start,
558                                            unsigned long r_end)
559 {
560         unsigned long start_pfn, end_pfn;
561         unsigned long mapped_ram_size = 0;
562         int i;
563
564         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
565                 u64 start = clamp_val(PFN_PHYS(start_pfn), r_start, r_end);
566                 u64 end = clamp_val(PFN_PHYS(end_pfn), r_start, r_end);
567                 if (start >= end)
568                         continue;
569
570                 /*
571                  * if it is overlapping with brk pgt, we need to
572                  * alloc pgt buf from memblock instead.
573                  */
574                 can_use_brk_pgt = max(start, (u64)pgt_buf_end<<PAGE_SHIFT) >=
575                                     min(end, (u64)pgt_buf_top<<PAGE_SHIFT);
576                 init_memory_mapping(start, end, PAGE_KERNEL);
577                 mapped_ram_size += end - start;
578                 can_use_brk_pgt = true;
579         }
580
581         return mapped_ram_size;
582 }
583
584 static unsigned long __init get_new_step_size(unsigned long step_size)
585 {
586         /*
587          * Initial mapped size is PMD_SIZE (2M).
588          * We can not set step_size to be PUD_SIZE (1G) yet.
589          * In worse case, when we cross the 1G boundary, and
590          * PG_LEVEL_2M is not set, we will need 1+1+512 pages (2M + 8k)
591          * to map 1G range with PTE. Hence we use one less than the
592          * difference of page table level shifts.
593          *
594          * Don't need to worry about overflow in the top-down case, on 32bit,
595          * when step_size is 0, round_down() returns 0 for start, and that
596          * turns it into 0x100000000ULL.
597          * In the bottom-up case, round_up(x, 0) returns 0 though too, which
598          * needs to be taken into consideration by the code below.
599          */
600         return step_size << (PMD_SHIFT - PAGE_SHIFT - 1);
601 }
602
603 /**
604  * memory_map_top_down - Map [map_start, map_end) top down
605  * @map_start: start address of the target memory range
606  * @map_end: end address of the target memory range
607  *
608  * This function will setup direct mapping for memory range
609  * [map_start, map_end) in top-down. That said, the page tables
610  * will be allocated at the end of the memory, and we map the
611  * memory in top-down.
612  */
613 static void __init memory_map_top_down(unsigned long map_start,
614                                        unsigned long map_end)
615 {
616         unsigned long real_end, last_start;
617         unsigned long step_size;
618         unsigned long addr;
619         unsigned long mapped_ram_size = 0;
620
621         /*
622          * Systems that have many reserved areas near top of the memory,
623          * e.g. QEMU with less than 1G RAM and EFI enabled, or Xen, will
624          * require lots of 4K mappings which may exhaust pgt_buf.
625          * Start with top-most PMD_SIZE range aligned at PMD_SIZE to ensure
626          * there is enough mapped memory that can be allocated from
627          * memblock.
628          */
629         addr = memblock_phys_alloc_range(PMD_SIZE, PMD_SIZE, map_start,
630                                          map_end);
631         memblock_phys_free(addr, PMD_SIZE);
632         real_end = addr + PMD_SIZE;
633
634         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
635         step_size = PMD_SIZE;
636         max_pfn_mapped = 0; /* will get exact value next */
637         min_pfn_mapped = real_end >> PAGE_SHIFT;
638         last_start = real_end;
639
640         /*
641          * We start from the top (end of memory) and go to the bottom.
642          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
643          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
644          * for page table.
645          */
646         while (last_start > map_start) {
647                 unsigned long start;
648
649                 if (last_start > step_size) {
650                         start = round_down(last_start - 1, step_size);
651                         if (start < map_start)
652                                 start = map_start;
653                 } else
654                         start = map_start;
655                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start,
656                                                         last_start);
657                 last_start = start;
658                 min_pfn_mapped = last_start >> PAGE_SHIFT;
659                 if (mapped_ram_size >= step_size)
660                         step_size = get_new_step_size(step_size);
661         }
662
663         if (real_end < map_end)
664                 init_range_memory_mapping(real_end, map_end);
665 }
666
667 /**
668  * memory_map_bottom_up - Map [map_start, map_end) bottom up
669  * @map_start: start address of the target memory range
670  * @map_end: end address of the target memory range
671  *
672  * This function will setup direct mapping for memory range
673  * [map_start, map_end) in bottom-up. Since we have limited the
674  * bottom-up allocation above the kernel, the page tables will
675  * be allocated just above the kernel and we map the memory
676  * in [map_start, map_end) in bottom-up.
677  */
678 static void __init memory_map_bottom_up(unsigned long map_start,
679                                         unsigned long map_end)
680 {
681         unsigned long next, start;
682         unsigned long mapped_ram_size = 0;
683         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
684         unsigned long step_size = PMD_SIZE;
685
686         start = map_start;
687         min_pfn_mapped = start >> PAGE_SHIFT;
688
689         /*
690          * We start from the bottom (@map_start) and go to the top (@map_end).
691          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
692          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
693          * for page table.
694          */
695         while (start < map_end) {
696                 if (step_size && map_end - start > step_size) {
697                         next = round_up(start + 1, step_size);
698                         if (next > map_end)
699                                 next = map_end;
700                 } else {
701                         next = map_end;
702                 }
703
704                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start, next);
705                 start = next;
706
707                 if (mapped_ram_size >= step_size)
708                         step_size = get_new_step_size(step_size);
709         }
710 }
711
712 /*
713  * The real mode trampoline, which is required for bootstrapping CPUs
714  * occupies only a small area under the low 1MB.  See reserve_real_mode()
715  * for details.
716  *
717  * If KASLR is disabled the first PGD entry of the direct mapping is copied
718  * to map the real mode trampoline.
719  *
720  * If KASLR is enabled, copy only the PUD which covers the low 1MB
721  * area. This limits the randomization granularity to 1GB for both 4-level
722  * and 5-level paging.
723  */
724 static void __init init_trampoline(void)
725 {
726 #ifdef CONFIG_X86_64
727         /*
728          * The code below will alias kernel page-tables in the user-range of the
729          * address space, including the Global bit. So global TLB entries will
730          * be created when using the trampoline page-table.
731          */
732         if (!kaslr_memory_enabled())
733                 trampoline_pgd_entry = init_top_pgt[pgd_index(__PAGE_OFFSET)];
734         else
735                 init_trampoline_kaslr();
736 #endif
737 }
738
739 void __init init_mem_mapping(void)
740 {
741         unsigned long end;
742
743         pti_check_boottime_disable();
744         probe_page_size_mask();
745         setup_pcid();
746
747 #ifdef CONFIG_X86_64
748         end = max_pfn << PAGE_SHIFT;
749 #else
750         end = max_low_pfn << PAGE_SHIFT;
751 #endif
752
753         /* the ISA range is always mapped regardless of memory holes */
754         init_memory_mapping(0, ISA_END_ADDRESS, PAGE_KERNEL);
755
756         /* Init the trampoline, possibly with KASLR memory offset */
757         init_trampoline();
758
759         /*
760          * If the allocation is in bottom-up direction, we setup direct mapping
761          * in bottom-up, otherwise we setup direct mapping in top-down.
762          */
763         if (memblock_bottom_up()) {
764                 unsigned long kernel_end = __pa_symbol(_end);
765
766                 /*
767                  * we need two separate calls here. This is because we want to
768                  * allocate page tables above the kernel. So we first map
769                  * [kernel_end, end) to make memory above the kernel be mapped
770                  * as soon as possible. And then use page tables allocated above
771                  * the kernel to map [ISA_END_ADDRESS, kernel_end).
772                  */
773                 memory_map_bottom_up(kernel_end, end);
774                 memory_map_bottom_up(ISA_END_ADDRESS, kernel_end);
775         } else {
776                 memory_map_top_down(ISA_END_ADDRESS, end);
777         }
778
779 #ifdef CONFIG_X86_64
780         if (max_pfn > max_low_pfn) {
781                 /* can we preserve max_low_pfn ?*/
782                 max_low_pfn = max_pfn;
783         }
784 #else
785         early_ioremap_page_table_range_init();
786 #endif
787
788         load_cr3(swapper_pg_dir);
789         __flush_tlb_all();
790
791         x86_init.hyper.init_mem_mapping();
792
793         early_memtest(0, max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT);
794 }
795
796 /*
797  * Initialize an mm_struct to be used during poking and a pointer to be used
798  * during patching.
799  */
800 void __init poking_init(void)
801 {
802         spinlock_t *ptl;
803         pte_t *ptep;
804
805         poking_mm = mm_alloc();
806         BUG_ON(!poking_mm);
807
808         /* Xen PV guests need the PGD to be pinned. */
809         paravirt_enter_mmap(poking_mm);
810
811         /*
812          * Randomize the poking address, but make sure that the following page
813          * will be mapped at the same PMD. We need 2 pages, so find space for 3,
814          * and adjust the address if the PMD ends after the first one.
815          */
816         poking_addr = TASK_UNMAPPED_BASE;
817         if (IS_ENABLED(CONFIG_RANDOMIZE_BASE))
818                 poking_addr += (kaslr_get_random_long("Poking") & PAGE_MASK) %
819                         (TASK_SIZE - TASK_UNMAPPED_BASE - 3 * PAGE_SIZE);
820
821         if (((poking_addr + PAGE_SIZE) & ~PMD_MASK) == 0)
822                 poking_addr += PAGE_SIZE;
823
824         /*
825          * We need to trigger the allocation of the page-tables that will be
826          * needed for poking now. Later, poking may be performed in an atomic
827          * section, which might cause allocation to fail.
828          */
829         ptep = get_locked_pte(poking_mm, poking_addr, &ptl);
830         BUG_ON(!ptep);
831         pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
832 }
833
834 /*
835  * devmem_is_allowed() checks to see if /dev/mem access to a certain address
836  * is valid. The argument is a physical page number.
837  *
838  * On x86, access has to be given to the first megabyte of RAM because that
839  * area traditionally contains BIOS code and data regions used by X, dosemu,
840  * and similar apps. Since they map the entire memory range, the whole range
841  * must be allowed (for mapping), but any areas that would otherwise be
842  * disallowed are flagged as being "zero filled" instead of rejected.
843  * Access has to be given to non-kernel-ram areas as well, these contain the
844  * PCI mmio resources as well as potential bios/acpi data regions.
845  */
846 int devmem_is_allowed(unsigned long pagenr)
847 {
848         if (region_intersects(PFN_PHYS(pagenr), PAGE_SIZE,
849                                 IORESOURCE_SYSTEM_RAM, IORES_DESC_NONE)
850                         != REGION_DISJOINT) {
851                 /*
852                  * For disallowed memory regions in the low 1MB range,
853                  * request that the page be shown as all zeros.
854                  */
855                 if (pagenr < 256)
856                         return 2;
857
858                 return 0;
859         }
860
861         /*
862          * This must follow RAM test, since System RAM is considered a
863          * restricted resource under CONFIG_STRICT_DEVMEM.
864          */
865         if (iomem_is_exclusive(pagenr << PAGE_SHIFT)) {
866                 /* Low 1MB bypasses iomem restrictions. */
867                 if (pagenr < 256)
868                         return 1;
869
870                 return 0;
871         }
872
873         return 1;
874 }
875
876 void free_init_pages(const char *what, unsigned long begin, unsigned long end)
877 {
878         unsigned long begin_aligned, end_aligned;
879
880         /* Make sure boundaries are page aligned */
881         begin_aligned = PAGE_ALIGN(begin);
882         end_aligned   = end & PAGE_MASK;
883
884         if (WARN_ON(begin_aligned != begin || end_aligned != end)) {
885                 begin = begin_aligned;
886                 end   = end_aligned;
887         }
888
889         if (begin >= end)
890                 return;
891
892         /*
893          * If debugging page accesses then do not free this memory but
894          * mark them not present - any buggy init-section access will
895          * create a kernel page fault:
896          */
897         if (debug_pagealloc_enabled()) {
898                 pr_info("debug: unmapping init [mem %#010lx-%#010lx]\n",
899                         begin, end - 1);
900                 /*
901                  * Inform kmemleak about the hole in the memory since the
902                  * corresponding pages will be unmapped.
903                  */
904                 kmemleak_free_part((void *)begin, end - begin);
905                 set_memory_np(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
906         } else {
907                 /*
908                  * We just marked the kernel text read only above, now that
909                  * we are going to free part of that, we need to make that
910                  * writeable and non-executable first.
911                  */
912                 set_memory_nx(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
913                 set_memory_rw(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
914
915                 free_reserved_area((void *)begin, (void *)end,
916                                    POISON_FREE_INITMEM, what);
917         }
918 }
919
920 /*
921  * begin/end can be in the direct map or the "high kernel mapping"
922  * used for the kernel image only.  free_init_pages() will do the
923  * right thing for either kind of address.
924  */
925 void free_kernel_image_pages(const char *what, void *begin, void *end)
926 {
927         unsigned long begin_ul = (unsigned long)begin;
928         unsigned long end_ul = (unsigned long)end;
929         unsigned long len_pages = (end_ul - begin_ul) >> PAGE_SHIFT;
930
931         free_init_pages(what, begin_ul, end_ul);
932
933         /*
934          * PTI maps some of the kernel into userspace.  For performance,
935          * this includes some kernel areas that do not contain secrets.
936          * Those areas might be adjacent to the parts of the kernel image
937          * being freed, which may contain secrets.  Remove the "high kernel
938          * image mapping" for these freed areas, ensuring they are not even
939          * potentially vulnerable to Meltdown regardless of the specific
940          * optimizations PTI is currently using.
941          *
942          * The "noalias" prevents unmapping the direct map alias which is
943          * needed to access the freed pages.
944          *
945          * This is only valid for 64bit kernels. 32bit has only one mapping
946          * which can't be treated in this way for obvious reasons.
947          */
948         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PTI))
949                 set_memory_np_noalias(begin_ul, len_pages);
950 }
951
952 void __ref free_initmem(void)
953 {
954         e820__reallocate_tables();
955
956         mem_encrypt_free_decrypted_mem();
957
958         free_kernel_image_pages("unused kernel image (initmem)",
959                                 &__init_begin, &__init_end);
960 }
961
962 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
963 void __init free_initrd_mem(unsigned long start, unsigned long end)
964 {
965         /*
966          * end could be not aligned, and We can not align that,
967          * decompressor could be confused by aligned initrd_end
968          * We already reserve the end partial page before in
969          *   - i386_start_kernel()
970          *   - x86_64_start_kernel()
971          *   - relocate_initrd()
972          * So here We can do PAGE_ALIGN() safely to get partial page to be freed
973          */
974         free_init_pages("initrd", start, PAGE_ALIGN(end));
975 }
976 #endif
977
978 /*
979  * Calculate the precise size of the DMA zone (first 16 MB of RAM),
980  * and pass it to the MM layer - to help it set zone watermarks more
981  * accurately.
982  *
983  * Done on 64-bit systems only for the time being, although 32-bit systems
984  * might benefit from this as well.
985  */
986 void __init memblock_find_dma_reserve(void)
987 {
988 #ifdef CONFIG_X86_64
989         u64 nr_pages = 0, nr_free_pages = 0;
990         unsigned long start_pfn, end_pfn;
991         phys_addr_t start_addr, end_addr;
992         int i;
993         u64 u;
994
995         /*
996          * Iterate over all memory ranges (free and reserved ones alike),
997          * to calculate the total number of pages in the first 16 MB of RAM:
998          */
999         nr_pages = 0;
1000         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
1001                 start_pfn = min(start_pfn, MAX_DMA_PFN);
1002                 end_pfn   = min(end_pfn,   MAX_DMA_PFN);
1003
1004                 nr_pages += end_pfn - start_pfn;
1005         }
1006
1007         /*
1008          * Iterate over free memory ranges to calculate the number of free
1009          * pages in the DMA zone, while not counting potential partial
1010          * pages at the beginning or the end of the range:
1011          */
1012         nr_free_pages = 0;
1013         for_each_free_mem_range(u, NUMA_NO_NODE, MEMBLOCK_NONE, &start_addr, &end_addr, NULL) {
1014                 start_pfn = min_t(unsigned long, PFN_UP(start_addr), MAX_DMA_PFN);
1015                 end_pfn   = min_t(unsigned long, PFN_DOWN(end_addr), MAX_DMA_PFN);
1016
1017                 if (start_pfn < end_pfn)
1018                         nr_free_pages += end_pfn - start_pfn;
1019         }
1020
1021         set_dma_reserve(nr_pages - nr_free_pages);
1022 #endif
1023 }
1024
1025 void __init zone_sizes_init(void)
1026 {
1027         unsigned long max_zone_pfns[MAX_NR_ZONES];
1028
1029         memset(max_zone_pfns, 0, sizeof(max_zone_pfns));
1030
1031 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA
1032         max_zone_pfns[ZONE_DMA]         = min(MAX_DMA_PFN, max_low_pfn);
1033 #endif
1034 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
1035         max_zone_pfns[ZONE_DMA32]       = min(MAX_DMA32_PFN, max_low_pfn);
1036 #endif
1037         max_zone_pfns[ZONE_NORMAL]      = max_low_pfn;
1038 #ifdef CONFIG_HIGHMEM
1039         max_zone_pfns[ZONE_HIGHMEM]     = max_pfn;
1040 #endif
1041
1042         free_area_init(max_zone_pfns);
1043 }
1044
1045 __visible DEFINE_PER_CPU_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate) = {
1046         .loaded_mm = &init_mm,
1047         .next_asid = 1,
1048         .cr4 = ~0UL,    /* fail hard if we screw up cr4 shadow initialization */
1049 };
1050
1051 #ifdef CONFIG_ADDRESS_MASKING
1052 DEFINE_PER_CPU(u64, tlbstate_untag_mask);
1053 EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(tlbstate_untag_mask);
1054 #endif
1055
1056 void update_cache_mode_entry(unsigned entry, enum page_cache_mode cache)
1057 {
1058         /* entry 0 MUST be WB (hardwired to speed up translations) */
1059         BUG_ON(!entry && cache != _PAGE_CACHE_MODE_WB);
1060
1061         __cachemode2pte_tbl[cache] = __cm_idx2pte(entry);
1062         __pte2cachemode_tbl[entry] = cache;
1063 }
1064
1065 #ifdef CONFIG_SWAP
1066 unsigned long arch_max_swapfile_size(void)
1067 {
1068         unsigned long pages;
1069
1070         pages = generic_max_swapfile_size();
1071
1072         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_L1TF) && l1tf_mitigation != L1TF_MITIGATION_OFF) {
1073                 /* Limit the swap file size to MAX_PA/2 for L1TF workaround */
1074                 unsigned long long l1tf_limit = l1tf_pfn_limit();
1075                 /*
1076                  * We encode swap offsets also with 3 bits below those for pfn
1077                  * which makes the usable limit higher.
1078                  */
1079 #if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
1080                 l1tf_limit <<= PAGE_SHIFT - SWP_OFFSET_FIRST_BIT;
1081 #endif
1082                 pages = min_t(unsigned long long, l1tf_limit, pages);
1083         }
1084         return pages;
1085 }
1086 #endif