Merge tag 'perf-core-2023-08-28' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[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/cpu_device_id.h>
13 #include <asm/e820/api.h>
14 #include <asm/init.h>
15 #include <asm/page.h>
16 #include <asm/page_types.h>
17 #include <asm/sections.h>
18 #include <asm/setup.h>
19 #include <asm/tlbflush.h>
20 #include <asm/tlb.h>
21 #include <asm/proto.h>
22 #include <asm/dma.h>            /* for MAX_DMA_PFN */
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 #define INTEL_MATCH(_model) { .vendor  = X86_VENDOR_INTEL,      \
265                               .family  = 6,                     \
266                               .model = _model,                  \
267                             }
268 /*
269  * INVLPG may not properly flush Global entries
270  * on these CPUs when PCIDs are enabled.
271  */
272 static const struct x86_cpu_id invlpg_miss_ids[] = {
273         INTEL_MATCH(INTEL_FAM6_ALDERLAKE   ),
274         INTEL_MATCH(INTEL_FAM6_ALDERLAKE_L ),
275         INTEL_MATCH(INTEL_FAM6_ATOM_GRACEMONT ),
276         INTEL_MATCH(INTEL_FAM6_RAPTORLAKE  ),
277         INTEL_MATCH(INTEL_FAM6_RAPTORLAKE_P),
278         INTEL_MATCH(INTEL_FAM6_RAPTORLAKE_S),
279         {}
280 };
281
282 static void setup_pcid(void)
283 {
284         if (!IS_ENABLED(CONFIG_X86_64))
285                 return;
286
287         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID))
288                 return;
289
290         if (x86_match_cpu(invlpg_miss_ids)) {
291                 pr_info("Incomplete global flushes, disabling PCID");
292                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_PCID);
293                 return;
294         }
295
296         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
297                 /*
298                  * This can't be cr4_set_bits_and_update_boot() -- the
299                  * trampoline code can't handle CR4.PCIDE and it wouldn't
300                  * do any good anyway.  Despite the name,
301                  * cr4_set_bits_and_update_boot() doesn't actually cause
302                  * the bits in question to remain set all the way through
303                  * the secondary boot asm.
304                  *
305                  * Instead, we brute-force it and set CR4.PCIDE manually in
306                  * start_secondary().
307                  */
308                 cr4_set_bits(X86_CR4_PCIDE);
309
310                 /*
311                  * INVPCID's single-context modes (2/3) only work if we set
312                  * X86_CR4_PCIDE, *and* we INVPCID support.  It's unusable
313                  * on systems that have X86_CR4_PCIDE clear, or that have
314                  * no INVPCID support at all.
315                  */
316                 if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID))
317                         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE);
318         } else {
319                 /*
320                  * flush_tlb_all(), as currently implemented, won't work if
321                  * PCID is on but PGE is not.  Since that combination
322                  * doesn't exist on real hardware, there's no reason to try
323                  * to fully support it, but it's polite to avoid corrupting
324                  * data if we're on an improperly configured VM.
325                  */
326                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_PCID);
327         }
328 }
329
330 #ifdef CONFIG_X86_32
331 #define NR_RANGE_MR 3
332 #else /* CONFIG_X86_64 */
333 #define NR_RANGE_MR 5
334 #endif
335
336 static int __meminit save_mr(struct map_range *mr, int nr_range,
337                              unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn,
338                              unsigned long page_size_mask)
339 {
340         if (start_pfn < end_pfn) {
341                 if (nr_range >= NR_RANGE_MR)
342                         panic("run out of range for init_memory_mapping\n");
343                 mr[nr_range].start = start_pfn<<PAGE_SHIFT;
344                 mr[nr_range].end   = end_pfn<<PAGE_SHIFT;
345                 mr[nr_range].page_size_mask = page_size_mask;
346                 nr_range++;
347         }
348
349         return nr_range;
350 }
351
352 /*
353  * adjust the page_size_mask for small range to go with
354  *      big page size instead small one if nearby are ram too.
355  */
356 static void __ref adjust_range_page_size_mask(struct map_range *mr,
357                                                          int nr_range)
358 {
359         int i;
360
361         for (i = 0; i < nr_range; i++) {
362                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M)) &&
363                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))) {
364                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PMD_SIZE);
365                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PMD_SIZE);
366
367 #ifdef CONFIG_X86_32
368                         if ((end >> PAGE_SHIFT) > max_low_pfn)
369                                 continue;
370 #endif
371
372                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
373                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_2M;
374                 }
375                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G)) &&
376                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))) {
377                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PUD_SIZE);
378                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PUD_SIZE);
379
380                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
381                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_1G;
382                 }
383         }
384 }
385
386 static const char *page_size_string(struct map_range *mr)
387 {
388         static const char str_1g[] = "1G";
389         static const char str_2m[] = "2M";
390         static const char str_4m[] = "4M";
391         static const char str_4k[] = "4k";
392
393         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))
394                 return str_1g;
395         /*
396          * 32-bit without PAE has a 4M large page size.
397          * PG_LEVEL_2M is misnamed, but we can at least
398          * print out the right size in the string.
399          */
400         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) &&
401             !IS_ENABLED(CONFIG_X86_PAE) &&
402             mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
403                 return str_4m;
404
405         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
406                 return str_2m;
407
408         return str_4k;
409 }
410
411 static int __meminit split_mem_range(struct map_range *mr, int nr_range,
412                                      unsigned long start,
413                                      unsigned long end)
414 {
415         unsigned long start_pfn, end_pfn, limit_pfn;
416         unsigned long pfn;
417         int i;
418
419         limit_pfn = PFN_DOWN(end);
420
421         /* head if not big page alignment ? */
422         pfn = start_pfn = PFN_DOWN(start);
423 #ifdef CONFIG_X86_32
424         /*
425          * Don't use a large page for the first 2/4MB of memory
426          * because there are often fixed size MTRRs in there
427          * and overlapping MTRRs into large pages can cause
428          * slowdowns.
429          */
430         if (pfn == 0)
431                 end_pfn = PFN_DOWN(PMD_SIZE);
432         else
433                 end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
434 #else /* CONFIG_X86_64 */
435         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
436 #endif
437         if (end_pfn > limit_pfn)
438                 end_pfn = limit_pfn;
439         if (start_pfn < end_pfn) {
440                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
441                 pfn = end_pfn;
442         }
443
444         /* big page (2M) range */
445         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
446 #ifdef CONFIG_X86_32
447         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
448 #else /* CONFIG_X86_64 */
449         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
450         if (end_pfn > round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE)))
451                 end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
452 #endif
453
454         if (start_pfn < end_pfn) {
455                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
456                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
457                 pfn = end_pfn;
458         }
459
460 #ifdef CONFIG_X86_64
461         /* big page (1G) range */
462         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
463         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
464         if (start_pfn < end_pfn) {
465                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
466                                 page_size_mask &
467                                  ((1<<PG_LEVEL_2M)|(1<<PG_LEVEL_1G)));
468                 pfn = end_pfn;
469         }
470
471         /* tail is not big page (1G) alignment */
472         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
473         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
474         if (start_pfn < end_pfn) {
475                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
476                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
477                 pfn = end_pfn;
478         }
479 #endif
480
481         /* tail is not big page (2M) alignment */
482         start_pfn = pfn;
483         end_pfn = limit_pfn;
484         nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
485
486         if (!after_bootmem)
487                 adjust_range_page_size_mask(mr, nr_range);
488
489         /* try to merge same page size and continuous */
490         for (i = 0; nr_range > 1 && i < nr_range - 1; i++) {
491                 unsigned long old_start;
492                 if (mr[i].end != mr[i+1].start ||
493                     mr[i].page_size_mask != mr[i+1].page_size_mask)
494                         continue;
495                 /* move it */
496                 old_start = mr[i].start;
497                 memmove(&mr[i], &mr[i+1],
498                         (nr_range - 1 - i) * sizeof(struct map_range));
499                 mr[i--].start = old_start;
500                 nr_range--;
501         }
502
503         for (i = 0; i < nr_range; i++)
504                 pr_debug(" [mem %#010lx-%#010lx] page %s\n",
505                                 mr[i].start, mr[i].end - 1,
506                                 page_size_string(&mr[i]));
507
508         return nr_range;
509 }
510
511 struct range pfn_mapped[E820_MAX_ENTRIES];
512 int nr_pfn_mapped;
513
514 static void add_pfn_range_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
515 {
516         nr_pfn_mapped = add_range_with_merge(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES,
517                                              nr_pfn_mapped, start_pfn, end_pfn);
518         nr_pfn_mapped = clean_sort_range(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES);
519
520         max_pfn_mapped = max(max_pfn_mapped, end_pfn);
521
522         if (start_pfn < (1UL<<(32-PAGE_SHIFT)))
523                 max_low_pfn_mapped = max(max_low_pfn_mapped,
524                                          min(end_pfn, 1UL<<(32-PAGE_SHIFT)));
525 }
526
527 bool pfn_range_is_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
528 {
529         int i;
530
531         for (i = 0; i < nr_pfn_mapped; i++)
532                 if ((start_pfn >= pfn_mapped[i].start) &&
533                     (end_pfn <= pfn_mapped[i].end))
534                         return true;
535
536         return false;
537 }
538
539 /*
540  * Setup the direct mapping of the physical memory at PAGE_OFFSET.
541  * This runs before bootmem is initialized and gets pages directly from
542  * the physical memory. To access them they are temporarily mapped.
543  */
544 unsigned long __ref init_memory_mapping(unsigned long start,
545                                         unsigned long end, pgprot_t prot)
546 {
547         struct map_range mr[NR_RANGE_MR];
548         unsigned long ret = 0;
549         int nr_range, i;
550
551         pr_debug("init_memory_mapping: [mem %#010lx-%#010lx]\n",
552                start, end - 1);
553
554         memset(mr, 0, sizeof(mr));
555         nr_range = split_mem_range(mr, 0, start, end);
556
557         for (i = 0; i < nr_range; i++)
558                 ret = kernel_physical_mapping_init(mr[i].start, mr[i].end,
559                                                    mr[i].page_size_mask,
560                                                    prot);
561
562         add_pfn_range_mapped(start >> PAGE_SHIFT, ret >> PAGE_SHIFT);
563
564         return ret >> PAGE_SHIFT;
565 }
566
567 /*
568  * We need to iterate through the E820 memory map and create direct mappings
569  * for only E820_TYPE_RAM and E820_KERN_RESERVED regions. We cannot simply
570  * create direct mappings for all pfns from [0 to max_low_pfn) and
571  * [4GB to max_pfn) because of possible memory holes in high addresses
572  * that cannot be marked as UC by fixed/variable range MTRRs.
573  * Depending on the alignment of E820 ranges, this may possibly result
574  * in using smaller size (i.e. 4K instead of 2M or 1G) page tables.
575  *
576  * init_mem_mapping() calls init_range_memory_mapping() with big range.
577  * That range would have hole in the middle or ends, and only ram parts
578  * will be mapped in init_range_memory_mapping().
579  */
580 static unsigned long __init init_range_memory_mapping(
581                                            unsigned long r_start,
582                                            unsigned long r_end)
583 {
584         unsigned long start_pfn, end_pfn;
585         unsigned long mapped_ram_size = 0;
586         int i;
587
588         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
589                 u64 start = clamp_val(PFN_PHYS(start_pfn), r_start, r_end);
590                 u64 end = clamp_val(PFN_PHYS(end_pfn), r_start, r_end);
591                 if (start >= end)
592                         continue;
593
594                 /*
595                  * if it is overlapping with brk pgt, we need to
596                  * alloc pgt buf from memblock instead.
597                  */
598                 can_use_brk_pgt = max(start, (u64)pgt_buf_end<<PAGE_SHIFT) >=
599                                     min(end, (u64)pgt_buf_top<<PAGE_SHIFT);
600                 init_memory_mapping(start, end, PAGE_KERNEL);
601                 mapped_ram_size += end - start;
602                 can_use_brk_pgt = true;
603         }
604
605         return mapped_ram_size;
606 }
607
608 static unsigned long __init get_new_step_size(unsigned long step_size)
609 {
610         /*
611          * Initial mapped size is PMD_SIZE (2M).
612          * We can not set step_size to be PUD_SIZE (1G) yet.
613          * In worse case, when we cross the 1G boundary, and
614          * PG_LEVEL_2M is not set, we will need 1+1+512 pages (2M + 8k)
615          * to map 1G range with PTE. Hence we use one less than the
616          * difference of page table level shifts.
617          *
618          * Don't need to worry about overflow in the top-down case, on 32bit,
619          * when step_size is 0, round_down() returns 0 for start, and that
620          * turns it into 0x100000000ULL.
621          * In the bottom-up case, round_up(x, 0) returns 0 though too, which
622          * needs to be taken into consideration by the code below.
623          */
624         return step_size << (PMD_SHIFT - PAGE_SHIFT - 1);
625 }
626
627 /**
628  * memory_map_top_down - Map [map_start, map_end) top down
629  * @map_start: start address of the target memory range
630  * @map_end: end address of the target memory range
631  *
632  * This function will setup direct mapping for memory range
633  * [map_start, map_end) in top-down. That said, the page tables
634  * will be allocated at the end of the memory, and we map the
635  * memory in top-down.
636  */
637 static void __init memory_map_top_down(unsigned long map_start,
638                                        unsigned long map_end)
639 {
640         unsigned long real_end, last_start;
641         unsigned long step_size;
642         unsigned long addr;
643         unsigned long mapped_ram_size = 0;
644
645         /*
646          * Systems that have many reserved areas near top of the memory,
647          * e.g. QEMU with less than 1G RAM and EFI enabled, or Xen, will
648          * require lots of 4K mappings which may exhaust pgt_buf.
649          * Start with top-most PMD_SIZE range aligned at PMD_SIZE to ensure
650          * there is enough mapped memory that can be allocated from
651          * memblock.
652          */
653         addr = memblock_phys_alloc_range(PMD_SIZE, PMD_SIZE, map_start,
654                                          map_end);
655         memblock_phys_free(addr, PMD_SIZE);
656         real_end = addr + PMD_SIZE;
657
658         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
659         step_size = PMD_SIZE;
660         max_pfn_mapped = 0; /* will get exact value next */
661         min_pfn_mapped = real_end >> PAGE_SHIFT;
662         last_start = real_end;
663
664         /*
665          * We start from the top (end of memory) and go to the bottom.
666          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
667          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
668          * for page table.
669          */
670         while (last_start > map_start) {
671                 unsigned long start;
672
673                 if (last_start > step_size) {
674                         start = round_down(last_start - 1, step_size);
675                         if (start < map_start)
676                                 start = map_start;
677                 } else
678                         start = map_start;
679                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start,
680                                                         last_start);
681                 last_start = start;
682                 min_pfn_mapped = last_start >> PAGE_SHIFT;
683                 if (mapped_ram_size >= step_size)
684                         step_size = get_new_step_size(step_size);
685         }
686
687         if (real_end < map_end)
688                 init_range_memory_mapping(real_end, map_end);
689 }
690
691 /**
692  * memory_map_bottom_up - Map [map_start, map_end) bottom up
693  * @map_start: start address of the target memory range
694  * @map_end: end address of the target memory range
695  *
696  * This function will setup direct mapping for memory range
697  * [map_start, map_end) in bottom-up. Since we have limited the
698  * bottom-up allocation above the kernel, the page tables will
699  * be allocated just above the kernel and we map the memory
700  * in [map_start, map_end) in bottom-up.
701  */
702 static void __init memory_map_bottom_up(unsigned long map_start,
703                                         unsigned long map_end)
704 {
705         unsigned long next, start;
706         unsigned long mapped_ram_size = 0;
707         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
708         unsigned long step_size = PMD_SIZE;
709
710         start = map_start;
711         min_pfn_mapped = start >> PAGE_SHIFT;
712
713         /*
714          * We start from the bottom (@map_start) and go to the top (@map_end).
715          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
716          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
717          * for page table.
718          */
719         while (start < map_end) {
720                 if (step_size && map_end - start > step_size) {
721                         next = round_up(start + 1, step_size);
722                         if (next > map_end)
723                                 next = map_end;
724                 } else {
725                         next = map_end;
726                 }
727
728                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start, next);
729                 start = next;
730
731                 if (mapped_ram_size >= step_size)
732                         step_size = get_new_step_size(step_size);
733         }
734 }
735
736 /*
737  * The real mode trampoline, which is required for bootstrapping CPUs
738  * occupies only a small area under the low 1MB.  See reserve_real_mode()
739  * for details.
740  *
741  * If KASLR is disabled the first PGD entry of the direct mapping is copied
742  * to map the real mode trampoline.
743  *
744  * If KASLR is enabled, copy only the PUD which covers the low 1MB
745  * area. This limits the randomization granularity to 1GB for both 4-level
746  * and 5-level paging.
747  */
748 static void __init init_trampoline(void)
749 {
750 #ifdef CONFIG_X86_64
751         /*
752          * The code below will alias kernel page-tables in the user-range of the
753          * address space, including the Global bit. So global TLB entries will
754          * be created when using the trampoline page-table.
755          */
756         if (!kaslr_memory_enabled())
757                 trampoline_pgd_entry = init_top_pgt[pgd_index(__PAGE_OFFSET)];
758         else
759                 init_trampoline_kaslr();
760 #endif
761 }
762
763 void __init init_mem_mapping(void)
764 {
765         unsigned long end;
766
767         pti_check_boottime_disable();
768         probe_page_size_mask();
769         setup_pcid();
770
771 #ifdef CONFIG_X86_64
772         end = max_pfn << PAGE_SHIFT;
773 #else
774         end = max_low_pfn << PAGE_SHIFT;
775 #endif
776
777         /* the ISA range is always mapped regardless of memory holes */
778         init_memory_mapping(0, ISA_END_ADDRESS, PAGE_KERNEL);
779
780         /* Init the trampoline, possibly with KASLR memory offset */
781         init_trampoline();
782
783         /*
784          * If the allocation is in bottom-up direction, we setup direct mapping
785          * in bottom-up, otherwise we setup direct mapping in top-down.
786          */
787         if (memblock_bottom_up()) {
788                 unsigned long kernel_end = __pa_symbol(_end);
789
790                 /*
791                  * we need two separate calls here. This is because we want to
792                  * allocate page tables above the kernel. So we first map
793                  * [kernel_end, end) to make memory above the kernel be mapped
794                  * as soon as possible. And then use page tables allocated above
795                  * the kernel to map [ISA_END_ADDRESS, kernel_end).
796                  */
797                 memory_map_bottom_up(kernel_end, end);
798                 memory_map_bottom_up(ISA_END_ADDRESS, kernel_end);
799         } else {
800                 memory_map_top_down(ISA_END_ADDRESS, end);
801         }
802
803 #ifdef CONFIG_X86_64
804         if (max_pfn > max_low_pfn) {
805                 /* can we preserve max_low_pfn ?*/
806                 max_low_pfn = max_pfn;
807         }
808 #else
809         early_ioremap_page_table_range_init();
810 #endif
811
812         load_cr3(swapper_pg_dir);
813         __flush_tlb_all();
814
815         x86_init.hyper.init_mem_mapping();
816
817         early_memtest(0, max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT);
818 }
819
820 /*
821  * Initialize an mm_struct to be used during poking and a pointer to be used
822  * during patching.
823  */
824 void __init poking_init(void)
825 {
826         spinlock_t *ptl;
827         pte_t *ptep;
828
829         poking_mm = mm_alloc();
830         BUG_ON(!poking_mm);
831
832         /* Xen PV guests need the PGD to be pinned. */
833         paravirt_enter_mmap(poking_mm);
834
835         /*
836          * Randomize the poking address, but make sure that the following page
837          * will be mapped at the same PMD. We need 2 pages, so find space for 3,
838          * and adjust the address if the PMD ends after the first one.
839          */
840         poking_addr = TASK_UNMAPPED_BASE;
841         if (IS_ENABLED(CONFIG_RANDOMIZE_BASE))
842                 poking_addr += (kaslr_get_random_long("Poking") & PAGE_MASK) %
843                         (TASK_SIZE - TASK_UNMAPPED_BASE - 3 * PAGE_SIZE);
844
845         if (((poking_addr + PAGE_SIZE) & ~PMD_MASK) == 0)
846                 poking_addr += PAGE_SIZE;
847
848         /*
849          * We need to trigger the allocation of the page-tables that will be
850          * needed for poking now. Later, poking may be performed in an atomic
851          * section, which might cause allocation to fail.
852          */
853         ptep = get_locked_pte(poking_mm, poking_addr, &ptl);
854         BUG_ON(!ptep);
855         pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
856 }
857
858 /*
859  * devmem_is_allowed() checks to see if /dev/mem access to a certain address
860  * is valid. The argument is a physical page number.
861  *
862  * On x86, access has to be given to the first megabyte of RAM because that
863  * area traditionally contains BIOS code and data regions used by X, dosemu,
864  * and similar apps. Since they map the entire memory range, the whole range
865  * must be allowed (for mapping), but any areas that would otherwise be
866  * disallowed are flagged as being "zero filled" instead of rejected.
867  * Access has to be given to non-kernel-ram areas as well, these contain the
868  * PCI mmio resources as well as potential bios/acpi data regions.
869  */
870 int devmem_is_allowed(unsigned long pagenr)
871 {
872         if (region_intersects(PFN_PHYS(pagenr), PAGE_SIZE,
873                                 IORESOURCE_SYSTEM_RAM, IORES_DESC_NONE)
874                         != REGION_DISJOINT) {
875                 /*
876                  * For disallowed memory regions in the low 1MB range,
877                  * request that the page be shown as all zeros.
878                  */
879                 if (pagenr < 256)
880                         return 2;
881
882                 return 0;
883         }
884
885         /*
886          * This must follow RAM test, since System RAM is considered a
887          * restricted resource under CONFIG_STRICT_DEVMEM.
888          */
889         if (iomem_is_exclusive(pagenr << PAGE_SHIFT)) {
890                 /* Low 1MB bypasses iomem restrictions. */
891                 if (pagenr < 256)
892                         return 1;
893
894                 return 0;
895         }
896
897         return 1;
898 }
899
900 void free_init_pages(const char *what, unsigned long begin, unsigned long end)
901 {
902         unsigned long begin_aligned, end_aligned;
903
904         /* Make sure boundaries are page aligned */
905         begin_aligned = PAGE_ALIGN(begin);
906         end_aligned   = end & PAGE_MASK;
907
908         if (WARN_ON(begin_aligned != begin || end_aligned != end)) {
909                 begin = begin_aligned;
910                 end   = end_aligned;
911         }
912
913         if (begin >= end)
914                 return;
915
916         /*
917          * If debugging page accesses then do not free this memory but
918          * mark them not present - any buggy init-section access will
919          * create a kernel page fault:
920          */
921         if (debug_pagealloc_enabled()) {
922                 pr_info("debug: unmapping init [mem %#010lx-%#010lx]\n",
923                         begin, end - 1);
924                 /*
925                  * Inform kmemleak about the hole in the memory since the
926                  * corresponding pages will be unmapped.
927                  */
928                 kmemleak_free_part((void *)begin, end - begin);
929                 set_memory_np(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
930         } else {
931                 /*
932                  * We just marked the kernel text read only above, now that
933                  * we are going to free part of that, we need to make that
934                  * writeable and non-executable first.
935                  */
936                 set_memory_nx(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
937                 set_memory_rw(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
938
939                 free_reserved_area((void *)begin, (void *)end,
940                                    POISON_FREE_INITMEM, what);
941         }
942 }
943
944 /*
945  * begin/end can be in the direct map or the "high kernel mapping"
946  * used for the kernel image only.  free_init_pages() will do the
947  * right thing for either kind of address.
948  */
949 void free_kernel_image_pages(const char *what, void *begin, void *end)
950 {
951         unsigned long begin_ul = (unsigned long)begin;
952         unsigned long end_ul = (unsigned long)end;
953         unsigned long len_pages = (end_ul - begin_ul) >> PAGE_SHIFT;
954
955         free_init_pages(what, begin_ul, end_ul);
956
957         /*
958          * PTI maps some of the kernel into userspace.  For performance,
959          * this includes some kernel areas that do not contain secrets.
960          * Those areas might be adjacent to the parts of the kernel image
961          * being freed, which may contain secrets.  Remove the "high kernel
962          * image mapping" for these freed areas, ensuring they are not even
963          * potentially vulnerable to Meltdown regardless of the specific
964          * optimizations PTI is currently using.
965          *
966          * The "noalias" prevents unmapping the direct map alias which is
967          * needed to access the freed pages.
968          *
969          * This is only valid for 64bit kernels. 32bit has only one mapping
970          * which can't be treated in this way for obvious reasons.
971          */
972         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PTI))
973                 set_memory_np_noalias(begin_ul, len_pages);
974 }
975
976 void __ref free_initmem(void)
977 {
978         e820__reallocate_tables();
979
980         mem_encrypt_free_decrypted_mem();
981
982         free_kernel_image_pages("unused kernel image (initmem)",
983                                 &__init_begin, &__init_end);
984 }
985
986 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
987 void __init free_initrd_mem(unsigned long start, unsigned long end)
988 {
989         /*
990          * end could be not aligned, and We can not align that,
991          * decompressor could be confused by aligned initrd_end
992          * We already reserve the end partial page before in
993          *   - i386_start_kernel()
994          *   - x86_64_start_kernel()
995          *   - relocate_initrd()
996          * So here We can do PAGE_ALIGN() safely to get partial page to be freed
997          */
998         free_init_pages("initrd", start, PAGE_ALIGN(end));
999 }
1000 #endif
1001
1002 /*
1003  * Calculate the precise size of the DMA zone (first 16 MB of RAM),
1004  * and pass it to the MM layer - to help it set zone watermarks more
1005  * accurately.
1006  *
1007  * Done on 64-bit systems only for the time being, although 32-bit systems
1008  * might benefit from this as well.
1009  */
1010 void __init memblock_find_dma_reserve(void)
1011 {
1012 #ifdef CONFIG_X86_64
1013         u64 nr_pages = 0, nr_free_pages = 0;
1014         unsigned long start_pfn, end_pfn;
1015         phys_addr_t start_addr, end_addr;
1016         int i;
1017         u64 u;
1018
1019         /*
1020          * Iterate over all memory ranges (free and reserved ones alike),
1021          * to calculate the total number of pages in the first 16 MB of RAM:
1022          */
1023         nr_pages = 0;
1024         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
1025                 start_pfn = min(start_pfn, MAX_DMA_PFN);
1026                 end_pfn   = min(end_pfn,   MAX_DMA_PFN);
1027
1028                 nr_pages += end_pfn - start_pfn;
1029         }
1030
1031         /*
1032          * Iterate over free memory ranges to calculate the number of free
1033          * pages in the DMA zone, while not counting potential partial
1034          * pages at the beginning or the end of the range:
1035          */
1036         nr_free_pages = 0;
1037         for_each_free_mem_range(u, NUMA_NO_NODE, MEMBLOCK_NONE, &start_addr, &end_addr, NULL) {
1038                 start_pfn = min_t(unsigned long, PFN_UP(start_addr), MAX_DMA_PFN);
1039                 end_pfn   = min_t(unsigned long, PFN_DOWN(end_addr), MAX_DMA_PFN);
1040
1041                 if (start_pfn < end_pfn)
1042                         nr_free_pages += end_pfn - start_pfn;
1043         }
1044
1045         set_dma_reserve(nr_pages - nr_free_pages);
1046 #endif
1047 }
1048
1049 void __init zone_sizes_init(void)
1050 {
1051         unsigned long max_zone_pfns[MAX_NR_ZONES];
1052
1053         memset(max_zone_pfns, 0, sizeof(max_zone_pfns));
1054
1055 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA
1056         max_zone_pfns[ZONE_DMA]         = min(MAX_DMA_PFN, max_low_pfn);
1057 #endif
1058 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
1059         max_zone_pfns[ZONE_DMA32]       = min(MAX_DMA32_PFN, max_low_pfn);
1060 #endif
1061         max_zone_pfns[ZONE_NORMAL]      = max_low_pfn;
1062 #ifdef CONFIG_HIGHMEM
1063         max_zone_pfns[ZONE_HIGHMEM]     = max_pfn;
1064 #endif
1065
1066         free_area_init(max_zone_pfns);
1067 }
1068
1069 __visible DEFINE_PER_CPU_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate) = {
1070         .loaded_mm = &init_mm,
1071         .next_asid = 1,
1072         .cr4 = ~0UL,    /* fail hard if we screw up cr4 shadow initialization */
1073 };
1074
1075 #ifdef CONFIG_ADDRESS_MASKING
1076 DEFINE_PER_CPU(u64, tlbstate_untag_mask);
1077 EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(tlbstate_untag_mask);
1078 #endif
1079
1080 void update_cache_mode_entry(unsigned entry, enum page_cache_mode cache)
1081 {
1082         /* entry 0 MUST be WB (hardwired to speed up translations) */
1083         BUG_ON(!entry && cache != _PAGE_CACHE_MODE_WB);
1084
1085         __cachemode2pte_tbl[cache] = __cm_idx2pte(entry);
1086         __pte2cachemode_tbl[entry] = cache;
1087 }
1088
1089 #ifdef CONFIG_SWAP
1090 unsigned long arch_max_swapfile_size(void)
1091 {
1092         unsigned long pages;
1093
1094         pages = generic_max_swapfile_size();
1095
1096         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_L1TF) && l1tf_mitigation != L1TF_MITIGATION_OFF) {
1097                 /* Limit the swap file size to MAX_PA/2 for L1TF workaround */
1098                 unsigned long long l1tf_limit = l1tf_pfn_limit();
1099                 /*
1100                  * We encode swap offsets also with 3 bits below those for pfn
1101                  * which makes the usable limit higher.
1102                  */
1103 #if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
1104                 l1tf_limit <<= PAGE_SHIFT - SWP_OFFSET_FIRST_BIT;
1105 #endif
1106                 pages = min_t(unsigned long long, l1tf_limit, pages);
1107         }
1108         return pages;
1109 }
1110 #endif