drivers/xen/swiotlb-xen.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
   2 /*
   3  *  Copyright 2010
   4  *  by Konrad Rzeszutek Wilk <konrad.wilk@oracle.com>
   5  *
   6  * This code provides a IOMMU for Xen PV guests with PCI passthrough.
   7  *
   8  * PV guests under Xen are running in an non-contiguous memory architecture.
   9  *
  10  * When PCI pass-through is utilized, this necessitates an IOMMU for
  11  * translating bus (DMA) to virtual and vice-versa and also providing a
  12  * mechanism to have contiguous pages for device drivers operations (say DMA
  13  * operations).
  14  *
  15  * Specifically, under Xen the Linux idea of pages is an illusion. It
  16  * assumes that pages start at zero and go up to the available memory. To
  17  * help with that, the Linux Xen MMU provides a lookup mechanism to
  18  * translate the page frame numbers (PFN) to machine frame numbers (MFN)
  19  * and vice-versa. The MFN are the "real" frame numbers. Furthermore
  20  * memory is not contiguous. Xen hypervisor stitches memory for guests
  21  * from different pools, which means there is no guarantee that PFN==MFN
  22  * and PFN+1==MFN+1. Lastly with Xen 4.0, pages (in debug mode) are
  23  * allocated in descending order (high to low), meaning the guest might
  24  * never get any MFN's under the 4GB mark.
  25  */
  26
  27 #define pr_fmt(fmt) "xen:" KBUILD_MODNAME ": " fmt
  28
  29 #include <linux/memblock.h>
  30 #include <linux/dma-direct.h>
  31 #include <linux/dma-map-ops.h>
  32 #include <linux/export.h>
  33 #include <xen/swiotlb-xen.h>
  34 #include <xen/page.h>
  35 #include <xen/xen-ops.h>
  36 #include <xen/hvc-console.h>
  37
  38 #include <asm/dma-mapping.h>
  39 #include <asm/xen/page-coherent.h>
  40
  41 #include <trace/events/swiotlb.h>
  42 #define MAX_DMA_BITS 32
  43
  44 /*
  45  * Quick lookup value of the bus address of the IOTLB.
  46  */
  47
  48 static inline phys_addr_t xen_phys_to_bus(struct device *dev, phys_addr_t paddr)
  49 {
  50         unsigned long bfn = pfn_to_bfn(XEN_PFN_DOWN(paddr));
  51         phys_addr_t baddr = (phys_addr_t)bfn << XEN_PAGE_SHIFT;
  52
  53         baddr |= paddr & ~XEN_PAGE_MASK;
  54         return baddr;
  55 }
  56
  57 static inline dma_addr_t xen_phys_to_dma(struct device *dev, phys_addr_t paddr)
  58 {
  59         return phys_to_dma(dev, xen_phys_to_bus(dev, paddr));
  60 }
  61
  62 static inline phys_addr_t xen_bus_to_phys(struct device *dev,
  63                                           phys_addr_t baddr)
  64 {
  65         unsigned long xen_pfn = bfn_to_pfn(XEN_PFN_DOWN(baddr));
  66         phys_addr_t paddr = (xen_pfn << XEN_PAGE_SHIFT) |
  67                             (baddr & ~XEN_PAGE_MASK);
  68
  69         return paddr;
  70 }
  71
  72 static inline phys_addr_t xen_dma_to_phys(struct device *dev,
  73                                           dma_addr_t dma_addr)
  74 {
  75         return xen_bus_to_phys(dev, dma_to_phys(dev, dma_addr));
  76 }
  77
  78 static inline int range_straddles_page_boundary(phys_addr_t p, size_t size)
  79 {
  80         unsigned long next_bfn, xen_pfn = XEN_PFN_DOWN(p);
  81         unsigned int i, nr_pages = XEN_PFN_UP(xen_offset_in_page(p) + size);
  82
  83         next_bfn = pfn_to_bfn(xen_pfn);
  84
  85         for (i = 1; i < nr_pages; i++)
  86                 if (pfn_to_bfn(++xen_pfn) != ++next_bfn)
  87                         return 1;
  88
  89         return 0;
  90 }
  91
  92 static int is_xen_swiotlb_buffer(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr)
  93 {
  94         unsigned long bfn = XEN_PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dma_addr));
  95         unsigned long xen_pfn = bfn_to_local_pfn(bfn);
  96         phys_addr_t paddr = (phys_addr_t)xen_pfn << XEN_PAGE_SHIFT;
  97
  98         /* If the address is outside our domain, it CAN
  99          * have the same virtual address as another address
 100          * in our domain. Therefore _only_ check address within our domain.
 101          */
 102         if (pfn_valid(PFN_DOWN(paddr)))
 103                 return is_swiotlb_buffer(dev, paddr);
 104         return 0;
 105 }
 106
 107 static int xen_swiotlb_fixup(void *buf, unsigned long nslabs)
 108 {
 109         int rc;
 110         unsigned int order = get_order(IO_TLB_SEGSIZE << IO_TLB_SHIFT);
 111         unsigned int i, dma_bits = order + PAGE_SHIFT;
 112         dma_addr_t dma_handle;
 113         phys_addr_t p = virt_to_phys(buf);
 114
 115         BUILD_BUG_ON(IO_TLB_SEGSIZE & (IO_TLB_SEGSIZE - 1));
 116         BUG_ON(nslabs % IO_TLB_SEGSIZE);
 117
 118         i = 0;
 119         do {
 120                 do {
 121                         rc = xen_create_contiguous_region(
 122                                 p + (i << IO_TLB_SHIFT), order,
 123                                 dma_bits, &dma_handle);
 124                 } while (rc && dma_bits++ < MAX_DMA_BITS);
 125                 if (rc)
 126                         return rc;
 127
 128                 i += IO_TLB_SEGSIZE;
 129         } while (i < nslabs);
 130         return 0;
 131 }
 132
 133 enum xen_swiotlb_err {
 134         XEN_SWIOTLB_UNKNOWN = 0,
 135         XEN_SWIOTLB_ENOMEM,
 136         XEN_SWIOTLB_EFIXUP
 137 };
 138
 139 static const char *xen_swiotlb_error(enum xen_swiotlb_err err)
 140 {
 141         switch (err) {
 142         case XEN_SWIOTLB_ENOMEM:
 143                 return "Cannot allocate Xen-SWIOTLB buffer\n";
 144         case XEN_SWIOTLB_EFIXUP:
 145                 return "Failed to get contiguous memory for DMA from Xen!\n"\
 146                     "You either: don't have the permissions, do not have"\
 147                     " enough free memory under 4GB, or the hypervisor memory"\
 148                     " is too fragmented!";
 149         default:
 150                 break;
 151         }
 152         return "";
 153 }
 154
 155 int xen_swiotlb_init(void)
 156 {
 157         enum xen_swiotlb_err m_ret = XEN_SWIOTLB_UNKNOWN;
 158         unsigned long bytes = swiotlb_size_or_default();
 159         unsigned long nslabs = bytes >> IO_TLB_SHIFT;
 160         unsigned int order, repeat = 3;
 161         int rc = -ENOMEM;
 162         char *start;
 163
 164         if (io_tlb_default_mem.nslabs) {
 165                 pr_warn("swiotlb buffer already initialized\n");
 166                 return -EEXIST;
 167         }
 168
 169 retry:
 170         m_ret = XEN_SWIOTLB_ENOMEM;
 171         order = get_order(bytes);
 172
 173         /*
 174          * Get IO TLB memory from any location.
 175          */
 176 #define SLABS_PER_PAGE (1 << (PAGE_SHIFT - IO_TLB_SHIFT))
 177 #define IO_TLB_MIN_SLABS ((1<<20) >> IO_TLB_SHIFT)
 178         while ((SLABS_PER_PAGE << order) > IO_TLB_MIN_SLABS) {
 179                 start = (void *)xen_get_swiotlb_free_pages(order);
 180                 if (start)
 181                         break;
 182                 order--;
 183         }
 184         if (!start)
 185                 goto exit;
 186         if (order != get_order(bytes)) {
 187                 pr_warn("Warning: only able to allocate %ld MB for software IO TLB\n",
 188                         (PAGE_SIZE << order) >> 20);
 189                 nslabs = SLABS_PER_PAGE << order;
 190                 bytes = nslabs << IO_TLB_SHIFT;
 191         }
 192
 193         /*
 194          * And replace that memory with pages under 4GB.
 195          */
 196         rc = xen_swiotlb_fixup(start, nslabs);
 197         if (rc) {
 198                 free_pages((unsigned long)start, order);
 199                 m_ret = XEN_SWIOTLB_EFIXUP;
 200                 goto error;
 201         }
 202         rc = swiotlb_late_init_with_tbl(start, nslabs);
 203         if (rc)
 204                 return rc;
 205         swiotlb_set_max_segment(PAGE_SIZE);
 206         return 0;
 207 error:
 208         if (nslabs > 1024 && repeat--) {
 209                 /* Min is 2MB */
 210                 nslabs = max(1024UL, ALIGN(nslabs >> 1, IO_TLB_SEGSIZE));
 211                 bytes = nslabs << IO_TLB_SHIFT;
 212                 pr_info("Lowering to %luMB\n", bytes >> 20);
 213                 goto retry;
 214         }
 215 exit:
 216         pr_err("%s (rc:%d)\n", xen_swiotlb_error(m_ret), rc);
 217         return rc;
 218 }
 219
 220 #ifdef CONFIG_X86
 221 void __init xen_swiotlb_init_early(void)
 222 {
 223         unsigned long bytes = swiotlb_size_or_default();
 224         unsigned long nslabs = bytes >> IO_TLB_SHIFT;
 225         unsigned int repeat = 3;
 226         char *start;
 227         int rc;
 228
 229 retry:
 230         /*
 231          * Get IO TLB memory from any location.
 232          */
 233         start = memblock_alloc(PAGE_ALIGN(bytes),
 234                                IO_TLB_SEGSIZE << IO_TLB_SHIFT);
 235         if (!start)
 236                 panic("%s: Failed to allocate %lu bytes\n",
 237                       __func__, PAGE_ALIGN(bytes));
 238
 239         /*
 240          * And replace that memory with pages under 4GB.
 241          */
 242         rc = xen_swiotlb_fixup(start, nslabs);
 243         if (rc) {
 244                 memblock_free(__pa(start), PAGE_ALIGN(bytes));
 245                 if (nslabs > 1024 && repeat--) {
 246                         /* Min is 2MB */
 247                         nslabs = max(1024UL, ALIGN(nslabs >> 1, IO_TLB_SEGSIZE));
 248                         bytes = nslabs << IO_TLB_SHIFT;
 249                         pr_info("Lowering to %luMB\n", bytes >> 20);
 250                         goto retry;
 251                 }
 252                 panic("%s (rc:%d)", xen_swiotlb_error(XEN_SWIOTLB_EFIXUP), rc);
 253         }
 254
 255         if (swiotlb_init_with_tbl(start, nslabs, true))
 256                 panic("Cannot allocate SWIOTLB buffer");
 257         swiotlb_set_max_segment(PAGE_SIZE);
 258 }
 259 #endif /* CONFIG_X86 */
 260
 261 static void *
 262 xen_swiotlb_alloc_coherent(struct device *hwdev, size_t size,
 263                            dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flags,
 264                            unsigned long attrs)
 265 {
 266         void *ret;
 267         int order = get_order(size);
 268         u64 dma_mask = DMA_BIT_MASK(32);
 269         phys_addr_t phys;
 270         dma_addr_t dev_addr;
 271
 272         /*
 273         * Ignore region specifiers - the kernel's ideas of
 274         * pseudo-phys memory layout has nothing to do with the
 275         * machine physical layout.  We can't allocate highmem
 276         * because we can't return a pointer to it.
 277         */
 278         flags &= ~(__GFP_DMA | __GFP_HIGHMEM);
 279
 280         /* Convert the size to actually allocated. */
 281         size = 1UL << (order + XEN_PAGE_SHIFT);
 282
 283         /* On ARM this function returns an ioremap'ped virtual address for
 284          * which virt_to_phys doesn't return the corresponding physical
 285          * address. In fact on ARM virt_to_phys only works for kernel direct
 286          * mapped RAM memory. Also see comment below.
 287          */
 288         ret = xen_alloc_coherent_pages(hwdev, size, dma_handle, flags, attrs);
 289
 290         if (!ret)
 291                 return ret;
 292
 293         if (hwdev && hwdev->coherent_dma_mask)
 294                 dma_mask = hwdev->coherent_dma_mask;
 295
 296         /* At this point dma_handle is the dma address, next we are
 297          * going to set it to the machine address.
 298          * Do not use virt_to_phys(ret) because on ARM it doesn't correspond
 299          * to *dma_handle. */
 300         phys = dma_to_phys(hwdev, *dma_handle);
 301         dev_addr = xen_phys_to_dma(hwdev, phys);
 302         if (((dev_addr + size - 1 <= dma_mask)) &&
 303             !range_straddles_page_boundary(phys, size))
 304                 *dma_handle = dev_addr;
 305         else {
 306                 if (xen_create_contiguous_region(phys, order,
 307                                                  fls64(dma_mask), dma_handle) != 0) {
 308                         xen_free_coherent_pages(hwdev, size, ret, (dma_addr_t)phys, attrs);
 309                         return NULL;
 310                 }
 311                 *dma_handle = phys_to_dma(hwdev, *dma_handle);
 312                 SetPageXenRemapped(virt_to_page(ret));
 313         }
 314         memset(ret, 0, size);
 315         return ret;
 316 }
 317
 318 static void
 319 xen_swiotlb_free_coherent(struct device *hwdev, size_t size, void *vaddr,
 320                           dma_addr_t dev_addr, unsigned long attrs)
 321 {
 322         int order = get_order(size);
 323         phys_addr_t phys;
 324         u64 dma_mask = DMA_BIT_MASK(32);
 325         struct page *page;
 326
 327         if (hwdev && hwdev->coherent_dma_mask)
 328                 dma_mask = hwdev->coherent_dma_mask;
 329
 330         /* do not use virt_to_phys because on ARM it doesn't return you the
 331          * physical address */
 332         phys = xen_dma_to_phys(hwdev, dev_addr);
 333
 334         /* Convert the size to actually allocated. */
 335         size = 1UL << (order + XEN_PAGE_SHIFT);
 336
 337         if (is_vmalloc_addr(vaddr))
 338                 page = vmalloc_to_page(vaddr);
 339         else
 340                 page = virt_to_page(vaddr);
 341
 342         if (!WARN_ON((dev_addr + size - 1 > dma_mask) ||
 343                      range_straddles_page_boundary(phys, size)) &&
 344             TestClearPageXenRemapped(page))
 345                 xen_destroy_contiguous_region(phys, order);
 346
 347         xen_free_coherent_pages(hwdev, size, vaddr, phys_to_dma(hwdev, phys),
 348                                 attrs);
 349 }
 350
 351 /*
 352  * Map a single buffer of the indicated size for DMA in streaming mode.  The
 353  * physical address to use is returned.
 354  *
 355  * Once the device is given the dma address, the device owns this memory until
 356  * either xen_swiotlb_unmap_page or xen_swiotlb_dma_sync_single is performed.
 357  */
 358 static dma_addr_t xen_swiotlb_map_page(struct device *dev, struct page *page,
 359                                 unsigned long offset, size_t size,
 360                                 enum dma_data_direction dir,
 361                                 unsigned long attrs)
 362 {
 363         phys_addr_t map, phys = page_to_phys(page) + offset;
 364         dma_addr_t dev_addr = xen_phys_to_dma(dev, phys);
 365
 366         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 367         /*
 368          * If the address happens to be in the device's DMA window,
 369          * we can safely return the device addr and not worry about bounce
 370          * buffering it.
 371          */
 372         if (dma_capable(dev, dev_addr, size, true) &&
 373             !range_straddles_page_boundary(phys, size) &&
 374                 !xen_arch_need_swiotlb(dev, phys, dev_addr) &&
 375                 !is_swiotlb_force_bounce(dev))
 376                 goto done;
 377
 378         /*
 379          * Oh well, have to allocate and map a bounce buffer.
 380          */
 381         trace_swiotlb_bounced(dev, dev_addr, size, swiotlb_force);
 382
 383         map = swiotlb_tbl_map_single(dev, phys, size, size, dir, attrs);
 384         if (map == (phys_addr_t)DMA_MAPPING_ERROR)
 385                 return DMA_MAPPING_ERROR;
 386
 387         phys = map;
 388         dev_addr = xen_phys_to_dma(dev, map);
 389
 390         /*
 391          * Ensure that the address returned is DMA'ble
 392          */
 393         if (unlikely(!dma_capable(dev, dev_addr, size, true))) {
 394                 swiotlb_tbl_unmap_single(dev, map, size, dir,
 395                                 attrs | DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC);
 396                 return DMA_MAPPING_ERROR;
 397         }
 398
 399 done:
 400         if (!dev_is_dma_coherent(dev) && !(attrs & DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC)) {
 401                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dev_addr))))
 402                         arch_sync_dma_for_device(phys, size, dir);
 403                 else
 404                         xen_dma_sync_for_device(dev, dev_addr, size, dir);
 405         }
 406         return dev_addr;
 407 }
 408
 409 /*
 410  * Unmap a single streaming mode DMA translation.  The dma_addr and size must
 411  * match what was provided for in a previous xen_swiotlb_map_page call.  All
 412  * other usages are undefined.
 413  *
 414  * After this call, reads by the cpu to the buffer are guaranteed to see
 415  * whatever the device wrote there.
 416  */
 417 static void xen_swiotlb_unmap_page(struct device *hwdev, dma_addr_t dev_addr,
 418                 size_t size, enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
 419 {
 420         phys_addr_t paddr = xen_dma_to_phys(hwdev, dev_addr);
 421
 422         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 423
 424         if (!dev_is_dma_coherent(hwdev) && !(attrs & DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC)) {
 425                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(hwdev, dev_addr))))
 426                         arch_sync_dma_for_cpu(paddr, size, dir);
 427                 else
 428                         xen_dma_sync_for_cpu(hwdev, dev_addr, size, dir);
 429         }
 430
 431         /* NOTE: We use dev_addr here, not paddr! */
 432         if (is_xen_swiotlb_buffer(hwdev, dev_addr))
 433                 swiotlb_tbl_unmap_single(hwdev, paddr, size, dir, attrs);
 434 }
 435
 436 static void
 437 xen_swiotlb_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
 438                 size_t size, enum dma_data_direction dir)
 439 {
 440         phys_addr_t paddr = xen_dma_to_phys(dev, dma_addr);
 441
 442         if (!dev_is_dma_coherent(dev)) {
 443                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dma_addr))))
 444                         arch_sync_dma_for_cpu(paddr, size, dir);
 445                 else
 446                         xen_dma_sync_for_cpu(dev, dma_addr, size, dir);
 447         }
 448
 449         if (is_xen_swiotlb_buffer(dev, dma_addr))
 450                 swiotlb_sync_single_for_cpu(dev, paddr, size, dir);
 451 }
 452
 453 static void
 454 xen_swiotlb_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
 455                 size_t size, enum dma_data_direction dir)
 456 {
 457         phys_addr_t paddr = xen_dma_to_phys(dev, dma_addr);
 458
 459         if (is_xen_swiotlb_buffer(dev, dma_addr))
 460                 swiotlb_sync_single_for_device(dev, paddr, size, dir);
 461
 462         if (!dev_is_dma_coherent(dev)) {
 463                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dma_addr))))
 464                         arch_sync_dma_for_device(paddr, size, dir);
 465                 else
 466                         xen_dma_sync_for_device(dev, dma_addr, size, dir);
 467         }
 468 }
 469
 470 /*
 471  * Unmap a set of streaming mode DMA translations.  Again, cpu read rules
 472  * concerning calls here are the same as for swiotlb_unmap_page() above.
 473  */
 474 static void
 475 xen_swiotlb_unmap_sg(struct device *hwdev, struct scatterlist *sgl, int nelems,
 476                 enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
 477 {
 478         struct scatterlist *sg;
 479         int i;
 480
 481         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 482
 483         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i)
 484                 xen_swiotlb_unmap_page(hwdev, sg->dma_address, sg_dma_len(sg),
 485                                 dir, attrs);
 486
 487 }
 488
 489 static int
 490 xen_swiotlb_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sgl, int nelems,
 491                 enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
 492 {
 493         struct scatterlist *sg;
 494         int i;
 495
 496         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 497
 498         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i) {
 499                 sg->dma_address = xen_swiotlb_map_page(dev, sg_page(sg),
 500                                 sg->offset, sg->length, dir, attrs);
 501                 if (sg->dma_address == DMA_MAPPING_ERROR)
 502                         goto out_unmap;
 503                 sg_dma_len(sg) = sg->length;
 504         }
 505
 506         return nelems;
 507 out_unmap:
 508         xen_swiotlb_unmap_sg(dev, sgl, i, dir, attrs | DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC);
 509         sg_dma_len(sgl) = 0;
 510         return -EIO;
 511 }
 512
 513 static void
 514 xen_swiotlb_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sgl,
 515                             int nelems, enum dma_data_direction dir)
 516 {
 517         struct scatterlist *sg;
 518         int i;
 519
 520         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i) {
 521                 xen_swiotlb_sync_single_for_cpu(dev, sg->dma_address,
 522                                 sg->length, dir);
 523         }
 524 }
 525
 526 static void
 527 xen_swiotlb_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sgl,
 528                                int nelems, enum dma_data_direction dir)
 529 {
 530         struct scatterlist *sg;
 531         int i;
 532
 533         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i) {
 534                 xen_swiotlb_sync_single_for_device(dev, sg->dma_address,
 535                                 sg->length, dir);
 536         }
 537 }
 538
 539 /*
 540  * Return whether the given device DMA address mask can be supported
 541  * properly.  For example, if your device can only drive the low 24-bits
 542  * during bus mastering, then you would pass 0x00ffffff as the mask to
 543  * this function.
 544  */
 545 static int
 546 xen_swiotlb_dma_supported(struct device *hwdev, u64 mask)
 547 {
 548         return xen_phys_to_dma(hwdev, io_tlb_default_mem.end - 1) <= mask;
 549 }
 550
 551 const struct dma_map_ops xen_swiotlb_dma_ops = {
 552         .alloc = xen_swiotlb_alloc_coherent,
 553         .free = xen_swiotlb_free_coherent,
 554         .sync_single_for_cpu = xen_swiotlb_sync_single_for_cpu,
 555         .sync_single_for_device = xen_swiotlb_sync_single_for_device,
 556         .sync_sg_for_cpu = xen_swiotlb_sync_sg_for_cpu,
 557         .sync_sg_for_device = xen_swiotlb_sync_sg_for_device,
 558         .map_sg = xen_swiotlb_map_sg,
 559         .unmap_sg = xen_swiotlb_unmap_sg,
 560         .map_page = xen_swiotlb_map_page,
 561         .unmap_page = xen_swiotlb_unmap_page,
 562         .dma_supported = xen_swiotlb_dma_supported,
 563         .mmap = dma_common_mmap,
 564         .get_sgtable = dma_common_get_sgtable,
 565         .alloc_pages = dma_common_alloc_pages,
 566         .free_pages = dma_common_free_pages,
 567 };