KVM: arm64: Normalize cache configuration
authorAkihiko Odaki <akihiko.odaki@daynix.com>
Thu, 12 Jan 2023 02:38:52 +0000 (11:38 +0900)
committerOliver Upton <oliver.upton@linux.dev>
Sat, 21 Jan 2023 18:09:23 +0000 (18:09 +0000)
Before this change, the cache configuration of the physical CPU was
exposed to vcpus. This is problematic because the cache configuration a
vcpu sees varies when it migrates between vcpus with different cache
configurations.

Fabricate cache configuration from the sanitized value, which holds the
CTR_EL0 value the userspace sees regardless of which physical CPU it
resides on.

CLIDR_EL1 and CCSIDR_EL1 are now writable from the userspace so that
the VMM can restore the values saved with the old kernel.

Suggested-by: Marc Zyngier <maz@kernel.org>
Signed-off-by: Akihiko Odaki <akihiko.odaki@daynix.com>
Link: https://lore.kernel.org/r/20230112023852.42012-8-akihiko.odaki@daynix.com
[ Oliver: Squash Marc's fix for CCSIDR_EL1.LineSize when set from userspace ]
Signed-off-by: Oliver Upton <oliver.upton@linux.dev>
arch/arm64/include/asm/cache.h
arch/arm64/include/asm/kvm_host.h
arch/arm64/kvm/reset.c
arch/arm64/kvm/sys_regs.c

index ab71336..a51e6e8 100644 (file)
@@ -22,6 +22,9 @@
 #define CLIDR_CTYPE(clidr, level)      \
        (((clidr) & CLIDR_CTYPE_MASK(level)) >> CLIDR_CTYPE_SHIFT(level))
 
+/* Ttypen, bits [2(n - 1) + 34 : 2(n - 1) + 33], for n = 1 to 7 */
+#define CLIDR_TTYPE_SHIFT(level)       (2 * ((level) - 1) + CLIDR_EL1_Ttypen_SHIFT)
+
 /*
  * Memory returned by kmalloc() may be used for DMA, so we must make
  * sure that all such allocations are cache aligned. Otherwise,
index 374390a..496602e 100644 (file)
@@ -252,6 +252,7 @@ struct kvm_vcpu_fault_info {
 enum vcpu_sysreg {
        __INVALID_SYSREG__,   /* 0 is reserved as an invalid value */
        MPIDR_EL1,      /* MultiProcessor Affinity Register */
+       CLIDR_EL1,      /* Cache Level ID Register */
        CSSELR_EL1,     /* Cache Size Selection Register */
        SCTLR_EL1,      /* System Control Register */
        ACTLR_EL1,      /* Auxiliary Control Register */
@@ -501,6 +502,9 @@ struct kvm_vcpu_arch {
                u64 last_steal;
                gpa_t base;
        } steal;
+
+       /* Per-vcpu CCSIDR override or NULL */
+       u32 *ccsidr;
 };
 
 /*
index e0267f6..dc235dd 100644 (file)
@@ -157,6 +157,7 @@ void kvm_arm_vcpu_destroy(struct kvm_vcpu *vcpu)
        if (sve_state)
                kvm_unshare_hyp(sve_state, sve_state + vcpu_sve_state_size(vcpu));
        kfree(sve_state);
+       kfree(vcpu->arch.ccsidr);
 }
 
 static void kvm_vcpu_reset_sve(struct kvm_vcpu *vcpu)
index 5617de9..6a742af 100644 (file)
@@ -11,6 +11,7 @@
 
 #include <linux/bitfield.h>
 #include <linux/bsearch.h>
+#include <linux/cacheinfo.h>
 #include <linux/kvm_host.h>
 #include <linux/mm.h>
 #include <linux/printk.h>
@@ -81,25 +82,97 @@ void vcpu_write_sys_reg(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 val, int reg)
         __vcpu_sys_reg(vcpu, reg) = val;
 }
 
-/* 3 bits per cache level, as per CLIDR, but non-existent caches always 0 */
-static u32 cache_levels;
-
 /* CSSELR values; used to index KVM_REG_ARM_DEMUX_ID_CCSIDR */
 #define CSSELR_MAX 14
 
+/*
+ * Returns the minimum line size for the selected cache, expressed as
+ * Log2(bytes).
+ */
+static u8 get_min_cache_line_size(bool icache)
+{
+       u64 ctr = read_sanitised_ftr_reg(SYS_CTR_EL0);
+       u8 field;
+
+       if (icache)
+               field = SYS_FIELD_GET(CTR_EL0, IminLine, ctr);
+       else
+               field = SYS_FIELD_GET(CTR_EL0, DminLine, ctr);
+
+       /*
+        * Cache line size is represented as Log2(words) in CTR_EL0.
+        * Log2(bytes) can be derived with the following:
+        *
+        * Log2(words) + 2 = Log2(bytes / 4) + 2
+        *                 = Log2(bytes) - 2 + 2
+        *                 = Log2(bytes)
+        */
+       return field + 2;
+}
+
 /* Which cache CCSIDR represents depends on CSSELR value. */
-static u32 get_ccsidr(u32 csselr)
+static u32 get_ccsidr(struct kvm_vcpu *vcpu, u32 csselr)
+{
+       u8 line_size;
+
+       if (vcpu->arch.ccsidr)
+               return vcpu->arch.ccsidr[csselr];
+
+       line_size = get_min_cache_line_size(csselr & CSSELR_EL1_InD);
+
+       /*
+        * Fabricate a CCSIDR value as the overriding value does not exist.
+        * The real CCSIDR value will not be used as it can vary by the
+        * physical CPU which the vcpu currently resides in.
+        *
+        * The line size is determined with get_min_cache_line_size(), which
+        * should be valid for all CPUs even if they have different cache
+        * configuration.
+        *
+        * The associativity bits are cleared, meaning the geometry of all data
+        * and unified caches (which are guaranteed to be PIPT and thus
+        * non-aliasing) are 1 set and 1 way.
+        * Guests should not be doing cache operations by set/way at all, and
+        * for this reason, we trap them and attempt to infer the intent, so
+        * that we can flush the entire guest's address space at the appropriate
+        * time. The exposed geometry minimizes the number of the traps.
+        * [If guests should attempt to infer aliasing properties from the
+        * geometry (which is not permitted by the architecture), they would
+        * only do so for virtually indexed caches.]
+        *
+        * We don't check if the cache level exists as it is allowed to return
+        * an UNKNOWN value if not.
+        */
+       return SYS_FIELD_PREP(CCSIDR_EL1, LineSize, line_size - 4);
+}
+
+static int set_ccsidr(struct kvm_vcpu *vcpu, u32 csselr, u32 val)
 {
-       u32 ccsidr;
+       u8 line_size = FIELD_GET(CCSIDR_EL1_LineSize, val) + 4;
+       u32 *ccsidr = vcpu->arch.ccsidr;
+       u32 i;
+
+       if ((val & CCSIDR_EL1_RES0) ||
+           line_size < get_min_cache_line_size(csselr & CSSELR_EL1_InD))
+               return -EINVAL;
+
+       if (!ccsidr) {
+               if (val == get_ccsidr(vcpu, csselr))
+                       return 0;
+
+               ccsidr = kmalloc_array(CSSELR_MAX, sizeof(u32), GFP_KERNEL);
+               if (!ccsidr)
+                       return -ENOMEM;
+
+               for (i = 0; i < CSSELR_MAX; i++)
+                       ccsidr[i] = get_ccsidr(vcpu, i);
+
+               vcpu->arch.ccsidr = ccsidr;
+       }
 
-       /* Make sure noone else changes CSSELR during this! */
-       local_irq_disable();
-       write_sysreg(csselr, csselr_el1);
-       isb();
-       ccsidr = read_sysreg(ccsidr_el1);
-       local_irq_enable();
+       ccsidr[csselr] = val;
 
-       return ccsidr;
+       return 0;
 }
 
 /*
@@ -1391,10 +1464,78 @@ static bool access_clidr(struct kvm_vcpu *vcpu, struct sys_reg_params *p,
        if (p->is_write)
                return write_to_read_only(vcpu, p, r);
 
-       p->regval = read_sysreg(clidr_el1);
+       p->regval = __vcpu_sys_reg(vcpu, r->reg);
        return true;
 }
 
+/*
+ * Fabricate a CLIDR_EL1 value instead of using the real value, which can vary
+ * by the physical CPU which the vcpu currently resides in.
+ */
+static void reset_clidr(struct kvm_vcpu *vcpu, const struct sys_reg_desc *r)
+{
+       u64 ctr_el0 = read_sanitised_ftr_reg(SYS_CTR_EL0);
+       u64 clidr;
+       u8 loc;
+
+       if ((ctr_el0 & CTR_EL0_IDC)) {
+               /*
+                * Data cache clean to the PoU is not required so LoUU and LoUIS
+                * will not be set and a unified cache, which will be marked as
+                * LoC, will be added.
+                *
+                * If not DIC, let the unified cache L2 so that an instruction
+                * cache can be added as L1 later.
+                */
+               loc = (ctr_el0 & CTR_EL0_DIC) ? 1 : 2;
+               clidr = CACHE_TYPE_UNIFIED << CLIDR_CTYPE_SHIFT(loc);
+       } else {
+               /*
+                * Data cache clean to the PoU is required so let L1 have a data
+                * cache and mark it as LoUU and LoUIS. As L1 has a data cache,
+                * it can be marked as LoC too.
+                */
+               loc = 1;
+               clidr = 1 << CLIDR_LOUU_SHIFT;
+               clidr |= 1 << CLIDR_LOUIS_SHIFT;
+               clidr |= CACHE_TYPE_DATA << CLIDR_CTYPE_SHIFT(1);
+       }
+
+       /*
+        * Instruction cache invalidation to the PoU is required so let L1 have
+        * an instruction cache. If L1 already has a data cache, it will be
+        * CACHE_TYPE_SEPARATE.
+        */
+       if (!(ctr_el0 & CTR_EL0_DIC))
+               clidr |= CACHE_TYPE_INST << CLIDR_CTYPE_SHIFT(1);
+
+       clidr |= loc << CLIDR_LOC_SHIFT;
+
+       /*
+        * Add tag cache unified to data cache. Allocation tags and data are
+        * unified in a cache line so that it looks valid even if there is only
+        * one cache line.
+        */
+       if (kvm_has_mte(vcpu->kvm))
+               clidr |= 2 << CLIDR_TTYPE_SHIFT(loc);
+
+       __vcpu_sys_reg(vcpu, r->reg) = clidr;
+}
+
+static int set_clidr(struct kvm_vcpu *vcpu, const struct sys_reg_desc *rd,
+                     u64 val)
+{
+       u64 ctr_el0 = read_sanitised_ftr_reg(SYS_CTR_EL0);
+       u64 idc = !CLIDR_LOC(val) || (!CLIDR_LOUIS(val) && !CLIDR_LOUU(val));
+
+       if ((val & CLIDR_EL1_RES0) || (!(ctr_el0 & CTR_EL0_IDC) && idc))
+               return -EINVAL;
+
+       __vcpu_sys_reg(vcpu, rd->reg) = val;
+
+       return 0;
+}
+
 static bool access_csselr(struct kvm_vcpu *vcpu, struct sys_reg_params *p,
                          const struct sys_reg_desc *r)
 {
@@ -1416,22 +1557,10 @@ static bool access_ccsidr(struct kvm_vcpu *vcpu, struct sys_reg_params *p,
                return write_to_read_only(vcpu, p, r);
 
        csselr = vcpu_read_sys_reg(vcpu, CSSELR_EL1);
-       p->regval = get_ccsidr(csselr);
+       csselr &= CSSELR_EL1_Level | CSSELR_EL1_InD;
+       if (csselr < CSSELR_MAX)
+               p->regval = get_ccsidr(vcpu, csselr);
 
-       /*
-        * Guests should not be doing cache operations by set/way at all, and
-        * for this reason, we trap them and attempt to infer the intent, so
-        * that we can flush the entire guest's address space at the appropriate
-        * time.
-        * To prevent this trapping from causing performance problems, let's
-        * expose the geometry of all data and unified caches (which are
-        * guaranteed to be PIPT and thus non-aliasing) as 1 set and 1 way.
-        * [If guests should attempt to infer aliasing properties from the
-        * geometry (which is not permitted by the architecture), they would
-        * only do so for virtually indexed caches.]
-        */
-       if (!(csselr & 1)) // data or unified cache
-               p->regval &= ~GENMASK(27, 3);
        return true;
 }
 
@@ -1723,7 +1852,8 @@ static const struct sys_reg_desc sys_reg_descs[] = {
        { SYS_DESC(SYS_CNTKCTL_EL1), NULL, reset_val, CNTKCTL_EL1, 0},
 
        { SYS_DESC(SYS_CCSIDR_EL1), access_ccsidr },
-       { SYS_DESC(SYS_CLIDR_EL1), access_clidr },
+       { SYS_DESC(SYS_CLIDR_EL1), access_clidr, reset_clidr, CLIDR_EL1,
+         .set_user = set_clidr },
        { SYS_DESC(SYS_CCSIDR2_EL1), undef_access },
        { SYS_DESC(SYS_SMIDR_EL1), undef_access },
        { SYS_DESC(SYS_CSSELR_EL1), access_csselr, reset_unknown, CSSELR_EL1 },
@@ -2735,7 +2865,6 @@ id_to_sys_reg_desc(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 id,
 
 FUNCTION_INVARIANT(midr_el1)
 FUNCTION_INVARIANT(revidr_el1)
-FUNCTION_INVARIANT(clidr_el1)
 FUNCTION_INVARIANT(aidr_el1)
 
 static void get_ctr_el0(struct kvm_vcpu *v, const struct sys_reg_desc *r)
@@ -2747,7 +2876,6 @@ static void get_ctr_el0(struct kvm_vcpu *v, const struct sys_reg_desc *r)
 static struct sys_reg_desc invariant_sys_regs[] = {
        { SYS_DESC(SYS_MIDR_EL1), NULL, get_midr_el1 },
        { SYS_DESC(SYS_REVIDR_EL1), NULL, get_revidr_el1 },
-       { SYS_DESC(SYS_CLIDR_EL1), NULL, get_clidr_el1 },
        { SYS_DESC(SYS_AIDR_EL1), NULL, get_aidr_el1 },
        { SYS_DESC(SYS_CTR_EL0), NULL, get_ctr_el0 },
 };
@@ -2784,33 +2912,7 @@ static int set_invariant_sys_reg(u64 id, u64 __user *uaddr)
        return 0;
 }
 
-static bool is_valid_cache(u32 val)
-{
-       u32 level, ctype;
-
-       if (val >= CSSELR_MAX)
-               return false;
-
-       /* Bottom bit is Instruction or Data bit.  Next 3 bits are level. */
-       level = (val >> 1);
-       ctype = (cache_levels >> (level * 3)) & 7;
-
-       switch (ctype) {
-       case 0: /* No cache */
-               return false;
-       case 1: /* Instruction cache only */
-               return (val & 1);
-       case 2: /* Data cache only */
-       case 4: /* Unified cache */
-               return !(val & 1);
-       case 3: /* Separate instruction and data caches */
-               return true;
-       default: /* Reserved: we can't know instruction or data. */
-               return false;
-       }
-}
-
-static int demux_c15_get(u64 id, void __user *uaddr)
+static int demux_c15_get(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 id, void __user *uaddr)
 {
        u32 val;
        u32 __user *uval = uaddr;
@@ -2826,16 +2928,16 @@ static int demux_c15_get(u64 id, void __user *uaddr)
                        return -ENOENT;
                val = (id & KVM_REG_ARM_DEMUX_VAL_MASK)
                        >> KVM_REG_ARM_DEMUX_VAL_SHIFT;
-               if (!is_valid_cache(val))
+               if (val >= CSSELR_MAX)
                        return -ENOENT;
 
-               return put_user(get_ccsidr(val), uval);
+               return put_user(get_ccsidr(vcpu, val), uval);
        default:
                return -ENOENT;
        }
 }
 
-static int demux_c15_set(u64 id, void __user *uaddr)
+static int demux_c15_set(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 id, void __user *uaddr)
 {
        u32 val, newval;
        u32 __user *uval = uaddr;
@@ -2851,16 +2953,13 @@ static int demux_c15_set(u64 id, void __user *uaddr)
                        return -ENOENT;
                val = (id & KVM_REG_ARM_DEMUX_VAL_MASK)
                        >> KVM_REG_ARM_DEMUX_VAL_SHIFT;
-               if (!is_valid_cache(val))
+               if (val >= CSSELR_MAX)
                        return -ENOENT;
 
                if (get_user(newval, uval))
                        return -EFAULT;
 
-               /* This is also invariant: you can't change it. */
-               if (newval != get_ccsidr(val))
-                       return -EINVAL;
-               return 0;
+               return set_ccsidr(vcpu, val, newval);
        default:
                return -ENOENT;
        }
@@ -2897,7 +2996,7 @@ int kvm_arm_sys_reg_get_reg(struct kvm_vcpu *vcpu, const struct kvm_one_reg *reg
        int err;
 
        if ((reg->id & KVM_REG_ARM_COPROC_MASK) == KVM_REG_ARM_DEMUX)
-               return demux_c15_get(reg->id, uaddr);
+               return demux_c15_get(vcpu, reg->id, uaddr);
 
        err = get_invariant_sys_reg(reg->id, uaddr);
        if (err != -ENOENT)
@@ -2941,7 +3040,7 @@ int kvm_arm_sys_reg_set_reg(struct kvm_vcpu *vcpu, const struct kvm_one_reg *reg
        int err;
 
        if ((reg->id & KVM_REG_ARM_COPROC_MASK) == KVM_REG_ARM_DEMUX)
-               return demux_c15_set(reg->id, uaddr);
+               return demux_c15_set(vcpu, reg->id, uaddr);
 
        err = set_invariant_sys_reg(reg->id, uaddr);
        if (err != -ENOENT)
@@ -2953,13 +3052,7 @@ int kvm_arm_sys_reg_set_reg(struct kvm_vcpu *vcpu, const struct kvm_one_reg *reg
 
 static unsigned int num_demux_regs(void)
 {
-       unsigned int i, count = 0;
-
-       for (i = 0; i < CSSELR_MAX; i++)
-               if (is_valid_cache(i))
-                       count++;
-
-       return count;
+       return CSSELR_MAX;
 }
 
 static int write_demux_regids(u64 __user *uindices)
@@ -2969,8 +3062,6 @@ static int write_demux_regids(u64 __user *uindices)
 
        val |= KVM_REG_ARM_DEMUX_ID_CCSIDR;
        for (i = 0; i < CSSELR_MAX; i++) {
-               if (!is_valid_cache(i))
-                       continue;
                if (put_user(val | i, uindices))
                        return -EFAULT;
                uindices++;
@@ -3072,7 +3163,6 @@ int kvm_sys_reg_table_init(void)
 {
        bool valid = true;
        unsigned int i;
-       struct sys_reg_desc clidr;
 
        /* Make sure tables are unique and in order. */
        valid &= check_sysreg_table(sys_reg_descs, ARRAY_SIZE(sys_reg_descs), false);
@@ -3089,23 +3179,5 @@ int kvm_sys_reg_table_init(void)
        for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(invariant_sys_regs); i++)
                invariant_sys_regs[i].reset(NULL, &invariant_sys_regs[i]);
 
-       /*
-        * CLIDR format is awkward, so clean it up.  See ARM B4.1.20:
-        *
-        *   If software reads the Cache Type fields from Ctype1
-        *   upwards, once it has seen a value of 0b000, no caches
-        *   exist at further-out levels of the hierarchy. So, for
-        *   example, if Ctype3 is the first Cache Type field with a
-        *   value of 0b000, the values of Ctype4 to Ctype7 must be
-        *   ignored.
-        */
-       get_clidr_el1(NULL, &clidr); /* Ugly... */
-       cache_levels = clidr.val;
-       for (i = 0; i < 7; i++)
-               if (((cache_levels >> (i*3)) & 7) == 0)
-                       break;
-       /* Clear all higher bits. */
-       cache_levels &= (1 << (i*3))-1;
-
        return 0;
 }