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