arch/ppc64/kernel/iommu.c

   1 /*
   2  * arch/ppc64/kernel/iommu.c
   3  * Copyright (C) 2001 Mike Corrigan & Dave Engebretsen, IBM Corporation
   4  *
   5  * Rewrite, cleanup, new allocation schemes, virtual merging:
   6  * Copyright (C) 2004 Olof Johansson, IBM Corporation
   7  *               and  Ben. Herrenschmidt, IBM Corporation
   8  *
   9  * Dynamic DMA mapping support, bus-independent parts.
  10  *
  11  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  12  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  13  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  14  * (at your option) any later version.
  15  *
  16  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  19  * GNU General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  22  * along with this program; if not, write to the Free Software
  23  * Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
  24  */
  25
  26
  27 #include <linux/config.h>
  28 #include <linux/init.h>
  29 #include <linux/types.h>
  30 #include <linux/slab.h>
  31 #include <linux/mm.h>
  32 #include <linux/spinlock.h>
  33 #include <linux/string.h>
  34 #include <linux/dma-mapping.h>
  35 #include <linux/init.h>
  36 #include <linux/bitops.h>
  37 #include <asm/io.h>
  38 #include <asm/prom.h>
  39 #include <asm/iommu.h>
  40 #include <asm/pci-bridge.h>
  41 #include <asm/machdep.h>
  42
  43 #define DBG(...)
  44
  45 #ifdef CONFIG_IOMMU_VMERGE
  46 static int novmerge = 0;
  47 #else
  48 static int novmerge = 1;
  49 #endif
  50
  51 static int __init setup_iommu(char *str)
  52 {
  53         if (!strcmp(str, "novmerge"))
  54                 novmerge = 1;
  55         else if (!strcmp(str, "vmerge"))
  56                 novmerge = 0;
  57         return 1;
  58 }
  59
  60 __setup("iommu=", setup_iommu);
  61
  62 static unsigned long iommu_range_alloc(struct iommu_table *tbl,
  63                                        unsigned long npages,
  64                                        unsigned long *handle,
  65                                        unsigned int align_order)
  66 {
  67         unsigned long n, end, i, start;
  68         unsigned long limit;
  69         int largealloc = npages > 15;
  70         int pass = 0;
  71         unsigned long align_mask;
  72
  73         align_mask = 0xffffffffffffffffl >> (64 - align_order);
  74
  75         /* This allocator was derived from x86_64's bit string search */
  76
  77         /* Sanity check */
  78         if (unlikely(npages) == 0) {
  79                 if (printk_ratelimit())
  80                         WARN_ON(1);
  81                 return DMA_ERROR_CODE;
  82         }
  83
  84         if (handle && *handle)
  85                 start = *handle;
  86         else
  87                 start = largealloc ? tbl->it_largehint : tbl->it_hint;
  88
  89         /* Use only half of the table for small allocs (15 pages or less) */
  90         limit = largealloc ? tbl->it_size : tbl->it_halfpoint;
  91
  92         if (largealloc && start < tbl->it_halfpoint)
  93                 start = tbl->it_halfpoint;
  94
  95         /* The case below can happen if we have a small segment appended
  96          * to a large, or when the previous alloc was at the very end of
  97          * the available space. If so, go back to the initial start.
  98          */
  99         if (start >= limit)
 100                 start = largealloc ? tbl->it_largehint : tbl->it_hint;
 101
 102  again:
 103
 104         n = find_next_zero_bit(tbl->it_map, limit, start);
 105
 106         /* Align allocation */
 107         n = (n + align_mask) & ~align_mask;
 108
 109         end = n + npages;
 110
 111         if (unlikely(end >= limit)) {
 112                 if (likely(pass < 2)) {
 113                         /* First failure, just rescan the half of the table.
 114                          * Second failure, rescan the other half of the table.
 115                          */
 116                         start = (largealloc ^ pass) ? tbl->it_halfpoint : 0;
 117                         limit = pass ? tbl->it_size : limit;
 118                         pass++;
 119                         goto again;
 120                 } else {
 121                         /* Third failure, give up */
 122                         return DMA_ERROR_CODE;
 123                 }
 124         }
 125
 126         for (i = n; i < end; i++)
 127                 if (test_bit(i, tbl->it_map)) {
 128                         start = i+1;
 129                         goto again;
 130                 }
 131
 132         for (i = n; i < end; i++)
 133                 __set_bit(i, tbl->it_map);
 134
 135         /* Bump the hint to a new block for small allocs. */
 136         if (largealloc) {
 137                 /* Don't bump to new block to avoid fragmentation */
 138                 tbl->it_largehint = end;
 139         } else {
 140                 /* Overflow will be taken care of at the next allocation */
 141                 tbl->it_hint = (end + tbl->it_blocksize - 1) &
 142                                 ~(tbl->it_blocksize - 1);
 143         }
 144
 145         /* Update handle for SG allocations */
 146         if (handle)
 147                 *handle = end;
 148
 149         return n;
 150 }
 151
 152 static dma_addr_t iommu_alloc(struct iommu_table *tbl, void *page,
 153                        unsigned int npages, enum dma_data_direction direction,
 154                        unsigned int align_order)
 155 {
 156         unsigned long entry, flags;
 157         dma_addr_t ret = DMA_ERROR_CODE;
 158
 159         spin_lock_irqsave(&(tbl->it_lock), flags);
 160
 161         entry = iommu_range_alloc(tbl, npages, NULL, align_order);
 162
 163         if (unlikely(entry == DMA_ERROR_CODE)) {
 164                 spin_unlock_irqrestore(&(tbl->it_lock), flags);
 165                 return DMA_ERROR_CODE;
 166         }
 167
 168         entry += tbl->it_offset;        /* Offset into real TCE table */
 169         ret = entry << PAGE_SHIFT;      /* Set the return dma address */
 170
 171         /* Put the TCEs in the HW table */
 172         ppc_md.tce_build(tbl, entry, npages, (unsigned long)page & PAGE_MASK,
 173                          direction);
 174
 175
 176         /* Flush/invalidate TLB caches if necessary */
 177         if (ppc_md.tce_flush)
 178                 ppc_md.tce_flush(tbl);
 179
 180         spin_unlock_irqrestore(&(tbl->it_lock), flags);
 181
 182         /* Make sure updates are seen by hardware */
 183         mb();
 184
 185         return ret;
 186 }
 187
 188 static void __iommu_free(struct iommu_table *tbl, dma_addr_t dma_addr,
 189                          unsigned int npages)
 190 {
 191         unsigned long entry, free_entry;
 192         unsigned long i;
 193
 194         entry = dma_addr >> PAGE_SHIFT;
 195         free_entry = entry - tbl->it_offset;
 196
 197         if (((free_entry + npages) > tbl->it_size) ||
 198             (entry < tbl->it_offset)) {
 199                 if (printk_ratelimit()) {
 200                         printk(KERN_INFO "iommu_free: invalid entry\n");
 201                         printk(KERN_INFO "\tentry     = 0x%lx\n", entry);
 202                         printk(KERN_INFO "\tdma_addr  = 0x%lx\n", (u64)dma_addr);
 203                         printk(KERN_INFO "\tTable     = 0x%lx\n", (u64)tbl);
 204                         printk(KERN_INFO "\tbus#      = 0x%lx\n", (u64)tbl->it_busno);
 205                         printk(KERN_INFO "\tsize      = 0x%lx\n", (u64)tbl->it_size);
 206                         printk(KERN_INFO "\tstartOff  = 0x%lx\n", (u64)tbl->it_offset);
 207                         printk(KERN_INFO "\tindex     = 0x%lx\n", (u64)tbl->it_index);
 208                         WARN_ON(1);
 209                 }
 210                 return;
 211         }
 212
 213         ppc_md.tce_free(tbl, entry, npages);
 214
 215         for (i = 0; i < npages; i++)
 216                 __clear_bit(free_entry+i, tbl->it_map);
 217 }
 218
 219 static void iommu_free(struct iommu_table *tbl, dma_addr_t dma_addr,
 220                 unsigned int npages)
 221 {
 222         unsigned long flags;
 223
 224         spin_lock_irqsave(&(tbl->it_lock), flags);
 225
 226         __iommu_free(tbl, dma_addr, npages);
 227
 228         /* Make sure TLB cache is flushed if the HW needs it. We do
 229          * not do an mb() here on purpose, it is not needed on any of
 230          * the current platforms.
 231          */
 232         if (ppc_md.tce_flush)
 233                 ppc_md.tce_flush(tbl);
 234
 235         spin_unlock_irqrestore(&(tbl->it_lock), flags);
 236 }
 237
 238 int iommu_map_sg(struct device *dev, struct iommu_table *tbl,
 239                 struct scatterlist *sglist, int nelems,
 240                 enum dma_data_direction direction)
 241 {
 242         dma_addr_t dma_next = 0, dma_addr;
 243         unsigned long flags;
 244         struct scatterlist *s, *outs, *segstart;
 245         int outcount, incount;
 246         unsigned long handle;
 247
 248         BUG_ON(direction == DMA_NONE);
 249
 250         if ((nelems == 0) || !tbl)
 251                 return 0;
 252
 253         outs = s = segstart = &sglist[0];
 254         outcount = 1;
 255         incount = nelems;
 256         handle = 0;
 257
 258         /* Init first segment length for backout at failure */
 259         outs->dma_length = 0;
 260
 261         DBG("mapping %d elements:\n", nelems);
 262
 263         spin_lock_irqsave(&(tbl->it_lock), flags);
 264
 265         for (s = outs; nelems; nelems--, s++) {
 266                 unsigned long vaddr, npages, entry, slen;
 267
 268                 slen = s->length;
 269                 /* Sanity check */
 270                 if (slen == 0) {
 271                         dma_next = 0;
 272                         continue;
 273                 }
 274                 /* Allocate iommu entries for that segment */
 275                 vaddr = (unsigned long)page_address(s->page) + s->offset;
 276                 npages = PAGE_ALIGN(vaddr + slen) - (vaddr & PAGE_MASK);
 277                 npages >>= PAGE_SHIFT;
 278                 entry = iommu_range_alloc(tbl, npages, &handle, 0);
 279
 280                 DBG("  - vaddr: %lx, size: %lx\n", vaddr, slen);
 281
 282                 /* Handle failure */
 283                 if (unlikely(entry == DMA_ERROR_CODE)) {
 284                         if (printk_ratelimit())
 285                                 printk(KERN_INFO "iommu_alloc failed, tbl %p vaddr %lx"
 286                                        " npages %lx\n", tbl, vaddr, npages);
 287                         goto failure;
 288                 }
 289
 290                 /* Convert entry to a dma_addr_t */
 291                 entry += tbl->it_offset;
 292                 dma_addr = entry << PAGE_SHIFT;
 293                 dma_addr |= s->offset;
 294
 295                 DBG("  - %lx pages, entry: %lx, dma_addr: %lx\n",
 296                             npages, entry, dma_addr);
 297
 298                 /* Insert into HW table */
 299                 ppc_md.tce_build(tbl, entry, npages, vaddr & PAGE_MASK, direction);
 300
 301                 /* If we are in an open segment, try merging */
 302                 if (segstart != s) {
 303                         DBG("  - trying merge...\n");
 304                         /* We cannot merge if:
 305                          * - allocated dma_addr isn't contiguous to previous allocation
 306                          */
 307                         if (novmerge || (dma_addr != dma_next)) {
 308                                 /* Can't merge: create a new segment */
 309                                 segstart = s;
 310                                 outcount++; outs++;
 311                                 DBG("    can't merge, new segment.\n");
 312                         } else {
 313                                 outs->dma_length += s->length;
 314                                 DBG("    merged, new len: %lx\n", outs->dma_length);
 315                         }
 316                 }
 317
 318                 if (segstart == s) {
 319                         /* This is a new segment, fill entries */
 320                         DBG("  - filling new segment.\n");
 321                         outs->dma_address = dma_addr;
 322                         outs->dma_length = slen;
 323                 }
 324
 325                 /* Calculate next page pointer for contiguous check */
 326                 dma_next = dma_addr + slen;
 327
 328                 DBG("  - dma next is: %lx\n", dma_next);
 329         }
 330
 331         /* Flush/invalidate TLB caches if necessary */
 332         if (ppc_md.tce_flush)
 333                 ppc_md.tce_flush(tbl);
 334
 335         spin_unlock_irqrestore(&(tbl->it_lock), flags);
 336
 337         /* Make sure updates are seen by hardware */
 338         mb();
 339
 340         DBG("mapped %d elements:\n", outcount);
 341
 342         /* For the sake of iommu_unmap_sg, we clear out the length in the
 343          * next entry of the sglist if we didn't fill the list completely
 344          */
 345         if (outcount < incount) {
 346                 outs++;
 347                 outs->dma_address = DMA_ERROR_CODE;
 348                 outs->dma_length = 0;
 349         }
 350         return outcount;
 351
 352  failure:
 353         for (s = &sglist[0]; s <= outs; s++) {
 354                 if (s->dma_length != 0) {
 355                         unsigned long vaddr, npages;
 356
 357                         vaddr = s->dma_address & PAGE_MASK;
 358                         npages = (PAGE_ALIGN(s->dma_address + s->dma_length) - vaddr)
 359                                 >> PAGE_SHIFT;
 360                         __iommu_free(tbl, vaddr, npages);
 361                 }
 362         }
 363         spin_unlock_irqrestore(&(tbl->it_lock), flags);
 364         return 0;
 365 }
 366
 367
 368 void iommu_unmap_sg(struct iommu_table *tbl, struct scatterlist *sglist,
 369                 int nelems, enum dma_data_direction direction)
 370 {
 371         unsigned long flags;
 372
 373         BUG_ON(direction == DMA_NONE);
 374
 375         if (!tbl)
 376                 return;
 377
 378         spin_lock_irqsave(&(tbl->it_lock), flags);
 379
 380         while (nelems--) {
 381                 unsigned int npages;
 382                 dma_addr_t dma_handle = sglist->dma_address;
 383
 384                 if (sglist->dma_length == 0)
 385                         break;
 386                 npages = (PAGE_ALIGN(dma_handle + sglist->dma_length)
 387                           - (dma_handle & PAGE_MASK)) >> PAGE_SHIFT;
 388                 __iommu_free(tbl, dma_handle, npages);
 389                 sglist++;
 390         }
 391
 392         /* Flush/invalidate TLBs if necessary. As for iommu_free(), we
 393          * do not do an mb() here, the affected platforms do not need it
 394          * when freeing.
 395          */
 396         if (ppc_md.tce_flush)
 397                 ppc_md.tce_flush(tbl);
 398
 399         spin_unlock_irqrestore(&(tbl->it_lock), flags);
 400 }
 401
 402 /*
 403  * Build a iommu_table structure.  This contains a bit map which
 404  * is used to manage allocation of the tce space.
 405  */
 406 struct iommu_table *iommu_init_table(struct iommu_table *tbl)
 407 {
 408         unsigned long sz;
 409         static int welcomed = 0;
 410
 411         /* Set aside 1/4 of the table for large allocations. */
 412         tbl->it_halfpoint = tbl->it_size * 3 / 4;
 413
 414         /* number of bytes needed for the bitmap */
 415         sz = (tbl->it_size + 7) >> 3;
 416
 417         tbl->it_map = (unsigned long *)__get_free_pages(GFP_ATOMIC, get_order(sz));
 418         if (!tbl->it_map)
 419                 panic("iommu_init_table: Can't allocate %ld bytes\n", sz);
 420
 421         memset(tbl->it_map, 0, sz);
 422
 423         tbl->it_hint = 0;
 424         tbl->it_largehint = tbl->it_halfpoint;
 425         spin_lock_init(&tbl->it_lock);
 426
 427         /* Clear the hardware table in case firmware left allocations in it */
 428         ppc_md.tce_free(tbl, tbl->it_offset, tbl->it_size);
 429
 430         if (!welcomed) {
 431                 printk(KERN_INFO "IOMMU table initialized, virtual merging %s\n",
 432                        novmerge ? "disabled" : "enabled");
 433                 welcomed = 1;
 434         }
 435
 436         return tbl;
 437 }
 438
 439 void iommu_free_table(struct device_node *dn)
 440 {
 441         struct pci_dn *pdn = dn->data;
 442         struct iommu_table *tbl = pdn->iommu_table;
 443         unsigned long bitmap_sz, i;
 444         unsigned int order;
 445
 446         if (!tbl || !tbl->it_map) {
 447                 printk(KERN_ERR "%s: expected TCE map for %s\n", __FUNCTION__,
 448                                 dn->full_name);
 449                 return;
 450         }
 451
 452         /* verify that table contains no entries */
 453         /* it_size is in entries, and we're examining 64 at a time */
 454         for (i = 0; i < (tbl->it_size/64); i++) {
 455                 if (tbl->it_map[i] != 0) {
 456                         printk(KERN_WARNING "%s: Unexpected TCEs for %s\n",
 457                                 __FUNCTION__, dn->full_name);
 458                         break;
 459                 }
 460         }
 461
 462         /* calculate bitmap size in bytes */
 463         bitmap_sz = (tbl->it_size + 7) / 8;
 464
 465         /* free bitmap */
 466         order = get_order(bitmap_sz);
 467         free_pages((unsigned long) tbl->it_map, order);
 468
 469         /* free table */
 470         kfree(tbl);
 471 }
 472
 473 /* Creates TCEs for a user provided buffer.  The user buffer must be
 474  * contiguous real kernel storage (not vmalloc).  The address of the buffer
 475  * passed here is the kernel (virtual) address of the buffer.  The buffer
 476  * need not be page aligned, the dma_addr_t returned will point to the same
 477  * byte within the page as vaddr.
 478  */
 479 dma_addr_t iommu_map_single(struct iommu_table *tbl, void *vaddr,
 480                 size_t size, enum dma_data_direction direction)
 481 {
 482         dma_addr_t dma_handle = DMA_ERROR_CODE;
 483         unsigned long uaddr;
 484         unsigned int npages;
 485
 486         BUG_ON(direction == DMA_NONE);
 487
 488         uaddr = (unsigned long)vaddr;
 489         npages = PAGE_ALIGN(uaddr + size) - (uaddr & PAGE_MASK);
 490         npages >>= PAGE_SHIFT;
 491
 492         if (tbl) {
 493                 dma_handle = iommu_alloc(tbl, vaddr, npages, direction, 0);
 494                 if (dma_handle == DMA_ERROR_CODE) {
 495                         if (printk_ratelimit())  {
 496                                 printk(KERN_INFO "iommu_alloc failed, "
 497                                                 "tbl %p vaddr %p npages %d\n",
 498                                                 tbl, vaddr, npages);
 499                         }
 500                 } else
 501                         dma_handle |= (uaddr & ~PAGE_MASK);
 502         }
 503
 504         return dma_handle;
 505 }
 506
 507 void iommu_unmap_single(struct iommu_table *tbl, dma_addr_t dma_handle,
 508                 size_t size, enum dma_data_direction direction)
 509 {
 510         BUG_ON(direction == DMA_NONE);
 511
 512         if (tbl)
 513                 iommu_free(tbl, dma_handle, (PAGE_ALIGN(dma_handle + size) -
 514                                         (dma_handle & PAGE_MASK)) >> PAGE_SHIFT);
 515 }
 516
 517 /* Allocates a contiguous real buffer and creates mappings over it.
 518  * Returns the virtual address of the buffer and sets dma_handle
 519  * to the dma address (mapping) of the first page.
 520  */
 521 void *iommu_alloc_coherent(struct iommu_table *tbl, size_t size,
 522                 dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
 523 {
 524         void *ret = NULL;
 525         dma_addr_t mapping;
 526         unsigned int npages, order;
 527
 528         size = PAGE_ALIGN(size);
 529         npages = size >> PAGE_SHIFT;
 530         order = get_order(size);
 531
 532         /*
 533          * Client asked for way too much space.  This is checked later
 534          * anyway.  It is easier to debug here for the drivers than in
 535          * the tce tables.
 536          */
 537         if (order >= IOMAP_MAX_ORDER) {
 538                 printk("iommu_alloc_consistent size too large: 0x%lx\n", size);
 539                 return NULL;
 540         }
 541
 542         if (!tbl)
 543                 return NULL;
 544
 545         /* Alloc enough pages (and possibly more) */
 546         ret = (void *)__get_free_pages(flag, order);
 547         if (!ret)
 548                 return NULL;
 549         memset(ret, 0, size);
 550
 551         /* Set up tces to cover the allocated range */
 552         mapping = iommu_alloc(tbl, ret, npages, DMA_BIDIRECTIONAL, order);
 553         if (mapping == DMA_ERROR_CODE) {
 554                 free_pages((unsigned long)ret, order);
 555                 ret = NULL;
 556         } else
 557                 *dma_handle = mapping;
 558         return ret;
 559 }
 560
 561 void iommu_free_coherent(struct iommu_table *tbl, size_t size,
 562                          void *vaddr, dma_addr_t dma_handle)
 563 {
 564         unsigned int npages;
 565
 566         if (tbl) {
 567                 size = PAGE_ALIGN(size);
 568                 npages = size >> PAGE_SHIFT;
 569                 iommu_free(tbl, dma_handle, npages);
 570                 free_pages((unsigned long)vaddr, get_order(size));
 571         }
 572 }