Merge tag '4.16-minor-rc-SMB3-fixes' of git://git.samba.org/sfrench/cifs-2.6
[sfrench/cifs-2.6.git] / arch / x86 / include / asm / tlbflush.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _ASM_X86_TLBFLUSH_H
3 #define _ASM_X86_TLBFLUSH_H
4
5 #include <linux/mm.h>
6 #include <linux/sched.h>
7
8 #include <asm/processor.h>
9 #include <asm/cpufeature.h>
10 #include <asm/special_insns.h>
11 #include <asm/smp.h>
12 #include <asm/invpcid.h>
13 #include <asm/pti.h>
14 #include <asm/processor-flags.h>
15
16 /*
17  * The x86 feature is called PCID (Process Context IDentifier). It is similar
18  * to what is traditionally called ASID on the RISC processors.
19  *
20  * We don't use the traditional ASID implementation, where each process/mm gets
21  * its own ASID and flush/restart when we run out of ASID space.
22  *
23  * Instead we have a small per-cpu array of ASIDs and cache the last few mm's
24  * that came by on this CPU, allowing cheaper switch_mm between processes on
25  * this CPU.
26  *
27  * We end up with different spaces for different things. To avoid confusion we
28  * use different names for each of them:
29  *
30  * ASID  - [0, TLB_NR_DYN_ASIDS-1]
31  *         the canonical identifier for an mm
32  *
33  * kPCID - [1, TLB_NR_DYN_ASIDS]
34  *         the value we write into the PCID part of CR3; corresponds to the
35  *         ASID+1, because PCID 0 is special.
36  *
37  * uPCID - [2048 + 1, 2048 + TLB_NR_DYN_ASIDS]
38  *         for KPTI each mm has two address spaces and thus needs two
39  *         PCID values, but we can still do with a single ASID denomination
40  *         for each mm. Corresponds to kPCID + 2048.
41  *
42  */
43
44 /* There are 12 bits of space for ASIDS in CR3 */
45 #define CR3_HW_ASID_BITS                12
46
47 /*
48  * When enabled, PAGE_TABLE_ISOLATION consumes a single bit for
49  * user/kernel switches
50  */
51 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
52 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 1
53 #else
54 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 0
55 #endif
56
57 #define CR3_AVAIL_PCID_BITS (X86_CR3_PCID_BITS - PTI_CONSUMED_PCID_BITS)
58
59 /*
60  * ASIDs are zero-based: 0->MAX_AVAIL_ASID are valid.  -1 below to account
61  * for them being zero-based.  Another -1 is because PCID 0 is reserved for
62  * use by non-PCID-aware users.
63  */
64 #define MAX_ASID_AVAILABLE ((1 << CR3_AVAIL_PCID_BITS) - 2)
65
66 /*
67  * 6 because 6 should be plenty and struct tlb_state will fit in two cache
68  * lines.
69  */
70 #define TLB_NR_DYN_ASIDS        6
71
72 /*
73  * Given @asid, compute kPCID
74  */
75 static inline u16 kern_pcid(u16 asid)
76 {
77         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
78
79 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
80         /*
81          * Make sure that the dynamic ASID space does not confict with the
82          * bit we are using to switch between user and kernel ASIDs.
83          */
84         BUILD_BUG_ON(TLB_NR_DYN_ASIDS >= (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
85
86         /*
87          * The ASID being passed in here should have respected the
88          * MAX_ASID_AVAILABLE and thus never have the switch bit set.
89          */
90         VM_WARN_ON_ONCE(asid & (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
91 #endif
92         /*
93          * The dynamically-assigned ASIDs that get passed in are small
94          * (<TLB_NR_DYN_ASIDS).  They never have the high switch bit set,
95          * so do not bother to clear it.
96          *
97          * If PCID is on, ASID-aware code paths put the ASID+1 into the
98          * PCID bits.  This serves two purposes.  It prevents a nasty
99          * situation in which PCID-unaware code saves CR3, loads some other
100          * value (with PCID == 0), and then restores CR3, thus corrupting
101          * the TLB for ASID 0 if the saved ASID was nonzero.  It also means
102          * that any bugs involving loading a PCID-enabled CR3 with
103          * CR4.PCIDE off will trigger deterministically.
104          */
105         return asid + 1;
106 }
107
108 /*
109  * Given @asid, compute uPCID
110  */
111 static inline u16 user_pcid(u16 asid)
112 {
113         u16 ret = kern_pcid(asid);
114 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
115         ret |= 1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT;
116 #endif
117         return ret;
118 }
119
120 struct pgd_t;
121 static inline unsigned long build_cr3(pgd_t *pgd, u16 asid)
122 {
123         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID)) {
124                 return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid);
125         } else {
126                 VM_WARN_ON_ONCE(asid != 0);
127                 return __sme_pa(pgd);
128         }
129 }
130
131 static inline unsigned long build_cr3_noflush(pgd_t *pgd, u16 asid)
132 {
133         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
134         VM_WARN_ON_ONCE(!this_cpu_has(X86_FEATURE_PCID));
135         return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid) | CR3_NOFLUSH;
136 }
137
138 #ifdef CONFIG_PARAVIRT
139 #include <asm/paravirt.h>
140 #else
141 #define __flush_tlb() __native_flush_tlb()
142 #define __flush_tlb_global() __native_flush_tlb_global()
143 #define __flush_tlb_single(addr) __native_flush_tlb_single(addr)
144 #endif
145
146 static inline bool tlb_defer_switch_to_init_mm(void)
147 {
148         /*
149          * If we have PCID, then switching to init_mm is reasonably
150          * fast.  If we don't have PCID, then switching to init_mm is
151          * quite slow, so we try to defer it in the hopes that we can
152          * avoid it entirely.  The latter approach runs the risk of
153          * receiving otherwise unnecessary IPIs.
154          *
155          * This choice is just a heuristic.  The tlb code can handle this
156          * function returning true or false regardless of whether we have
157          * PCID.
158          */
159         return !static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID);
160 }
161
162 struct tlb_context {
163         u64 ctx_id;
164         u64 tlb_gen;
165 };
166
167 struct tlb_state {
168         /*
169          * cpu_tlbstate.loaded_mm should match CR3 whenever interrupts
170          * are on.  This means that it may not match current->active_mm,
171          * which will contain the previous user mm when we're in lazy TLB
172          * mode even if we've already switched back to swapper_pg_dir.
173          */
174         struct mm_struct *loaded_mm;
175         u16 loaded_mm_asid;
176         u16 next_asid;
177         /* last user mm's ctx id */
178         u64 last_ctx_id;
179
180         /*
181          * We can be in one of several states:
182          *
183          *  - Actively using an mm.  Our CPU's bit will be set in
184          *    mm_cpumask(loaded_mm) and is_lazy == false;
185          *
186          *  - Not using a real mm.  loaded_mm == &init_mm.  Our CPU's bit
187          *    will not be set in mm_cpumask(&init_mm) and is_lazy == false.
188          *
189          *  - Lazily using a real mm.  loaded_mm != &init_mm, our bit
190          *    is set in mm_cpumask(loaded_mm), but is_lazy == true.
191          *    We're heuristically guessing that the CR3 load we
192          *    skipped more than makes up for the overhead added by
193          *    lazy mode.
194          */
195         bool is_lazy;
196
197         /*
198          * If set we changed the page tables in such a way that we
199          * needed an invalidation of all contexts (aka. PCIDs / ASIDs).
200          * This tells us to go invalidate all the non-loaded ctxs[]
201          * on the next context switch.
202          *
203          * The current ctx was kept up-to-date as it ran and does not
204          * need to be invalidated.
205          */
206         bool invalidate_other;
207
208         /*
209          * Mask that contains TLB_NR_DYN_ASIDS+1 bits to indicate
210          * the corresponding user PCID needs a flush next time we
211          * switch to it; see SWITCH_TO_USER_CR3.
212          */
213         unsigned short user_pcid_flush_mask;
214
215         /*
216          * Access to this CR4 shadow and to H/W CR4 is protected by
217          * disabling interrupts when modifying either one.
218          */
219         unsigned long cr4;
220
221         /*
222          * This is a list of all contexts that might exist in the TLB.
223          * There is one per ASID that we use, and the ASID (what the
224          * CPU calls PCID) is the index into ctxts.
225          *
226          * For each context, ctx_id indicates which mm the TLB's user
227          * entries came from.  As an invariant, the TLB will never
228          * contain entries that are out-of-date as when that mm reached
229          * the tlb_gen in the list.
230          *
231          * To be clear, this means that it's legal for the TLB code to
232          * flush the TLB without updating tlb_gen.  This can happen
233          * (for now, at least) due to paravirt remote flushes.
234          *
235          * NB: context 0 is a bit special, since it's also used by
236          * various bits of init code.  This is fine -- code that
237          * isn't aware of PCID will end up harmlessly flushing
238          * context 0.
239          */
240         struct tlb_context ctxs[TLB_NR_DYN_ASIDS];
241 };
242 DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate);
243
244 /* Initialize cr4 shadow for this CPU. */
245 static inline void cr4_init_shadow(void)
246 {
247         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, __read_cr4());
248 }
249
250 static inline void __cr4_set(unsigned long cr4)
251 {
252         lockdep_assert_irqs_disabled();
253         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, cr4);
254         __write_cr4(cr4);
255 }
256
257 /* Set in this cpu's CR4. */
258 static inline void cr4_set_bits(unsigned long mask)
259 {
260         unsigned long cr4, flags;
261
262         local_irq_save(flags);
263         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
264         if ((cr4 | mask) != cr4)
265                 __cr4_set(cr4 | mask);
266         local_irq_restore(flags);
267 }
268
269 /* Clear in this cpu's CR4. */
270 static inline void cr4_clear_bits(unsigned long mask)
271 {
272         unsigned long cr4, flags;
273
274         local_irq_save(flags);
275         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
276         if ((cr4 & ~mask) != cr4)
277                 __cr4_set(cr4 & ~mask);
278         local_irq_restore(flags);
279 }
280
281 static inline void cr4_toggle_bits_irqsoff(unsigned long mask)
282 {
283         unsigned long cr4;
284
285         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
286         __cr4_set(cr4 ^ mask);
287 }
288
289 /* Read the CR4 shadow. */
290 static inline unsigned long cr4_read_shadow(void)
291 {
292         return this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
293 }
294
295 /*
296  * Mark all other ASIDs as invalid, preserves the current.
297  */
298 static inline void invalidate_other_asid(void)
299 {
300         this_cpu_write(cpu_tlbstate.invalidate_other, true);
301 }
302
303 /*
304  * Save some of cr4 feature set we're using (e.g.  Pentium 4MB
305  * enable and PPro Global page enable), so that any CPU's that boot
306  * up after us can get the correct flags.  This should only be used
307  * during boot on the boot cpu.
308  */
309 extern unsigned long mmu_cr4_features;
310 extern u32 *trampoline_cr4_features;
311
312 static inline void cr4_set_bits_and_update_boot(unsigned long mask)
313 {
314         mmu_cr4_features |= mask;
315         if (trampoline_cr4_features)
316                 *trampoline_cr4_features = mmu_cr4_features;
317         cr4_set_bits(mask);
318 }
319
320 extern void initialize_tlbstate_and_flush(void);
321
322 /*
323  * Given an ASID, flush the corresponding user ASID.  We can delay this
324  * until the next time we switch to it.
325  *
326  * See SWITCH_TO_USER_CR3.
327  */
328 static inline void invalidate_user_asid(u16 asid)
329 {
330         /* There is no user ASID if address space separation is off */
331         if (!IS_ENABLED(CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION))
332                 return;
333
334         /*
335          * We only have a single ASID if PCID is off and the CR3
336          * write will have flushed it.
337          */
338         if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
339                 return;
340
341         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
342                 return;
343
344         __set_bit(kern_pcid(asid),
345                   (unsigned long *)this_cpu_ptr(&cpu_tlbstate.user_pcid_flush_mask));
346 }
347
348 /*
349  * flush the entire current user mapping
350  */
351 static inline void __native_flush_tlb(void)
352 {
353         /*
354          * Preemption or interrupts must be disabled to protect the access
355          * to the per CPU variable and to prevent being preempted between
356          * read_cr3() and write_cr3().
357          */
358         WARN_ON_ONCE(preemptible());
359
360         invalidate_user_asid(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid));
361
362         /* If current->mm == NULL then the read_cr3() "borrows" an mm */
363         native_write_cr3(__native_read_cr3());
364 }
365
366 /*
367  * flush everything
368  */
369 static inline void __native_flush_tlb_global(void)
370 {
371         unsigned long cr4, flags;
372
373         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID)) {
374                 /*
375                  * Using INVPCID is considerably faster than a pair of writes
376                  * to CR4 sandwiched inside an IRQ flag save/restore.
377                  *
378                  * Note, this works with CR4.PCIDE=0 or 1.
379                  */
380                 invpcid_flush_all();
381                 return;
382         }
383
384         /*
385          * Read-modify-write to CR4 - protect it from preemption and
386          * from interrupts. (Use the raw variant because this code can
387          * be called from deep inside debugging code.)
388          */
389         raw_local_irq_save(flags);
390
391         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
392         /* toggle PGE */
393         native_write_cr4(cr4 ^ X86_CR4_PGE);
394         /* write old PGE again and flush TLBs */
395         native_write_cr4(cr4);
396
397         raw_local_irq_restore(flags);
398 }
399
400 /*
401  * flush one page in the user mapping
402  */
403 static inline void __native_flush_tlb_single(unsigned long addr)
404 {
405         u32 loaded_mm_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
406
407         asm volatile("invlpg (%0)" ::"r" (addr) : "memory");
408
409         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
410                 return;
411
412         /*
413          * Some platforms #GP if we call invpcid(type=1/2) before CR4.PCIDE=1.
414          * Just use invalidate_user_asid() in case we are called early.
415          */
416         if (!this_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE))
417                 invalidate_user_asid(loaded_mm_asid);
418         else
419                 invpcid_flush_one(user_pcid(loaded_mm_asid), addr);
420 }
421
422 /*
423  * flush everything
424  */
425 static inline void __flush_tlb_all(void)
426 {
427         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
428                 __flush_tlb_global();
429         } else {
430                 /*
431                  * !PGE -> !PCID (setup_pcid()), thus every flush is total.
432                  */
433                 __flush_tlb();
434         }
435 }
436
437 /*
438  * flush one page in the kernel mapping
439  */
440 static inline void __flush_tlb_one(unsigned long addr)
441 {
442         count_vm_tlb_event(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ONE);
443         __flush_tlb_single(addr);
444
445         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
446                 return;
447
448         /*
449          * __flush_tlb_single() will have cleared the TLB entry for this ASID,
450          * but since kernel space is replicated across all, we must also
451          * invalidate all others.
452          */
453         invalidate_other_asid();
454 }
455
456 #define TLB_FLUSH_ALL   -1UL
457
458 /*
459  * TLB flushing:
460  *
461  *  - flush_tlb_all() flushes all processes TLBs
462  *  - flush_tlb_mm(mm) flushes the specified mm context TLB's
463  *  - flush_tlb_page(vma, vmaddr) flushes one page
464  *  - flush_tlb_range(vma, start, end) flushes a range of pages
465  *  - flush_tlb_kernel_range(start, end) flushes a range of kernel pages
466  *  - flush_tlb_others(cpumask, info) flushes TLBs on other cpus
467  *
468  * ..but the i386 has somewhat limited tlb flushing capabilities,
469  * and page-granular flushes are available only on i486 and up.
470  */
471 struct flush_tlb_info {
472         /*
473          * We support several kinds of flushes.
474          *
475          * - Fully flush a single mm.  .mm will be set, .end will be
476          *   TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen will be the tlb_gen to
477          *   which the IPI sender is trying to catch us up.
478          *
479          * - Partially flush a single mm.  .mm will be set, .start and
480          *   .end will indicate the range, and .new_tlb_gen will be set
481          *   such that the changes between generation .new_tlb_gen-1 and
482          *   .new_tlb_gen are entirely contained in the indicated range.
483          *
484          * - Fully flush all mms whose tlb_gens have been updated.  .mm
485          *   will be NULL, .end will be TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen
486          *   will be zero.
487          */
488         struct mm_struct        *mm;
489         unsigned long           start;
490         unsigned long           end;
491         u64                     new_tlb_gen;
492 };
493
494 #define local_flush_tlb() __flush_tlb()
495
496 #define flush_tlb_mm(mm)        flush_tlb_mm_range(mm, 0UL, TLB_FLUSH_ALL, 0UL)
497
498 #define flush_tlb_range(vma, start, end)        \
499                 flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, start, end, vma->vm_flags)
500
501 extern void flush_tlb_all(void);
502 extern void flush_tlb_mm_range(struct mm_struct *mm, unsigned long start,
503                                 unsigned long end, unsigned long vmflag);
504 extern void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end);
505
506 static inline void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long a)
507 {
508         flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, a, a + PAGE_SIZE, VM_NONE);
509 }
510
511 void native_flush_tlb_others(const struct cpumask *cpumask,
512                              const struct flush_tlb_info *info);
513
514 static inline u64 inc_mm_tlb_gen(struct mm_struct *mm)
515 {
516         /*
517          * Bump the generation count.  This also serves as a full barrier
518          * that synchronizes with switch_mm(): callers are required to order
519          * their read of mm_cpumask after their writes to the paging
520          * structures.
521          */
522         return atomic64_inc_return(&mm->context.tlb_gen);
523 }
524
525 static inline void arch_tlbbatch_add_mm(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch,
526                                         struct mm_struct *mm)
527 {
528         inc_mm_tlb_gen(mm);
529         cpumask_or(&batch->cpumask, &batch->cpumask, mm_cpumask(mm));
530 }
531
532 extern void arch_tlbbatch_flush(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch);
533
534 #ifndef CONFIG_PARAVIRT
535 #define flush_tlb_others(mask, info)    \
536         native_flush_tlb_others(mask, info)
537 #endif
538
539 #endif /* _ASM_X86_TLBFLUSH_H */