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/bootmem.h>      /* for max_low_pfn */
   7 #include <linux/swapfile.h>
   8 #include <linux/swapops.h>
   9
  10 #include <asm/set_memory.h>
  11 #include <asm/e820/api.h>
  12 #include <asm/init.h>
  13 #include <asm/page.h>
  14 #include <asm/page_types.h>
  15 #include <asm/sections.h>
  16 #include <asm/setup.h>
  17 #include <asm/tlbflush.h>
  18 #include <asm/tlb.h>
  19 #include <asm/proto.h>
  20 #include <asm/dma.h>            /* for MAX_DMA_PFN */
  21 #include <asm/microcode.h>
  22 #include <asm/kaslr.h>
  23 #include <asm/hypervisor.h>
  24 #include <asm/cpufeature.h>
  25 #include <asm/pti.h>
  26
  27 /*
  28  * We need to define the tracepoints somewhere, and tlb.c
  29  * is only compied when SMP=y.
  30  */
  31 #define CREATE_TRACE_POINTS
  32 #include <trace/events/tlb.h>
  33
  34 #include "mm_internal.h"
  35
  36 /*
  37  * Tables translating between page_cache_type_t and pte encoding.
  38  *
  39  * The default values are defined statically as minimal supported mode;
  40  * WC and WT fall back to UC-.  pat_init() updates these values to support
  41  * more cache modes, WC and WT, when it is safe to do so.  See pat_init()
  42  * for the details.  Note, __early_ioremap() used during early boot-time
  43  * takes pgprot_t (pte encoding) and does not use these tables.
  44  *
  45  *   Index into __cachemode2pte_tbl[] is the cachemode.
  46  *
  47  *   Index into __pte2cachemode_tbl[] are the caching attribute bits of the pte
  48  *   (_PAGE_PWT, _PAGE_PCD, _PAGE_PAT) at index bit positions 0, 1, 2.
  49  */
  50 uint16_t __cachemode2pte_tbl[_PAGE_CACHE_MODE_NUM] = {
  51         [_PAGE_CACHE_MODE_WB      ]     = 0         | 0        ,
  52         [_PAGE_CACHE_MODE_WC      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
  53         [_PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS]     = 0         | _PAGE_PCD,
  54         [_PAGE_CACHE_MODE_UC      ]     = _PAGE_PWT | _PAGE_PCD,
  55         [_PAGE_CACHE_MODE_WT      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
  56         [_PAGE_CACHE_MODE_WP      ]     = 0         | _PAGE_PCD,
  57 };
  58 EXPORT_SYMBOL(__cachemode2pte_tbl);
  59
  60 uint8_t __pte2cachemode_tbl[8] = {
  61         [__pte2cm_idx( 0        | 0         | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_WB,
  62         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | 0         | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
  63         [__pte2cm_idx( 0        | _PAGE_PCD | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
  64         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | 0        )] = _PAGE_CACHE_MODE_UC,
  65         [__pte2cm_idx( 0        | 0         | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_WB,
  66         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | 0         | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
  67         [__pte2cm_idx(0         | _PAGE_PCD | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS,
  68         [__pte2cm_idx(_PAGE_PWT | _PAGE_PCD | _PAGE_PAT)] = _PAGE_CACHE_MODE_UC,
  69 };
  70 EXPORT_SYMBOL(__pte2cachemode_tbl);
  71
  72 static unsigned long __initdata pgt_buf_start;
  73 static unsigned long __initdata pgt_buf_end;
  74 static unsigned long __initdata pgt_buf_top;
  75
  76 static unsigned long min_pfn_mapped;
  77
  78 static bool __initdata can_use_brk_pgt = true;
  79
  80 /*
  81  * Pages returned are already directly mapped.
  82  *
  83  * Changing that is likely to break Xen, see commit:
  84  *
  85  *    279b706 x86,xen: introduce x86_init.mapping.pagetable_reserve
  86  *
  87  * for detailed information.
  88  */
  89 __ref void *alloc_low_pages(unsigned int num)
  90 {
  91         unsigned long pfn;
  92         int i;
  93
  94         if (after_bootmem) {
  95                 unsigned int order;
  96
  97                 order = get_order((unsigned long)num << PAGE_SHIFT);
  98                 return (void *)__get_free_pages(GFP_ATOMIC | __GFP_ZERO, order);
  99         }
 100
 101         if ((pgt_buf_end + num) > pgt_buf_top || !can_use_brk_pgt) {
 102                 unsigned long ret;
 103                 if (min_pfn_mapped >= max_pfn_mapped)
 104                         panic("alloc_low_pages: ran out of memory");
 105                 ret = memblock_find_in_range(min_pfn_mapped << PAGE_SHIFT,
 106                                         max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT,
 107                                         PAGE_SIZE * num , PAGE_SIZE);
 108                 if (!ret)
 109                         panic("alloc_low_pages: can not alloc memory");
 110                 memblock_reserve(ret, PAGE_SIZE * num);
 111                 pfn = ret >> PAGE_SHIFT;
 112         } else {
 113                 pfn = pgt_buf_end;
 114                 pgt_buf_end += num;
 115                 printk(KERN_DEBUG "BRK [%#010lx, %#010lx] PGTABLE\n",
 116                         pfn << PAGE_SHIFT, (pgt_buf_end << PAGE_SHIFT) - 1);
 117         }
 118
 119         for (i = 0; i < num; i++) {
 120                 void *adr;
 121
 122                 adr = __va((pfn + i) << PAGE_SHIFT);
 123                 clear_page(adr);
 124         }
 125
 126         return __va(pfn << PAGE_SHIFT);
 127 }
 128
 129 /*
 130  * By default need 3 4k for initial PMD_SIZE,  3 4k for 0-ISA_END_ADDRESS.
 131  * With KASLR memory randomization, depending on the machine e820 memory
 132  * and the PUD alignment. We may need twice more pages when KASLR memory
 133  * randomization is enabled.
 134  */
 135 #ifndef CONFIG_RANDOMIZE_MEMORY
 136 #define INIT_PGD_PAGE_COUNT      6
 137 #else
 138 #define INIT_PGD_PAGE_COUNT      12
 139 #endif
 140 #define INIT_PGT_BUF_SIZE       (INIT_PGD_PAGE_COUNT * PAGE_SIZE)
 141 RESERVE_BRK(early_pgt_alloc, INIT_PGT_BUF_SIZE);
 142 void  __init early_alloc_pgt_buf(void)
 143 {
 144         unsigned long tables = INIT_PGT_BUF_SIZE;
 145         phys_addr_t base;
 146
 147         base = __pa(extend_brk(tables, PAGE_SIZE));
 148
 149         pgt_buf_start = base >> PAGE_SHIFT;
 150         pgt_buf_end = pgt_buf_start;
 151         pgt_buf_top = pgt_buf_start + (tables >> PAGE_SHIFT);
 152 }
 153
 154 int after_bootmem;
 155
 156 early_param_on_off("gbpages", "nogbpages", direct_gbpages, CONFIG_X86_DIRECT_GBPAGES);
 157
 158 struct map_range {
 159         unsigned long start;
 160         unsigned long end;
 161         unsigned page_size_mask;
 162 };
 163
 164 static int page_size_mask;
 165
 166 static void __init probe_page_size_mask(void)
 167 {
 168         /*
 169          * For pagealloc debugging, identity mapping will use small pages.
 170          * This will simplify cpa(), which otherwise needs to support splitting
 171          * large pages into small in interrupt context, etc.
 172          */
 173         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PSE) && !debug_pagealloc_enabled())
 174                 page_size_mask |= 1 << PG_LEVEL_2M;
 175         else
 176                 direct_gbpages = 0;
 177
 178         /* Enable PSE if available */
 179         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PSE))
 180                 cr4_set_bits_and_update_boot(X86_CR4_PSE);
 181
 182         /* Enable PGE if available */
 183         __supported_pte_mask &= ~_PAGE_GLOBAL;
 184         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
 185                 cr4_set_bits_and_update_boot(X86_CR4_PGE);
 186                 __supported_pte_mask |= _PAGE_GLOBAL;
 187         }
 188
 189         /* By the default is everything supported: */
 190         __default_kernel_pte_mask = __supported_pte_mask;
 191         /* Except when with PTI where the kernel is mostly non-Global: */
 192         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PTI))
 193                 __default_kernel_pte_mask &= ~_PAGE_GLOBAL;
 194
 195         /* Enable 1 GB linear kernel mappings if available: */
 196         if (direct_gbpages && boot_cpu_has(X86_FEATURE_GBPAGES)) {
 197                 printk(KERN_INFO "Using GB pages for direct mapping\n");
 198                 page_size_mask |= 1 << PG_LEVEL_1G;
 199         } else {
 200                 direct_gbpages = 0;
 201         }
 202 }
 203
 204 static void setup_pcid(void)
 205 {
 206         if (!IS_ENABLED(CONFIG_X86_64))
 207                 return;
 208
 209         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID))
 210                 return;
 211
 212         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
 213                 /*
 214                  * This can't be cr4_set_bits_and_update_boot() -- the
 215                  * trampoline code can't handle CR4.PCIDE and it wouldn't
 216                  * do any good anyway.  Despite the name,
 217                  * cr4_set_bits_and_update_boot() doesn't actually cause
 218                  * the bits in question to remain set all the way through
 219                  * the secondary boot asm.
 220                  *
 221                  * Instead, we brute-force it and set CR4.PCIDE manually in
 222                  * start_secondary().
 223                  */
 224                 cr4_set_bits(X86_CR4_PCIDE);
 225
 226                 /*
 227                  * INVPCID's single-context modes (2/3) only work if we set
 228                  * X86_CR4_PCIDE, *and* we INVPCID support.  It's unusable
 229                  * on systems that have X86_CR4_PCIDE clear, or that have
 230                  * no INVPCID support at all.
 231                  */
 232                 if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID))
 233                         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE);
 234         } else {
 235                 /*
 236                  * flush_tlb_all(), as currently implemented, won't work if
 237                  * PCID is on but PGE is not.  Since that combination
 238                  * doesn't exist on real hardware, there's no reason to try
 239                  * to fully support it, but it's polite to avoid corrupting
 240                  * data if we're on an improperly configured VM.
 241                  */
 242                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_PCID);
 243         }
 244 }
 245
 246 #ifdef CONFIG_X86_32
 247 #define NR_RANGE_MR 3
 248 #else /* CONFIG_X86_64 */
 249 #define NR_RANGE_MR 5
 250 #endif
 251
 252 static int __meminit save_mr(struct map_range *mr, int nr_range,
 253                              unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn,
 254                              unsigned long page_size_mask)
 255 {
 256         if (start_pfn < end_pfn) {
 257                 if (nr_range >= NR_RANGE_MR)
 258                         panic("run out of range for init_memory_mapping\n");
 259                 mr[nr_range].start = start_pfn<<PAGE_SHIFT;
 260                 mr[nr_range].end   = end_pfn<<PAGE_SHIFT;
 261                 mr[nr_range].page_size_mask = page_size_mask;
 262                 nr_range++;
 263         }
 264
 265         return nr_range;
 266 }
 267
 268 /*
 269  * adjust the page_size_mask for small range to go with
 270  *      big page size instead small one if nearby are ram too.
 271  */
 272 static void __ref adjust_range_page_size_mask(struct map_range *mr,
 273                                                          int nr_range)
 274 {
 275         int i;
 276
 277         for (i = 0; i < nr_range; i++) {
 278                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M)) &&
 279                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))) {
 280                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PMD_SIZE);
 281                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PMD_SIZE);
 282
 283 #ifdef CONFIG_X86_32
 284                         if ((end >> PAGE_SHIFT) > max_low_pfn)
 285                                 continue;
 286 #endif
 287
 288                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
 289                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_2M;
 290                 }
 291                 if ((page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G)) &&
 292                     !(mr[i].page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))) {
 293                         unsigned long start = round_down(mr[i].start, PUD_SIZE);
 294                         unsigned long end = round_up(mr[i].end, PUD_SIZE);
 295
 296                         if (memblock_is_region_memory(start, end - start))
 297                                 mr[i].page_size_mask |= 1<<PG_LEVEL_1G;
 298                 }
 299         }
 300 }
 301
 302 static const char *page_size_string(struct map_range *mr)
 303 {
 304         static const char str_1g[] = "1G";
 305         static const char str_2m[] = "2M";
 306         static const char str_4m[] = "4M";
 307         static const char str_4k[] = "4k";
 308
 309         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_1G))
 310                 return str_1g;
 311         /*
 312          * 32-bit without PAE has a 4M large page size.
 313          * PG_LEVEL_2M is misnamed, but we can at least
 314          * print out the right size in the string.
 315          */
 316         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_32) &&
 317             !IS_ENABLED(CONFIG_X86_PAE) &&
 318             mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
 319                 return str_4m;
 320
 321         if (mr->page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M))
 322                 return str_2m;
 323
 324         return str_4k;
 325 }
 326
 327 static int __meminit split_mem_range(struct map_range *mr, int nr_range,
 328                                      unsigned long start,
 329                                      unsigned long end)
 330 {
 331         unsigned long start_pfn, end_pfn, limit_pfn;
 332         unsigned long pfn;
 333         int i;
 334
 335         limit_pfn = PFN_DOWN(end);
 336
 337         /* head if not big page alignment ? */
 338         pfn = start_pfn = PFN_DOWN(start);
 339 #ifdef CONFIG_X86_32
 340         /*
 341          * Don't use a large page for the first 2/4MB of memory
 342          * because there are often fixed size MTRRs in there
 343          * and overlapping MTRRs into large pages can cause
 344          * slowdowns.
 345          */
 346         if (pfn == 0)
 347                 end_pfn = PFN_DOWN(PMD_SIZE);
 348         else
 349                 end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 350 #else /* CONFIG_X86_64 */
 351         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 352 #endif
 353         if (end_pfn > limit_pfn)
 354                 end_pfn = limit_pfn;
 355         if (start_pfn < end_pfn) {
 356                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
 357                 pfn = end_pfn;
 358         }
 359
 360         /* big page (2M) range */
 361         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 362 #ifdef CONFIG_X86_32
 363         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 364 #else /* CONFIG_X86_64 */
 365         end_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
 366         if (end_pfn > round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE)))
 367                 end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 368 #endif
 369
 370         if (start_pfn < end_pfn) {
 371                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
 372                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
 373                 pfn = end_pfn;
 374         }
 375
 376 #ifdef CONFIG_X86_64
 377         /* big page (1G) range */
 378         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
 379         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PUD_SIZE));
 380         if (start_pfn < end_pfn) {
 381                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
 382                                 page_size_mask &
 383                                  ((1<<PG_LEVEL_2M)|(1<<PG_LEVEL_1G)));
 384                 pfn = end_pfn;
 385         }
 386
 387         /* tail is not big page (1G) alignment */
 388         start_pfn = round_up(pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 389         end_pfn = round_down(limit_pfn, PFN_DOWN(PMD_SIZE));
 390         if (start_pfn < end_pfn) {
 391                 nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn,
 392                                 page_size_mask & (1<<PG_LEVEL_2M));
 393                 pfn = end_pfn;
 394         }
 395 #endif
 396
 397         /* tail is not big page (2M) alignment */
 398         start_pfn = pfn;
 399         end_pfn = limit_pfn;
 400         nr_range = save_mr(mr, nr_range, start_pfn, end_pfn, 0);
 401
 402         if (!after_bootmem)
 403                 adjust_range_page_size_mask(mr, nr_range);
 404
 405         /* try to merge same page size and continuous */
 406         for (i = 0; nr_range > 1 && i < nr_range - 1; i++) {
 407                 unsigned long old_start;
 408                 if (mr[i].end != mr[i+1].start ||
 409                     mr[i].page_size_mask != mr[i+1].page_size_mask)
 410                         continue;
 411                 /* move it */
 412                 old_start = mr[i].start;
 413                 memmove(&mr[i], &mr[i+1],
 414                         (nr_range - 1 - i) * sizeof(struct map_range));
 415                 mr[i--].start = old_start;
 416                 nr_range--;
 417         }
 418
 419         for (i = 0; i < nr_range; i++)
 420                 pr_debug(" [mem %#010lx-%#010lx] page %s\n",
 421                                 mr[i].start, mr[i].end - 1,
 422                                 page_size_string(&mr[i]));
 423
 424         return nr_range;
 425 }
 426
 427 struct range pfn_mapped[E820_MAX_ENTRIES];
 428 int nr_pfn_mapped;
 429
 430 static void add_pfn_range_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
 431 {
 432         nr_pfn_mapped = add_range_with_merge(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES,
 433                                              nr_pfn_mapped, start_pfn, end_pfn);
 434         nr_pfn_mapped = clean_sort_range(pfn_mapped, E820_MAX_ENTRIES);
 435
 436         max_pfn_mapped = max(max_pfn_mapped, end_pfn);
 437
 438         if (start_pfn < (1UL<<(32-PAGE_SHIFT)))
 439                 max_low_pfn_mapped = max(max_low_pfn_mapped,
 440                                          min(end_pfn, 1UL<<(32-PAGE_SHIFT)));
 441 }
 442
 443 bool pfn_range_is_mapped(unsigned long start_pfn, unsigned long end_pfn)
 444 {
 445         int i;
 446
 447         for (i = 0; i < nr_pfn_mapped; i++)
 448                 if ((start_pfn >= pfn_mapped[i].start) &&
 449                     (end_pfn <= pfn_mapped[i].end))
 450                         return true;
 451
 452         return false;
 453 }
 454
 455 /*
 456  * Setup the direct mapping of the physical memory at PAGE_OFFSET.
 457  * This runs before bootmem is initialized and gets pages directly from
 458  * the physical memory. To access them they are temporarily mapped.
 459  */
 460 unsigned long __ref init_memory_mapping(unsigned long start,
 461                                                unsigned long end)
 462 {
 463         struct map_range mr[NR_RANGE_MR];
 464         unsigned long ret = 0;
 465         int nr_range, i;
 466
 467         pr_debug("init_memory_mapping: [mem %#010lx-%#010lx]\n",
 468                start, end - 1);
 469
 470         memset(mr, 0, sizeof(mr));
 471         nr_range = split_mem_range(mr, 0, start, end);
 472
 473         for (i = 0; i < nr_range; i++)
 474                 ret = kernel_physical_mapping_init(mr[i].start, mr[i].end,
 475                                                    mr[i].page_size_mask);
 476
 477         add_pfn_range_mapped(start >> PAGE_SHIFT, ret >> PAGE_SHIFT);
 478
 479         return ret >> PAGE_SHIFT;
 480 }
 481
 482 /*
 483  * We need to iterate through the E820 memory map and create direct mappings
 484  * for only E820_TYPE_RAM and E820_KERN_RESERVED regions. We cannot simply
 485  * create direct mappings for all pfns from [0 to max_low_pfn) and
 486  * [4GB to max_pfn) because of possible memory holes in high addresses
 487  * that cannot be marked as UC by fixed/variable range MTRRs.
 488  * Depending on the alignment of E820 ranges, this may possibly result
 489  * in using smaller size (i.e. 4K instead of 2M or 1G) page tables.
 490  *
 491  * init_mem_mapping() calls init_range_memory_mapping() with big range.
 492  * That range would have hole in the middle or ends, and only ram parts
 493  * will be mapped in init_range_memory_mapping().
 494  */
 495 static unsigned long __init init_range_memory_mapping(
 496                                            unsigned long r_start,
 497                                            unsigned long r_end)
 498 {
 499         unsigned long start_pfn, end_pfn;
 500         unsigned long mapped_ram_size = 0;
 501         int i;
 502
 503         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
 504                 u64 start = clamp_val(PFN_PHYS(start_pfn), r_start, r_end);
 505                 u64 end = clamp_val(PFN_PHYS(end_pfn), r_start, r_end);
 506                 if (start >= end)
 507                         continue;
 508
 509                 /*
 510                  * if it is overlapping with brk pgt, we need to
 511                  * alloc pgt buf from memblock instead.
 512                  */
 513                 can_use_brk_pgt = max(start, (u64)pgt_buf_end<<PAGE_SHIFT) >=
 514                                     min(end, (u64)pgt_buf_top<<PAGE_SHIFT);
 515                 init_memory_mapping(start, end);
 516                 mapped_ram_size += end - start;
 517                 can_use_brk_pgt = true;
 518         }
 519
 520         return mapped_ram_size;
 521 }
 522
 523 static unsigned long __init get_new_step_size(unsigned long step_size)
 524 {
 525         /*
 526          * Initial mapped size is PMD_SIZE (2M).
 527          * We can not set step_size to be PUD_SIZE (1G) yet.
 528          * In worse case, when we cross the 1G boundary, and
 529          * PG_LEVEL_2M is not set, we will need 1+1+512 pages (2M + 8k)
 530          * to map 1G range with PTE. Hence we use one less than the
 531          * difference of page table level shifts.
 532          *
 533          * Don't need to worry about overflow in the top-down case, on 32bit,
 534          * when step_size is 0, round_down() returns 0 for start, and that
 535          * turns it into 0x100000000ULL.
 536          * In the bottom-up case, round_up(x, 0) returns 0 though too, which
 537          * needs to be taken into consideration by the code below.
 538          */
 539         return step_size << (PMD_SHIFT - PAGE_SHIFT - 1);
 540 }
 541
 542 /**
 543  * memory_map_top_down - Map [map_start, map_end) top down
 544  * @map_start: start address of the target memory range
 545  * @map_end: end address of the target memory range
 546  *
 547  * This function will setup direct mapping for memory range
 548  * [map_start, map_end) in top-down. That said, the page tables
 549  * will be allocated at the end of the memory, and we map the
 550  * memory in top-down.
 551  */
 552 static void __init memory_map_top_down(unsigned long map_start,
 553                                        unsigned long map_end)
 554 {
 555         unsigned long real_end, start, last_start;
 556         unsigned long step_size;
 557         unsigned long addr;
 558         unsigned long mapped_ram_size = 0;
 559
 560         /* xen has big range in reserved near end of ram, skip it at first.*/
 561         addr = memblock_find_in_range(map_start, map_end, PMD_SIZE, PMD_SIZE);
 562         real_end = addr + PMD_SIZE;
 563
 564         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
 565         step_size = PMD_SIZE;
 566         max_pfn_mapped = 0; /* will get exact value next */
 567         min_pfn_mapped = real_end >> PAGE_SHIFT;
 568         last_start = start = real_end;
 569
 570         /*
 571          * We start from the top (end of memory) and go to the bottom.
 572          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
 573          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
 574          * for page table.
 575          */
 576         while (last_start > map_start) {
 577                 if (last_start > step_size) {
 578                         start = round_down(last_start - 1, step_size);
 579                         if (start < map_start)
 580                                 start = map_start;
 581                 } else
 582                         start = map_start;
 583                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start,
 584                                                         last_start);
 585                 last_start = start;
 586                 min_pfn_mapped = last_start >> PAGE_SHIFT;
 587                 if (mapped_ram_size >= step_size)
 588                         step_size = get_new_step_size(step_size);
 589         }
 590
 591         if (real_end < map_end)
 592                 init_range_memory_mapping(real_end, map_end);
 593 }
 594
 595 /**
 596  * memory_map_bottom_up - Map [map_start, map_end) bottom up
 597  * @map_start: start address of the target memory range
 598  * @map_end: end address of the target memory range
 599  *
 600  * This function will setup direct mapping for memory range
 601  * [map_start, map_end) in bottom-up. Since we have limited the
 602  * bottom-up allocation above the kernel, the page tables will
 603  * be allocated just above the kernel and we map the memory
 604  * in [map_start, map_end) in bottom-up.
 605  */
 606 static void __init memory_map_bottom_up(unsigned long map_start,
 607                                         unsigned long map_end)
 608 {
 609         unsigned long next, start;
 610         unsigned long mapped_ram_size = 0;
 611         /* step_size need to be small so pgt_buf from BRK could cover it */
 612         unsigned long step_size = PMD_SIZE;
 613
 614         start = map_start;
 615         min_pfn_mapped = start >> PAGE_SHIFT;
 616
 617         /*
 618          * We start from the bottom (@map_start) and go to the top (@map_end).
 619          * The memblock_find_in_range() gets us a block of RAM from the
 620          * end of RAM in [min_pfn_mapped, max_pfn_mapped) used as new pages
 621          * for page table.
 622          */
 623         while (start < map_end) {
 624                 if (step_size && map_end - start > step_size) {
 625                         next = round_up(start + 1, step_size);
 626                         if (next > map_end)
 627                                 next = map_end;
 628                 } else {
 629                         next = map_end;
 630                 }
 631
 632                 mapped_ram_size += init_range_memory_mapping(start, next);
 633                 start = next;
 634
 635                 if (mapped_ram_size >= step_size)
 636                         step_size = get_new_step_size(step_size);
 637         }
 638 }
 639
 640 void __init init_mem_mapping(void)
 641 {
 642         unsigned long end;
 643
 644         pti_check_boottime_disable();
 645         probe_page_size_mask();
 646         setup_pcid();
 647
 648 #ifdef CONFIG_X86_64
 649         end = max_pfn << PAGE_SHIFT;
 650 #else
 651         end = max_low_pfn << PAGE_SHIFT;
 652 #endif
 653
 654         /* the ISA range is always mapped regardless of memory holes */
 655         init_memory_mapping(0, ISA_END_ADDRESS);
 656
 657         /* Init the trampoline, possibly with KASLR memory offset */
 658         init_trampoline();
 659
 660         /*
 661          * If the allocation is in bottom-up direction, we setup direct mapping
 662          * in bottom-up, otherwise we setup direct mapping in top-down.
 663          */
 664         if (memblock_bottom_up()) {
 665                 unsigned long kernel_end = __pa_symbol(_end);
 666
 667                 /*
 668                  * we need two separate calls here. This is because we want to
 669                  * allocate page tables above the kernel. So we first map
 670                  * [kernel_end, end) to make memory above the kernel be mapped
 671                  * as soon as possible. And then use page tables allocated above
 672                  * the kernel to map [ISA_END_ADDRESS, kernel_end).
 673                  */
 674                 memory_map_bottom_up(kernel_end, end);
 675                 memory_map_bottom_up(ISA_END_ADDRESS, kernel_end);
 676         } else {
 677                 memory_map_top_down(ISA_END_ADDRESS, end);
 678         }
 679
 680 #ifdef CONFIG_X86_64
 681         if (max_pfn > max_low_pfn) {
 682                 /* can we preseve max_low_pfn ?*/
 683                 max_low_pfn = max_pfn;
 684         }
 685 #else
 686         early_ioremap_page_table_range_init();
 687 #endif
 688
 689         load_cr3(swapper_pg_dir);
 690         __flush_tlb_all();
 691
 692         x86_init.hyper.init_mem_mapping();
 693
 694         early_memtest(0, max_pfn_mapped << PAGE_SHIFT);
 695 }
 696
 697 /*
 698  * devmem_is_allowed() checks to see if /dev/mem access to a certain address
 699  * is valid. The argument is a physical page number.
 700  *
 701  * On x86, access has to be given to the first megabyte of RAM because that
 702  * area traditionally contains BIOS code and data regions used by X, dosemu,
 703  * and similar apps. Since they map the entire memory range, the whole range
 704  * must be allowed (for mapping), but any areas that would otherwise be
 705  * disallowed are flagged as being "zero filled" instead of rejected.
 706  * Access has to be given to non-kernel-ram areas as well, these contain the
 707  * PCI mmio resources as well as potential bios/acpi data regions.
 708  */
 709 int devmem_is_allowed(unsigned long pagenr)
 710 {
 711         if (region_intersects(PFN_PHYS(pagenr), PAGE_SIZE,
 712                                 IORESOURCE_SYSTEM_RAM, IORES_DESC_NONE)
 713                         != REGION_DISJOINT) {
 714                 /*
 715                  * For disallowed memory regions in the low 1MB range,
 716                  * request that the page be shown as all zeros.
 717                  */
 718                 if (pagenr < 256)
 719                         return 2;
 720
 721                 return 0;
 722         }
 723
 724         /*
 725          * This must follow RAM test, since System RAM is considered a
 726          * restricted resource under CONFIG_STRICT_IOMEM.
 727          */
 728         if (iomem_is_exclusive(pagenr << PAGE_SHIFT)) {
 729                 /* Low 1MB bypasses iomem restrictions. */
 730                 if (pagenr < 256)
 731                         return 1;
 732
 733                 return 0;
 734         }
 735
 736         return 1;
 737 }
 738
 739 void free_init_pages(char *what, unsigned long begin, unsigned long end)
 740 {
 741         unsigned long begin_aligned, end_aligned;
 742
 743         /* Make sure boundaries are page aligned */
 744         begin_aligned = PAGE_ALIGN(begin);
 745         end_aligned   = end & PAGE_MASK;
 746
 747         if (WARN_ON(begin_aligned != begin || end_aligned != end)) {
 748                 begin = begin_aligned;
 749                 end   = end_aligned;
 750         }
 751
 752         if (begin >= end)
 753                 return;
 754
 755         /*
 756          * If debugging page accesses then do not free this memory but
 757          * mark them not present - any buggy init-section access will
 758          * create a kernel page fault:
 759          */
 760         if (debug_pagealloc_enabled()) {
 761                 pr_info("debug: unmapping init [mem %#010lx-%#010lx]\n",
 762                         begin, end - 1);
 763                 set_memory_np(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
 764         } else {
 765                 /*
 766                  * We just marked the kernel text read only above, now that
 767                  * we are going to free part of that, we need to make that
 768                  * writeable and non-executable first.
 769                  */
 770                 set_memory_nx(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
 771                 set_memory_rw(begin, (end - begin) >> PAGE_SHIFT);
 772
 773                 free_reserved_area((void *)begin, (void *)end,
 774                                    POISON_FREE_INITMEM, what);
 775         }
 776 }
 777
 778 /*
 779  * begin/end can be in the direct map or the "high kernel mapping"
 780  * used for the kernel image only.  free_init_pages() will do the
 781  * right thing for either kind of address.
 782  */
 783 void free_kernel_image_pages(void *begin, void *end)
 784 {
 785         unsigned long begin_ul = (unsigned long)begin;
 786         unsigned long end_ul = (unsigned long)end;
 787         unsigned long len_pages = (end_ul - begin_ul) >> PAGE_SHIFT;
 788
 789
 790         free_init_pages("unused kernel image", begin_ul, end_ul);
 791
 792         /*
 793          * PTI maps some of the kernel into userspace.  For performance,
 794          * this includes some kernel areas that do not contain secrets.
 795          * Those areas might be adjacent to the parts of the kernel image
 796          * being freed, which may contain secrets.  Remove the "high kernel
 797          * image mapping" for these freed areas, ensuring they are not even
 798          * potentially vulnerable to Meltdown regardless of the specific
 799          * optimizations PTI is currently using.
 800          *
 801          * The "noalias" prevents unmapping the direct map alias which is
 802          * needed to access the freed pages.
 803          *
 804          * This is only valid for 64bit kernels. 32bit has only one mapping
 805          * which can't be treated in this way for obvious reasons.
 806          */
 807         if (IS_ENABLED(CONFIG_X86_64) && cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PTI))
 808                 set_memory_np_noalias(begin_ul, len_pages);
 809 }
 810
 811 void __ref free_initmem(void)
 812 {
 813         e820__reallocate_tables();
 814
 815         free_kernel_image_pages(&__init_begin, &__init_end);
 816 }
 817
 818 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
 819 void __init free_initrd_mem(unsigned long start, unsigned long end)
 820 {
 821         /*
 822          * end could be not aligned, and We can not align that,
 823          * decompresser could be confused by aligned initrd_end
 824          * We already reserve the end partial page before in
 825          *   - i386_start_kernel()
 826          *   - x86_64_start_kernel()
 827          *   - relocate_initrd()
 828          * So here We can do PAGE_ALIGN() safely to get partial page to be freed
 829          */
 830         free_init_pages("initrd", start, PAGE_ALIGN(end));
 831 }
 832 #endif
 833
 834 /*
 835  * Calculate the precise size of the DMA zone (first 16 MB of RAM),
 836  * and pass it to the MM layer - to help it set zone watermarks more
 837  * accurately.
 838  *
 839  * Done on 64-bit systems only for the time being, although 32-bit systems
 840  * might benefit from this as well.
 841  */
 842 void __init memblock_find_dma_reserve(void)
 843 {
 844 #ifdef CONFIG_X86_64
 845         u64 nr_pages = 0, nr_free_pages = 0;
 846         unsigned long start_pfn, end_pfn;
 847         phys_addr_t start_addr, end_addr;
 848         int i;
 849         u64 u;
 850
 851         /*
 852          * Iterate over all memory ranges (free and reserved ones alike),
 853          * to calculate the total number of pages in the first 16 MB of RAM:
 854          */
 855         nr_pages = 0;
 856         for_each_mem_pfn_range(i, MAX_NUMNODES, &start_pfn, &end_pfn, NULL) {
 857                 start_pfn = min(start_pfn, MAX_DMA_PFN);
 858                 end_pfn   = min(end_pfn,   MAX_DMA_PFN);
 859
 860                 nr_pages += end_pfn - start_pfn;
 861         }
 862
 863         /*
 864          * Iterate over free memory ranges to calculate the number of free
 865          * pages in the DMA zone, while not counting potential partial
 866          * pages at the beginning or the end of the range:
 867          */
 868         nr_free_pages = 0;
 869         for_each_free_mem_range(u, NUMA_NO_NODE, MEMBLOCK_NONE, &start_addr, &end_addr, NULL) {
 870                 start_pfn = min_t(unsigned long, PFN_UP(start_addr), MAX_DMA_PFN);
 871                 end_pfn   = min_t(unsigned long, PFN_DOWN(end_addr), MAX_DMA_PFN);
 872
 873                 if (start_pfn < end_pfn)
 874                         nr_free_pages += end_pfn - start_pfn;
 875         }
 876
 877         set_dma_reserve(nr_pages - nr_free_pages);
 878 #endif
 879 }
 880
 881 void __init zone_sizes_init(void)
 882 {
 883         unsigned long max_zone_pfns[MAX_NR_ZONES];
 884
 885         memset(max_zone_pfns, 0, sizeof(max_zone_pfns));
 886
 887 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA
 888         max_zone_pfns[ZONE_DMA]         = min(MAX_DMA_PFN, max_low_pfn);
 889 #endif
 890 #ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
 891         max_zone_pfns[ZONE_DMA32]       = min(MAX_DMA32_PFN, max_low_pfn);
 892 #endif
 893         max_zone_pfns[ZONE_NORMAL]      = max_low_pfn;
 894 #ifdef CONFIG_HIGHMEM
 895         max_zone_pfns[ZONE_HIGHMEM]     = max_pfn;
 896 #endif
 897
 898         free_area_init_nodes(max_zone_pfns);
 899 }
 900
 901 __visible DEFINE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate) = {
 902         .loaded_mm = &init_mm,
 903         .next_asid = 1,
 904         .cr4 = ~0UL,    /* fail hard if we screw up cr4 shadow initialization */
 905 };
 906 EXPORT_PER_CPU_SYMBOL(cpu_tlbstate);
 907
 908 void update_cache_mode_entry(unsigned entry, enum page_cache_mode cache)
 909 {
 910         /* entry 0 MUST be WB (hardwired to speed up translations) */
 911         BUG_ON(!entry && cache != _PAGE_CACHE_MODE_WB);
 912
 913         __cachemode2pte_tbl[cache] = __cm_idx2pte(entry);
 914         __pte2cachemode_tbl[entry] = cache;
 915 }
 916
 917 #ifdef CONFIG_SWAP
 918 unsigned long max_swapfile_size(void)
 919 {
 920         unsigned long pages;
 921
 922         pages = generic_max_swapfile_size();
 923
 924         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_L1TF)) {
 925                 /* Limit the swap file size to MAX_PA/2 for L1TF workaround */
 926                 unsigned long l1tf_limit = l1tf_pfn_limit() + 1;
 927                 /*
 928                  * We encode swap offsets also with 3 bits below those for pfn
 929                  * which makes the usable limit higher.
 930                  */
 931 #if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
 932                 l1tf_limit <<= PAGE_SHIFT - SWP_OFFSET_FIRST_BIT;
 933 #endif
 934                 pages = min_t(unsigned long, l1tf_limit, pages);
 935         }
 936         return pages;
 937 }
 938 #endif