arch/x86/mm/pat.c

   1 /*
   2  * Handle caching attributes in page tables (PAT)
   3  *
   4  * Authors: Venkatesh Pallipadi <venkatesh.pallipadi@intel.com>
   5  *          Suresh B Siddha <suresh.b.siddha@intel.com>
   6  *
   7  * Loosely based on earlier PAT patchset from Eric Biederman and Andi Kleen.
   8  */
   9
  10 #include <linux/mm.h>
  11 #include <linux/kernel.h>
  12 #include <linux/gfp.h>
  13 #include <linux/fs.h>
  14 #include <linux/bootmem.h>
  15
  16 #include <asm/msr.h>
  17 #include <asm/tlbflush.h>
  18 #include <asm/processor.h>
  19 #include <asm/page.h>
  20 #include <asm/pgtable.h>
  21 #include <asm/pat.h>
  22 #include <asm/e820.h>
  23 #include <asm/cacheflush.h>
  24 #include <asm/fcntl.h>
  25 #include <asm/mtrr.h>
  26 #include <asm/io.h>
  27
  28 #ifdef CONFIG_X86_PAT
  29 int __read_mostly pat_wc_enabled = 1;
  30
  31 void __cpuinit pat_disable(char *reason)
  32 {
  33         pat_wc_enabled = 0;
  34         printk(KERN_INFO "%s\n", reason);
  35 }
  36
  37 static int nopat(char *str)
  38 {
  39         pat_disable("PAT support disabled.");
  40         return 0;
  41 }
  42 early_param("nopat", nopat);
  43 #endif
  44
  45
  46 static int debug_enable;
  47 static int __init pat_debug_setup(char *str)
  48 {
  49         debug_enable = 1;
  50         return 0;
  51 }
  52 __setup("debugpat", pat_debug_setup);
  53
  54 #define dprintk(fmt, arg...) \
  55         do { if (debug_enable) printk(KERN_INFO fmt, ##arg); } while (0)
  56
  57
  58 static u64 __read_mostly boot_pat_state;
  59
  60 enum {
  61         PAT_UC = 0,             /* uncached */
  62         PAT_WC = 1,             /* Write combining */
  63         PAT_WT = 4,             /* Write Through */
  64         PAT_WP = 5,             /* Write Protected */
  65         PAT_WB = 6,             /* Write Back (default) */
  66         PAT_UC_MINUS = 7,       /* UC, but can be overriden by MTRR */
  67 };
  68
  69 #define PAT(x,y)        ((u64)PAT_ ## y << ((x)*8))
  70
  71 void pat_init(void)
  72 {
  73         u64 pat;
  74
  75         if (!pat_wc_enabled)
  76                 return;
  77
  78         /* Paranoia check. */
  79         if (!cpu_has_pat) {
  80                 printk(KERN_ERR "PAT enabled, but CPU feature cleared\n");
  81                 /*
  82                  * Panic if this happens on the secondary CPU, and we
  83                  * switched to PAT on the boot CPU. We have no way to
  84                  * undo PAT.
  85                 */
  86                 BUG_ON(boot_pat_state);
  87         }
  88
  89         /* Set PWT to Write-Combining. All other bits stay the same */
  90         /*
  91          * PTE encoding used in Linux:
  92          *      PAT
  93          *      |PCD
  94          *      ||PWT
  95          *      |||
  96          *      000 WB          _PAGE_CACHE_WB
  97          *      001 WC          _PAGE_CACHE_WC
  98          *      010 UC-         _PAGE_CACHE_UC_MINUS
  99          *      011 UC          _PAGE_CACHE_UC
 100          * PAT bit unused
 101          */
 102         pat = PAT(0,WB) | PAT(1,WC) | PAT(2,UC_MINUS) | PAT(3,UC) |
 103               PAT(4,WB) | PAT(5,WC) | PAT(6,UC_MINUS) | PAT(7,UC);
 104
 105         /* Boot CPU check */
 106         if (!boot_pat_state)
 107                 rdmsrl(MSR_IA32_CR_PAT, boot_pat_state);
 108
 109         wrmsrl(MSR_IA32_CR_PAT, pat);
 110         printk(KERN_INFO "x86 PAT enabled: cpu %d, old 0x%Lx, new 0x%Lx\n",
 111                smp_processor_id(), boot_pat_state, pat);
 112 }
 113
 114 #undef PAT
 115
 116 static char *cattr_name(unsigned long flags)
 117 {
 118         switch (flags & _PAGE_CACHE_MASK) {
 119                 case _PAGE_CACHE_UC:            return "uncached";
 120                 case _PAGE_CACHE_UC_MINUS:      return "uncached-minus";
 121                 case _PAGE_CACHE_WB:            return "write-back";
 122                 case _PAGE_CACHE_WC:            return "write-combining";
 123                 default:                        return "broken";
 124         }
 125 }
 126
 127 /*
 128  * The global memtype list keeps track of memory type for specific
 129  * physical memory areas. Conflicting memory types in different
 130  * mappings can cause CPU cache corruption. To avoid this we keep track.
 131  *
 132  * The list is sorted based on starting address and can contain multiple
 133  * entries for each address (this allows reference counting for overlapping
 134  * areas). All the aliases have the same cache attributes of course.
 135  * Zero attributes are represented as holes.
 136  *
 137  * Currently the data structure is a list because the number of mappings
 138  * are expected to be relatively small. If this should be a problem
 139  * it could be changed to a rbtree or similar.
 140  *
 141  * memtype_lock protects the whole list.
 142  */
 143
 144 struct memtype {
 145         u64 start;
 146         u64 end;
 147         unsigned long type;
 148         struct list_head nd;
 149 };
 150
 151 static LIST_HEAD(memtype_list);
 152 static DEFINE_SPINLOCK(memtype_lock);   /* protects memtype list */
 153
 154 /*
 155  * Does intersection of PAT memory type and MTRR memory type and returns
 156  * the resulting memory type as PAT understands it.
 157  * (Type in pat and mtrr will not have same value)
 158  * The intersection is based on "Effective Memory Type" tables in IA-32
 159  * SDM vol 3a
 160  */
 161 static int pat_x_mtrr_type(u64 start, u64 end, unsigned long prot,
 162                                 unsigned long *ret_prot)
 163 {
 164         unsigned long pat_type;
 165         u8 mtrr_type;
 166
 167         mtrr_type = mtrr_type_lookup(start, end);
 168         if (mtrr_type == 0xFF) {                /* MTRR not enabled */
 169                 *ret_prot = prot;
 170                 return 0;
 171         }
 172         if (mtrr_type == 0xFE) {                /* MTRR match error */
 173                 *ret_prot = _PAGE_CACHE_UC;
 174                 return -1;
 175         }
 176         if (mtrr_type != MTRR_TYPE_UNCACHABLE &&
 177             mtrr_type != MTRR_TYPE_WRBACK &&
 178             mtrr_type != MTRR_TYPE_WRCOMB) {    /* MTRR type unhandled */
 179                 *ret_prot = _PAGE_CACHE_UC;
 180                 return -1;
 181         }
 182
 183         pat_type = prot & _PAGE_CACHE_MASK;
 184         prot &= (~_PAGE_CACHE_MASK);
 185
 186         /* Currently doing intersection by hand. Optimize it later. */
 187         if (pat_type == _PAGE_CACHE_WC) {
 188                 *ret_prot = prot | _PAGE_CACHE_WC;
 189         } else if (pat_type == _PAGE_CACHE_UC_MINUS) {
 190                 *ret_prot = prot | _PAGE_CACHE_UC_MINUS;
 191         } else if (pat_type == _PAGE_CACHE_UC ||
 192                    mtrr_type == MTRR_TYPE_UNCACHABLE) {
 193                 *ret_prot = prot | _PAGE_CACHE_UC;
 194         } else if (mtrr_type == MTRR_TYPE_WRCOMB) {
 195                 *ret_prot = prot | _PAGE_CACHE_WC;
 196         } else {
 197                 *ret_prot = prot | _PAGE_CACHE_WB;
 198         }
 199
 200         return 0;
 201 }
 202
 203 /*
 204  * req_type typically has one of the:
 205  * - _PAGE_CACHE_WB
 206  * - _PAGE_CACHE_WC
 207  * - _PAGE_CACHE_UC_MINUS
 208  * - _PAGE_CACHE_UC
 209  *
 210  * req_type will have a special case value '-1', when requester want to inherit
 211  * the memory type from mtrr (if WB), existing PAT, defaulting to UC_MINUS.
 212  *
 213  * If ret_type is NULL, function will return an error if it cannot reserve the
 214  * region with req_type. If ret_type is non-null, function will return
 215  * available type in ret_type in case of no error. In case of any error
 216  * it will return a negative return value.
 217  */
 218 int reserve_memtype(u64 start, u64 end, unsigned long req_type,
 219                         unsigned long *ret_type)
 220 {
 221         struct memtype *new_entry = NULL;
 222         struct memtype *parse;
 223         unsigned long actual_type;
 224         int err = 0;
 225
 226         /* Only track when pat_wc_enabled */
 227         if (!pat_wc_enabled) {
 228                 /* This is identical to page table setting without PAT */
 229                 if (ret_type) {
 230                         if (req_type == -1) {
 231                                 *ret_type = _PAGE_CACHE_WB;
 232                         } else {
 233                                 *ret_type = req_type;
 234                         }
 235                 }
 236                 return 0;
 237         }
 238
 239         /* Low ISA region is always mapped WB in page table. No need to track */
 240         if (start >= ISA_START_ADDRESS && (end - 1) <= ISA_END_ADDRESS) {
 241                 if (ret_type)
 242                         *ret_type = _PAGE_CACHE_WB;
 243
 244                 return 0;
 245         }
 246
 247         if (req_type == -1) {
 248                 /*
 249                  * Special case where caller wants to inherit from mtrr or
 250                  * existing pat mapping, defaulting to UC_MINUS in case of
 251                  * no match.
 252                  */
 253                 u8 mtrr_type = mtrr_type_lookup(start, end);
 254                 if (mtrr_type == 0xFE) { /* MTRR match error */
 255                         err = -1;
 256                 }
 257
 258                 if (mtrr_type == MTRR_TYPE_WRBACK) {
 259                         req_type = _PAGE_CACHE_WB;
 260                         actual_type = _PAGE_CACHE_WB;
 261                 } else {
 262                         req_type = _PAGE_CACHE_UC_MINUS;
 263                         actual_type = _PAGE_CACHE_UC_MINUS;
 264                 }
 265         } else {
 266                 req_type &= _PAGE_CACHE_MASK;
 267                 err = pat_x_mtrr_type(start, end, req_type, &actual_type);
 268         }
 269
 270         if (err) {
 271                 if (ret_type)
 272                         *ret_type = actual_type;
 273
 274                 return -EINVAL;
 275         }
 276
 277         new_entry  = kmalloc(sizeof(struct memtype), GFP_KERNEL);
 278         if (!new_entry)
 279                 return -ENOMEM;
 280
 281         new_entry->start = start;
 282         new_entry->end = end;
 283         new_entry->type = actual_type;
 284
 285         if (ret_type)
 286                 *ret_type = actual_type;
 287
 288         spin_lock(&memtype_lock);
 289
 290         /* Search for existing mapping that overlaps the current range */
 291         list_for_each_entry(parse, &memtype_list, nd) {
 292                 struct memtype *saved_ptr;
 293
 294                 if (parse->start >= end) {
 295                         dprintk("New Entry\n");
 296                         list_add(&new_entry->nd, parse->nd.prev);
 297                         new_entry = NULL;
 298                         break;
 299                 }
 300
 301                 if (start <= parse->start && end >= parse->start) {
 302                         if (actual_type != parse->type && ret_type) {
 303                                 actual_type = parse->type;
 304                                 *ret_type = actual_type;
 305                                 new_entry->type = actual_type;
 306                         }
 307
 308                         if (actual_type != parse->type) {
 309                                 printk(
 310                 KERN_INFO "%s:%d conflicting memory types %Lx-%Lx %s<->%s\n",
 311                                         current->comm, current->pid,
 312                                         start, end,
 313                                         cattr_name(actual_type),
 314                                         cattr_name(parse->type));
 315                                 err = -EBUSY;
 316                                 break;
 317                         }
 318
 319                         saved_ptr = parse;
 320                         /*
 321                          * Check to see whether the request overlaps more
 322                          * than one entry in the list
 323                          */
 324                         list_for_each_entry_continue(parse, &memtype_list, nd) {
 325                                 if (end <= parse->start) {
 326                                         break;
 327                                 }
 328
 329                                 if (actual_type != parse->type) {
 330                                         printk(
 331                 KERN_INFO "%s:%d conflicting memory types %Lx-%Lx %s<->%s\n",
 332                                                 current->comm, current->pid,
 333                                                 start, end,
 334                                                 cattr_name(actual_type),
 335                                                 cattr_name(parse->type));
 336                                         err = -EBUSY;
 337                                         break;
 338                                 }
 339                         }
 340
 341                         if (err) {
 342                                 break;
 343                         }
 344
 345                         dprintk("Overlap at 0x%Lx-0x%Lx\n",
 346                                saved_ptr->start, saved_ptr->end);
 347                         /* No conflict. Go ahead and add this new entry */
 348                         list_add(&new_entry->nd, saved_ptr->nd.prev);
 349                         new_entry = NULL;
 350                         break;
 351                 }
 352
 353                 if (start < parse->end) {
 354                         if (actual_type != parse->type && ret_type) {
 355                                 actual_type = parse->type;
 356                                 *ret_type = actual_type;
 357                                 new_entry->type = actual_type;
 358                         }
 359
 360                         if (actual_type != parse->type) {
 361                                 printk(
 362                 KERN_INFO "%s:%d conflicting memory types %Lx-%Lx %s<->%s\n",
 363                                         current->comm, current->pid,
 364                                         start, end,
 365                                         cattr_name(actual_type),
 366                                         cattr_name(parse->type));
 367                                 err = -EBUSY;
 368                                 break;
 369                         }
 370
 371                         saved_ptr = parse;
 372                         /*
 373                          * Check to see whether the request overlaps more
 374                          * than one entry in the list
 375                          */
 376                         list_for_each_entry_continue(parse, &memtype_list, nd) {
 377                                 if (end <= parse->start) {
 378                                         break;
 379                                 }
 380
 381                                 if (actual_type != parse->type) {
 382                                         printk(
 383                 KERN_INFO "%s:%d conflicting memory types %Lx-%Lx %s<->%s\n",
 384                                                 current->comm, current->pid,
 385                                                 start, end,
 386                                                 cattr_name(actual_type),
 387                                                 cattr_name(parse->type));
 388                                         err = -EBUSY;
 389                                         break;
 390                                 }
 391                         }
 392
 393                         if (err) {
 394                                 break;
 395                         }
 396
 397                         dprintk("Overlap at 0x%Lx-0x%Lx\n",
 398                                  saved_ptr->start, saved_ptr->end);
 399                         /* No conflict. Go ahead and add this new entry */
 400                         list_add(&new_entry->nd, &saved_ptr->nd);
 401                         new_entry = NULL;
 402                         break;
 403                 }
 404         }
 405
 406         if (err) {
 407                 printk(KERN_INFO
 408         "reserve_memtype failed 0x%Lx-0x%Lx, track %s, req %s\n",
 409                         start, end, cattr_name(new_entry->type),
 410                         cattr_name(req_type));
 411                 kfree(new_entry);
 412                 spin_unlock(&memtype_lock);
 413                 return err;
 414         }
 415
 416         if (new_entry) {
 417                 /* No conflict. Not yet added to the list. Add to the tail */
 418                 list_add_tail(&new_entry->nd, &memtype_list);
 419                 dprintk("New Entry\n");
 420         }
 421
 422         if (ret_type) {
 423                 dprintk(
 424         "reserve_memtype added 0x%Lx-0x%Lx, track %s, req %s, ret %s\n",
 425                         start, end, cattr_name(actual_type),
 426                         cattr_name(req_type), cattr_name(*ret_type));
 427         } else {
 428                 dprintk(
 429         "reserve_memtype added 0x%Lx-0x%Lx, track %s, req %s\n",
 430                         start, end, cattr_name(actual_type),
 431                         cattr_name(req_type));
 432         }
 433
 434         spin_unlock(&memtype_lock);
 435         return err;
 436 }
 437
 438 int free_memtype(u64 start, u64 end)
 439 {
 440         struct memtype *ml;
 441         int err = -EINVAL;
 442
 443         /* Only track when pat_wc_enabled */
 444         if (!pat_wc_enabled) {
 445                 return 0;
 446         }
 447
 448         /* Low ISA region is always mapped WB. No need to track */
 449         if (start >= ISA_START_ADDRESS && end <= ISA_END_ADDRESS) {
 450                 return 0;
 451         }
 452
 453         spin_lock(&memtype_lock);
 454         list_for_each_entry(ml, &memtype_list, nd) {
 455                 if (ml->start == start && ml->end == end) {
 456                         list_del(&ml->nd);
 457                         kfree(ml);
 458                         err = 0;
 459                         break;
 460                 }
 461         }
 462         spin_unlock(&memtype_lock);
 463
 464         if (err) {
 465                 printk(KERN_INFO "%s:%d freeing invalid memtype %Lx-%Lx\n",
 466                         current->comm, current->pid, start, end);
 467         }
 468
 469         dprintk("free_memtype request 0x%Lx-0x%Lx\n", start, end);
 470         return err;
 471 }
 472
 473
 474 /*
 475  * /dev/mem mmap interface. The memtype used for mapping varies:
 476  * - Use UC for mappings with O_SYNC flag
 477  * - Without O_SYNC flag, if there is any conflict in reserve_memtype,
 478  *   inherit the memtype from existing mapping.
 479  * - Else use UC_MINUS memtype (for backward compatibility with existing
 480  *   X drivers.
 481  */
 482 pgprot_t phys_mem_access_prot(struct file *file, unsigned long pfn,
 483                                 unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
 484 {
 485         return vma_prot;
 486 }
 487
 488 #ifdef CONFIG_NONPROMISC_DEVMEM
 489 /* This check is done in drivers/char/mem.c in case of NONPROMISC_DEVMEM*/
 490 static inline int range_is_allowed(unsigned long pfn, unsigned long size)
 491 {
 492         return 1;
 493 }
 494 #else
 495 static inline int range_is_allowed(unsigned long pfn, unsigned long size)
 496 {
 497         u64 from = ((u64)pfn) << PAGE_SHIFT;
 498         u64 to = from + size;
 499         u64 cursor = from;
 500
 501         while (cursor < to) {
 502                 if (!devmem_is_allowed(pfn)) {
 503                         printk(KERN_INFO
 504                 "Program %s tried to access /dev/mem between %Lx->%Lx.\n",
 505                                 current->comm, from, to);
 506                         return 0;
 507                 }
 508                 cursor += PAGE_SIZE;
 509                 pfn++;
 510         }
 511         return 1;
 512 }
 513 #endif /* CONFIG_NONPROMISC_DEVMEM */
 514
 515 int phys_mem_access_prot_allowed(struct file *file, unsigned long pfn,
 516                                 unsigned long size, pgprot_t *vma_prot)
 517 {
 518         u64 offset = ((u64) pfn) << PAGE_SHIFT;
 519         unsigned long flags = _PAGE_CACHE_UC_MINUS;
 520         int retval;
 521
 522         if (!range_is_allowed(pfn, size))
 523                 return 0;
 524
 525         if (file->f_flags & O_SYNC) {
 526                 flags = _PAGE_CACHE_UC;
 527         }
 528
 529 #ifdef CONFIG_X86_32
 530         /*
 531          * On the PPro and successors, the MTRRs are used to set
 532          * memory types for physical addresses outside main memory,
 533          * so blindly setting UC or PWT on those pages is wrong.
 534          * For Pentiums and earlier, the surround logic should disable
 535          * caching for the high addresses through the KEN pin, but
 536          * we maintain the tradition of paranoia in this code.
 537          */
 538         if (!pat_wc_enabled &&
 539             ! ( test_bit(X86_FEATURE_MTRR, boot_cpu_data.x86_capability) ||
 540                 test_bit(X86_FEATURE_K6_MTRR, boot_cpu_data.x86_capability) ||
 541                 test_bit(X86_FEATURE_CYRIX_ARR, boot_cpu_data.x86_capability) ||
 542                 test_bit(X86_FEATURE_CENTAUR_MCR, boot_cpu_data.x86_capability)) &&
 543            (pfn << PAGE_SHIFT) >= __pa(high_memory)) {
 544                 flags = _PAGE_CACHE_UC;
 545         }
 546 #endif
 547
 548         /*
 549          * With O_SYNC, we can only take UC mapping. Fail if we cannot.
 550          * Without O_SYNC, we want to get
 551          * - WB for WB-able memory and no other conflicting mappings
 552          * - UC_MINUS for non-WB-able memory with no other conflicting mappings
 553          * - Inherit from confliting mappings otherwise
 554          */
 555         if (flags != _PAGE_CACHE_UC_MINUS) {
 556                 retval = reserve_memtype(offset, offset + size, flags, NULL);
 557         } else {
 558                 retval = reserve_memtype(offset, offset + size, -1, &flags);
 559         }
 560
 561         if (retval < 0)
 562                 return 0;
 563
 564         if (pfn <= max_pfn_mapped &&
 565             ioremap_change_attr((unsigned long)__va(offset), size, flags) < 0) {
 566                 free_memtype(offset, offset + size);
 567                 printk(KERN_INFO
 568                 "%s:%d /dev/mem ioremap_change_attr failed %s for %Lx-%Lx\n",
 569                         current->comm, current->pid,
 570                         cattr_name(flags),
 571                         offset, (unsigned long long)(offset + size));
 572                 return 0;
 573         }
 574
 575         *vma_prot = __pgprot((pgprot_val(*vma_prot) & ~_PAGE_CACHE_MASK) |
 576                              flags);
 577         return 1;
 578 }
 579
 580 void map_devmem(unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
 581 {
 582         u64 addr = (u64)pfn << PAGE_SHIFT;
 583         unsigned long flags;
 584         unsigned long want_flags = (pgprot_val(vma_prot) & _PAGE_CACHE_MASK);
 585
 586         reserve_memtype(addr, addr + size, want_flags, &flags);
 587         if (flags != want_flags) {
 588                 printk(KERN_INFO
 589                 "%s:%d /dev/mem expected mapping type %s for %Lx-%Lx, got %s\n",
 590                         current->comm, current->pid,
 591                         cattr_name(want_flags),
 592                         addr, (unsigned long long)(addr + size),
 593                         cattr_name(flags));
 594         }
 595 }
 596
 597 void unmap_devmem(unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
 598 {
 599         u64 addr = (u64)pfn << PAGE_SHIFT;
 600
 601         free_memtype(addr, addr + size);
 602 }
 603