arch/s390/mm/pgalloc.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  *  Page table allocation functions
   4  *
   5  *    Copyright IBM Corp. 2016
   6  *    Author(s): Martin Schwidefsky <schwidefsky@de.ibm.com>
   7  */
   8
   9 #include <linux/sysctl.h>
  10 #include <linux/slab.h>
  11 #include <linux/mm.h>
  12 #include <asm/mmu_context.h>
  13 #include <asm/pgalloc.h>
  14 #include <asm/gmap.h>
  15 #include <asm/tlb.h>
  16 #include <asm/tlbflush.h>
  17
  18 #ifdef CONFIG_PGSTE
  19
  20 int page_table_allocate_pgste = 0;
  21 EXPORT_SYMBOL(page_table_allocate_pgste);
  22
  23 static struct ctl_table page_table_sysctl[] = {
  24         {
  25                 .procname       = "allocate_pgste",
  26                 .data           = &page_table_allocate_pgste,
  27                 .maxlen         = sizeof(int),
  28                 .mode           = S_IRUGO | S_IWUSR,
  29                 .proc_handler   = proc_dointvec_minmax,
  30                 .extra1         = SYSCTL_ZERO,
  31                 .extra2         = SYSCTL_ONE,
  32         },
  33         { }
  34 };
  35
  36 static struct ctl_table page_table_sysctl_dir[] = {
  37         {
  38                 .procname       = "vm",
  39                 .maxlen         = 0,
  40                 .mode           = 0555,
  41                 .child          = page_table_sysctl,
  42         },
  43         { }
  44 };
  45
  46 static int __init page_table_register_sysctl(void)
  47 {
  48         return register_sysctl_table(page_table_sysctl_dir) ? 0 : -ENOMEM;
  49 }
  50 __initcall(page_table_register_sysctl);
  51
  52 #endif /* CONFIG_PGSTE */
  53
  54 unsigned long *crst_table_alloc(struct mm_struct *mm)
  55 {
  56         struct page *page = alloc_pages(GFP_KERNEL, 2);
  57
  58         if (!page)
  59                 return NULL;
  60         arch_set_page_dat(page, 2);
  61         return (unsigned long *) page_to_phys(page);
  62 }
  63
  64 void crst_table_free(struct mm_struct *mm, unsigned long *table)
  65 {
  66         free_pages((unsigned long) table, 2);
  67 }
  68
  69 static void __crst_table_upgrade(void *arg)
  70 {
  71         struct mm_struct *mm = arg;
  72
  73         if (current->active_mm == mm)
  74                 set_user_asce(mm);
  75         __tlb_flush_local();
  76 }
  77
  78 int crst_table_upgrade(struct mm_struct *mm, unsigned long end)
  79 {
  80         unsigned long *pgd = NULL, *p4d = NULL, *__pgd;
  81         unsigned long asce_limit = mm->context.asce_limit;
  82
  83         /* upgrade should only happen from 3 to 4, 3 to 5, or 4 to 5 levels */
  84         VM_BUG_ON(asce_limit < _REGION2_SIZE);
  85
  86         if (end <= asce_limit)
  87                 return 0;
  88
  89         if (asce_limit == _REGION2_SIZE) {
  90                 p4d = crst_table_alloc(mm);
  91                 if (unlikely(!p4d))
  92                         goto err_p4d;
  93                 crst_table_init(p4d, _REGION2_ENTRY_EMPTY);
  94         }
  95         if (end > _REGION1_SIZE) {
  96                 pgd = crst_table_alloc(mm);
  97                 if (unlikely(!pgd))
  98                         goto err_pgd;
  99                 crst_table_init(pgd, _REGION1_ENTRY_EMPTY);
 100         }
 101
 102         spin_lock_bh(&mm->page_table_lock);
 103
 104         /*
 105          * This routine gets called with mmap_sem lock held and there is
 106          * no reason to optimize for the case of otherwise. However, if
 107          * that would ever change, the below check will let us know.
 108          */
 109         VM_BUG_ON(asce_limit != mm->context.asce_limit);
 110
 111         if (p4d) {
 112                 __pgd = (unsigned long *) mm->pgd;
 113                 p4d_populate(mm, (p4d_t *) p4d, (pud_t *) __pgd);
 114                 mm->pgd = (pgd_t *) p4d;
 115                 mm->context.asce_limit = _REGION1_SIZE;
 116                 mm->context.asce = __pa(mm->pgd) | _ASCE_TABLE_LENGTH |
 117                         _ASCE_USER_BITS | _ASCE_TYPE_REGION2;
 118                 mm_inc_nr_puds(mm);
 119         }
 120         if (pgd) {
 121                 __pgd = (unsigned long *) mm->pgd;
 122                 pgd_populate(mm, (pgd_t *) pgd, (p4d_t *) __pgd);
 123                 mm->pgd = (pgd_t *) pgd;
 124                 mm->context.asce_limit = -PAGE_SIZE;
 125                 mm->context.asce = __pa(mm->pgd) | _ASCE_TABLE_LENGTH |
 126                         _ASCE_USER_BITS | _ASCE_TYPE_REGION1;
 127         }
 128
 129         spin_unlock_bh(&mm->page_table_lock);
 130
 131         on_each_cpu(__crst_table_upgrade, mm, 0);
 132
 133         return 0;
 134
 135 err_pgd:
 136         crst_table_free(mm, p4d);
 137 err_p4d:
 138         return -ENOMEM;
 139 }
 140
 141 void crst_table_downgrade(struct mm_struct *mm)
 142 {
 143         pgd_t *pgd;
 144
 145         /* downgrade should only happen from 3 to 2 levels (compat only) */
 146         VM_BUG_ON(mm->context.asce_limit != _REGION2_SIZE);
 147
 148         if (current->active_mm == mm) {
 149                 clear_user_asce();
 150                 __tlb_flush_mm(mm);
 151         }
 152
 153         pgd = mm->pgd;
 154         mm_dec_nr_pmds(mm);
 155         mm->pgd = (pgd_t *) (pgd_val(*pgd) & _REGION_ENTRY_ORIGIN);
 156         mm->context.asce_limit = _REGION3_SIZE;
 157         mm->context.asce = __pa(mm->pgd) | _ASCE_TABLE_LENGTH |
 158                            _ASCE_USER_BITS | _ASCE_TYPE_SEGMENT;
 159         crst_table_free(mm, (unsigned long *) pgd);
 160
 161         if (current->active_mm == mm)
 162                 set_user_asce(mm);
 163 }
 164
 165 static inline unsigned int atomic_xor_bits(atomic_t *v, unsigned int bits)
 166 {
 167         unsigned int old, new;
 168
 169         do {
 170                 old = atomic_read(v);
 171                 new = old ^ bits;
 172         } while (atomic_cmpxchg(v, old, new) != old);
 173         return new;
 174 }
 175
 176 #ifdef CONFIG_PGSTE
 177
 178 struct page *page_table_alloc_pgste(struct mm_struct *mm)
 179 {
 180         struct page *page;
 181         u64 *table;
 182
 183         page = alloc_page(GFP_KERNEL);
 184         if (page) {
 185                 table = (u64 *)page_to_phys(page);
 186                 memset64(table, _PAGE_INVALID, PTRS_PER_PTE);
 187                 memset64(table + PTRS_PER_PTE, 0, PTRS_PER_PTE);
 188         }
 189         return page;
 190 }
 191
 192 void page_table_free_pgste(struct page *page)
 193 {
 194         __free_page(page);
 195 }
 196
 197 #endif /* CONFIG_PGSTE */
 198
 199 /*
 200  * page table entry allocation/free routines.
 201  */
 202 unsigned long *page_table_alloc(struct mm_struct *mm)
 203 {
 204         unsigned long *table;
 205         struct page *page;
 206         unsigned int mask, bit;
 207
 208         /* Try to get a fragment of a 4K page as a 2K page table */
 209         if (!mm_alloc_pgste(mm)) {
 210                 table = NULL;
 211                 spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 212                 if (!list_empty(&mm->context.pgtable_list)) {
 213                         page = list_first_entry(&mm->context.pgtable_list,
 214                                                 struct page, lru);
 215                         mask = atomic_read(&page->_refcount) >> 24;
 216                         mask = (mask | (mask >> 4)) & 3;
 217                         if (mask != 3) {
 218                                 table = (unsigned long *) page_to_phys(page);
 219                                 bit = mask & 1;         /* =1 -> second 2K */
 220                                 if (bit)
 221                                         table += PTRS_PER_PTE;
 222                                 atomic_xor_bits(&page->_refcount,
 223                                                         1U << (bit + 24));
 224                                 list_del(&page->lru);
 225                         }
 226                 }
 227                 spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 228                 if (table)
 229                         return table;
 230         }
 231         /* Allocate a fresh page */
 232         page = alloc_page(GFP_KERNEL);
 233         if (!page)
 234                 return NULL;
 235         if (!pgtable_pte_page_ctor(page)) {
 236                 __free_page(page);
 237                 return NULL;
 238         }
 239         arch_set_page_dat(page, 0);
 240         /* Initialize page table */
 241         table = (unsigned long *) page_to_phys(page);
 242         if (mm_alloc_pgste(mm)) {
 243                 /* Return 4K page table with PGSTEs */
 244                 atomic_xor_bits(&page->_refcount, 3 << 24);
 245                 memset64((u64 *)table, _PAGE_INVALID, PTRS_PER_PTE);
 246                 memset64((u64 *)table + PTRS_PER_PTE, 0, PTRS_PER_PTE);
 247         } else {
 248                 /* Return the first 2K fragment of the page */
 249                 atomic_xor_bits(&page->_refcount, 1 << 24);
 250                 memset64((u64 *)table, _PAGE_INVALID, 2 * PTRS_PER_PTE);
 251                 spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 252                 list_add(&page->lru, &mm->context.pgtable_list);
 253                 spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 254         }
 255         return table;
 256 }
 257
 258 void page_table_free(struct mm_struct *mm, unsigned long *table)
 259 {
 260         struct page *page;
 261         unsigned int bit, mask;
 262
 263         page = pfn_to_page(__pa(table) >> PAGE_SHIFT);
 264         if (!mm_alloc_pgste(mm)) {
 265                 /* Free 2K page table fragment of a 4K page */
 266                 bit = (__pa(table) & ~PAGE_MASK)/(PTRS_PER_PTE*sizeof(pte_t));
 267                 spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 268                 mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, 1U << (bit + 24));
 269                 mask >>= 24;
 270                 if (mask & 3)
 271                         list_add(&page->lru, &mm->context.pgtable_list);
 272                 else
 273                         list_del(&page->lru);
 274                 spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 275                 if (mask != 0)
 276                         return;
 277         } else {
 278                 atomic_xor_bits(&page->_refcount, 3U << 24);
 279         }
 280
 281         pgtable_pte_page_dtor(page);
 282         __free_page(page);
 283 }
 284
 285 void page_table_free_rcu(struct mmu_gather *tlb, unsigned long *table,
 286                          unsigned long vmaddr)
 287 {
 288         struct mm_struct *mm;
 289         struct page *page;
 290         unsigned int bit, mask;
 291
 292         mm = tlb->mm;
 293         page = pfn_to_page(__pa(table) >> PAGE_SHIFT);
 294         if (mm_alloc_pgste(mm)) {
 295                 gmap_unlink(mm, table, vmaddr);
 296                 table = (unsigned long *) (__pa(table) | 3);
 297                 tlb_remove_table(tlb, table);
 298                 return;
 299         }
 300         bit = (__pa(table) & ~PAGE_MASK) / (PTRS_PER_PTE*sizeof(pte_t));
 301         spin_lock_bh(&mm->context.lock);
 302         mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, 0x11U << (bit + 24));
 303         mask >>= 24;
 304         if (mask & 3)
 305                 list_add_tail(&page->lru, &mm->context.pgtable_list);
 306         else
 307                 list_del(&page->lru);
 308         spin_unlock_bh(&mm->context.lock);
 309         table = (unsigned long *) (__pa(table) | (1U << bit));
 310         tlb_remove_table(tlb, table);
 311 }
 312
 313 void __tlb_remove_table(void *_table)
 314 {
 315         unsigned int mask = (unsigned long) _table & 3;
 316         void *table = (void *)((unsigned long) _table ^ mask);
 317         struct page *page = pfn_to_page(__pa(table) >> PAGE_SHIFT);
 318
 319         switch (mask) {
 320         case 0:         /* pmd, pud, or p4d */
 321                 free_pages((unsigned long) table, 2);
 322                 break;
 323         case 1:         /* lower 2K of a 4K page table */
 324         case 2:         /* higher 2K of a 4K page table */
 325                 mask = atomic_xor_bits(&page->_refcount, mask << (4 + 24));
 326                 mask >>= 24;
 327                 if (mask != 0)
 328                         break;
 329                 /* fallthrough */
 330         case 3:         /* 4K page table with pgstes */
 331                 if (mask & 3)
 332                         atomic_xor_bits(&page->_refcount, 3 << 24);
 333                 pgtable_pte_page_dtor(page);
 334                 __free_page(page);
 335                 break;
 336         }
 337 }
 338
 339 /*
 340  * Base infrastructure required to generate basic asces, region, segment,
 341  * and page tables that do not make use of enhanced features like EDAT1.
 342  */
 343
 344 static struct kmem_cache *base_pgt_cache;
 345
 346 static unsigned long base_pgt_alloc(void)
 347 {
 348         u64 *table;
 349
 350         table = kmem_cache_alloc(base_pgt_cache, GFP_KERNEL);
 351         if (table)
 352                 memset64(table, _PAGE_INVALID, PTRS_PER_PTE);
 353         return (unsigned long) table;
 354 }
 355
 356 static void base_pgt_free(unsigned long table)
 357 {
 358         kmem_cache_free(base_pgt_cache, (void *) table);
 359 }
 360
 361 static unsigned long base_crst_alloc(unsigned long val)
 362 {
 363         unsigned long table;
 364
 365         table =  __get_free_pages(GFP_KERNEL, CRST_ALLOC_ORDER);
 366         if (table)
 367                 crst_table_init((unsigned long *)table, val);
 368         return table;
 369 }
 370
 371 static void base_crst_free(unsigned long table)
 372 {
 373         free_pages(table, CRST_ALLOC_ORDER);
 374 }
 375
 376 #define BASE_ADDR_END_FUNC(NAME, SIZE)                                  \
 377 static inline unsigned long base_##NAME##_addr_end(unsigned long addr,  \
 378                                                    unsigned long end)   \
 379 {                                                                       \
 380         unsigned long next = (addr + (SIZE)) & ~((SIZE) - 1);           \
 381                                                                         \
 382         return (next - 1) < (end - 1) ? next : end;                     \
 383 }
 384
 385 BASE_ADDR_END_FUNC(page,    _PAGE_SIZE)
 386 BASE_ADDR_END_FUNC(segment, _SEGMENT_SIZE)
 387 BASE_ADDR_END_FUNC(region3, _REGION3_SIZE)
 388 BASE_ADDR_END_FUNC(region2, _REGION2_SIZE)
 389 BASE_ADDR_END_FUNC(region1, _REGION1_SIZE)
 390
 391 static inline unsigned long base_lra(unsigned long address)
 392 {
 393         unsigned long real;
 394
 395         asm volatile(
 396                 "       lra     %0,0(%1)\n"
 397                 : "=d" (real) : "a" (address) : "cc");
 398         return real;
 399 }
 400
 401 static int base_page_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 402                           unsigned long end, int alloc)
 403 {
 404         unsigned long *pte, next;
 405
 406         if (!alloc)
 407                 return 0;
 408         pte = (unsigned long *) origin;
 409         pte += (addr & _PAGE_INDEX) >> _PAGE_SHIFT;
 410         do {
 411                 next = base_page_addr_end(addr, end);
 412                 *pte = base_lra(addr);
 413         } while (pte++, addr = next, addr < end);
 414         return 0;
 415 }
 416
 417 static int base_segment_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 418                              unsigned long end, int alloc)
 419 {
 420         unsigned long *ste, next, table;
 421         int rc;
 422
 423         ste = (unsigned long *) origin;
 424         ste += (addr & _SEGMENT_INDEX) >> _SEGMENT_SHIFT;
 425         do {
 426                 next = base_segment_addr_end(addr, end);
 427                 if (*ste & _SEGMENT_ENTRY_INVALID) {
 428                         if (!alloc)
 429                                 continue;
 430                         table = base_pgt_alloc();
 431                         if (!table)
 432                                 return -ENOMEM;
 433                         *ste = table | _SEGMENT_ENTRY;
 434                 }
 435                 table = *ste & _SEGMENT_ENTRY_ORIGIN;
 436                 rc = base_page_walk(table, addr, next, alloc);
 437                 if (rc)
 438                         return rc;
 439                 if (!alloc)
 440                         base_pgt_free(table);
 441                 cond_resched();
 442         } while (ste++, addr = next, addr < end);
 443         return 0;
 444 }
 445
 446 static int base_region3_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 447                              unsigned long end, int alloc)
 448 {
 449         unsigned long *rtte, next, table;
 450         int rc;
 451
 452         rtte = (unsigned long *) origin;
 453         rtte += (addr & _REGION3_INDEX) >> _REGION3_SHIFT;
 454         do {
 455                 next = base_region3_addr_end(addr, end);
 456                 if (*rtte & _REGION_ENTRY_INVALID) {
 457                         if (!alloc)
 458                                 continue;
 459                         table = base_crst_alloc(_SEGMENT_ENTRY_EMPTY);
 460                         if (!table)
 461                                 return -ENOMEM;
 462                         *rtte = table | _REGION3_ENTRY;
 463                 }
 464                 table = *rtte & _REGION_ENTRY_ORIGIN;
 465                 rc = base_segment_walk(table, addr, next, alloc);
 466                 if (rc)
 467                         return rc;
 468                 if (!alloc)
 469                         base_crst_free(table);
 470         } while (rtte++, addr = next, addr < end);
 471         return 0;
 472 }
 473
 474 static int base_region2_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 475                              unsigned long end, int alloc)
 476 {
 477         unsigned long *rste, next, table;
 478         int rc;
 479
 480         rste = (unsigned long *) origin;
 481         rste += (addr & _REGION2_INDEX) >> _REGION2_SHIFT;
 482         do {
 483                 next = base_region2_addr_end(addr, end);
 484                 if (*rste & _REGION_ENTRY_INVALID) {
 485                         if (!alloc)
 486                                 continue;
 487                         table = base_crst_alloc(_REGION3_ENTRY_EMPTY);
 488                         if (!table)
 489                                 return -ENOMEM;
 490                         *rste = table | _REGION2_ENTRY;
 491                 }
 492                 table = *rste & _REGION_ENTRY_ORIGIN;
 493                 rc = base_region3_walk(table, addr, next, alloc);
 494                 if (rc)
 495                         return rc;
 496                 if (!alloc)
 497                         base_crst_free(table);
 498         } while (rste++, addr = next, addr < end);
 499         return 0;
 500 }
 501
 502 static int base_region1_walk(unsigned long origin, unsigned long addr,
 503                              unsigned long end, int alloc)
 504 {
 505         unsigned long *rfte, next, table;
 506         int rc;
 507
 508         rfte = (unsigned long *) origin;
 509         rfte += (addr & _REGION1_INDEX) >> _REGION1_SHIFT;
 510         do {
 511                 next = base_region1_addr_end(addr, end);
 512                 if (*rfte & _REGION_ENTRY_INVALID) {
 513                         if (!alloc)
 514                                 continue;
 515                         table = base_crst_alloc(_REGION2_ENTRY_EMPTY);
 516                         if (!table)
 517                                 return -ENOMEM;
 518                         *rfte = table | _REGION1_ENTRY;
 519                 }
 520                 table = *rfte & _REGION_ENTRY_ORIGIN;
 521                 rc = base_region2_walk(table, addr, next, alloc);
 522                 if (rc)
 523                         return rc;
 524                 if (!alloc)
 525                         base_crst_free(table);
 526         } while (rfte++, addr = next, addr < end);
 527         return 0;
 528 }
 529
 530 /**
 531  * base_asce_free - free asce and tables returned from base_asce_alloc()
 532  * @asce: asce to be freed
 533  *
 534  * Frees all region, segment, and page tables that were allocated with a
 535  * corresponding base_asce_alloc() call.
 536  */
 537 void base_asce_free(unsigned long asce)
 538 {
 539         unsigned long table = asce & _ASCE_ORIGIN;
 540
 541         if (!asce)
 542                 return;
 543         switch (asce & _ASCE_TYPE_MASK) {
 544         case _ASCE_TYPE_SEGMENT:
 545                 base_segment_walk(table, 0, _REGION3_SIZE, 0);
 546                 break;
 547         case _ASCE_TYPE_REGION3:
 548                 base_region3_walk(table, 0, _REGION2_SIZE, 0);
 549                 break;
 550         case _ASCE_TYPE_REGION2:
 551                 base_region2_walk(table, 0, _REGION1_SIZE, 0);
 552                 break;
 553         case _ASCE_TYPE_REGION1:
 554                 base_region1_walk(table, 0, -_PAGE_SIZE, 0);
 555                 break;
 556         }
 557         base_crst_free(table);
 558 }
 559
 560 static int base_pgt_cache_init(void)
 561 {
 562         static DEFINE_MUTEX(base_pgt_cache_mutex);
 563         unsigned long sz = _PAGE_TABLE_SIZE;
 564
 565         if (base_pgt_cache)
 566                 return 0;
 567         mutex_lock(&base_pgt_cache_mutex);
 568         if (!base_pgt_cache)
 569                 base_pgt_cache = kmem_cache_create("base_pgt", sz, sz, 0, NULL);
 570         mutex_unlock(&base_pgt_cache_mutex);
 571         return base_pgt_cache ? 0 : -ENOMEM;
 572 }
 573
 574 /**
 575  * base_asce_alloc - create kernel mapping without enhanced DAT features
 576  * @addr: virtual start address of kernel mapping
 577  * @num_pages: number of consecutive pages
 578  *
 579  * Generate an asce, including all required region, segment and page tables,
 580  * that can be used to access the virtual kernel mapping. The difference is
 581  * that the returned asce does not make use of any enhanced DAT features like
 582  * e.g. large pages. This is required for some I/O functions that pass an
 583  * asce, like e.g. some service call requests.
 584  *
 585  * Note: the returned asce may NEVER be attached to any cpu. It may only be
 586  *       used for I/O requests. tlb entries that might result because the
 587  *       asce was attached to a cpu won't be cleared.
 588  */
 589 unsigned long base_asce_alloc(unsigned long addr, unsigned long num_pages)
 590 {
 591         unsigned long asce, table, end;
 592         int rc;
 593
 594         if (base_pgt_cache_init())
 595                 return 0;
 596         end = addr + num_pages * PAGE_SIZE;
 597         if (end <= _REGION3_SIZE) {
 598                 table = base_crst_alloc(_SEGMENT_ENTRY_EMPTY);
 599                 if (!table)
 600                         return 0;
 601                 rc = base_segment_walk(table, addr, end, 1);
 602                 asce = table | _ASCE_TYPE_SEGMENT | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 603         } else if (end <= _REGION2_SIZE) {
 604                 table = base_crst_alloc(_REGION3_ENTRY_EMPTY);
 605                 if (!table)
 606                         return 0;
 607                 rc = base_region3_walk(table, addr, end, 1);
 608                 asce = table | _ASCE_TYPE_REGION3 | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 609         } else if (end <= _REGION1_SIZE) {
 610                 table = base_crst_alloc(_REGION2_ENTRY_EMPTY);
 611                 if (!table)
 612                         return 0;
 613                 rc = base_region2_walk(table, addr, end, 1);
 614                 asce = table | _ASCE_TYPE_REGION2 | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 615         } else {
 616                 table = base_crst_alloc(_REGION1_ENTRY_EMPTY);
 617                 if (!table)
 618                         return 0;
 619                 rc = base_region1_walk(table, addr, end, 1);
 620                 asce = table | _ASCE_TYPE_REGION1 | _ASCE_TABLE_LENGTH;
 621         }
 622         if (rc) {
 623                 base_asce_free(asce);
 624                 asce = 0;
 625         }
 626         return asce;
 627 }