arch/powerpc/mm/nohash/mmu_context.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
   2 /*
   3  * This file contains the routines for handling the MMU on those
   4  * PowerPC implementations where the MMU is not using the hash
   5  * table, such as 8xx, 4xx, BookE's etc...
   6  *
   7  * Copyright 2008 Ben Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
   8  *                IBM Corp.
   9  *
  10  *  Derived from previous arch/powerpc/mm/mmu_context.c
  11  *  and arch/powerpc/include/asm/mmu_context.h
  12  *
  13  * TODO:
  14  *
  15  *   - The global context lock will not scale very well
  16  *   - The maps should be dynamically allocated to allow for processors
  17  *     that support more PID bits at runtime
  18  *   - Implement flush_tlb_mm() by making the context stale and picking
  19  *     a new one
  20  *   - More aggressively clear stale map bits and maybe find some way to
  21  *     also clear mm->cpu_vm_mask bits when processes are migrated
  22  */
  23
  24 //#define DEBUG_CLAMP_LAST_CONTEXT   31
  25 //#define DEBUG_HARDER
  26
  27 /* We don't use DEBUG because it tends to be compiled in always nowadays
  28  * and this would generate way too much output
  29  */
  30 #ifdef DEBUG_HARDER
  31 #define pr_hard(args...)        printk(KERN_DEBUG args)
  32 #define pr_hardcont(args...)    printk(KERN_CONT args)
  33 #else
  34 #define pr_hard(args...)        do { } while(0)
  35 #define pr_hardcont(args...)    do { } while(0)
  36 #endif
  37
  38 #include <linux/kernel.h>
  39 #include <linux/mm.h>
  40 #include <linux/init.h>
  41 #include <linux/spinlock.h>
  42 #include <linux/memblock.h>
  43 #include <linux/notifier.h>
  44 #include <linux/cpu.h>
  45 #include <linux/slab.h>
  46
  47 #include <asm/mmu_context.h>
  48 #include <asm/tlbflush.h>
  49 #include <asm/smp.h>
  50
  51 #include <mm/mmu_decl.h>
  52
  53 /*
  54  * Room for two PTE table pointers, usually the kernel and current user
  55  * pointer to their respective root page table (pgdir).
  56  */
  57 void *abatron_pteptrs[2];
  58
  59 /*
  60  * The MPC8xx has only 16 contexts. We rotate through them on each task switch.
  61  * A better way would be to keep track of tasks that own contexts, and implement
  62  * an LRU usage. That way very active tasks don't always have to pay the TLB
  63  * reload overhead. The kernel pages are mapped shared, so the kernel can run on
  64  * behalf of any task that makes a kernel entry. Shared does not mean they are
  65  * not protected, just that the ASID comparison is not performed. -- Dan
  66  *
  67  * The IBM4xx has 256 contexts, so we can just rotate through these as a way of
  68  * "switching" contexts. If the TID of the TLB is zero, the PID/TID comparison
  69  * is disabled, so we can use a TID of zero to represent all kernel pages as
  70  * shared among all contexts. -- Dan
  71  *
  72  * The IBM 47x core supports 16-bit PIDs, thus 65535 contexts. We should
  73  * normally never have to steal though the facility is present if needed.
  74  * -- BenH
  75  */
  76 #define FIRST_CONTEXT 1
  77 #ifdef DEBUG_CLAMP_LAST_CONTEXT
  78 #define LAST_CONTEXT DEBUG_CLAMP_LAST_CONTEXT
  79 #elif defined(CONFIG_PPC_8xx)
  80 #define LAST_CONTEXT 16
  81 #elif defined(CONFIG_PPC_47x)
  82 #define LAST_CONTEXT 65535
  83 #else
  84 #define LAST_CONTEXT 255
  85 #endif
  86
  87 static unsigned int next_context, nr_free_contexts;
  88 static unsigned long *context_map;
  89 static unsigned long *stale_map[NR_CPUS];
  90 static struct mm_struct **context_mm;
  91 static DEFINE_RAW_SPINLOCK(context_lock);
  92
  93 #define CTX_MAP_SIZE    \
  94         (sizeof(unsigned long) * (LAST_CONTEXT / BITS_PER_LONG + 1))
  95
  96
  97 /* Steal a context from a task that has one at the moment.
  98  *
  99  * This is used when we are running out of available PID numbers
 100  * on the processors.
 101  *
 102  * This isn't an LRU system, it just frees up each context in
 103  * turn (sort-of pseudo-random replacement :).  This would be the
 104  * place to implement an LRU scheme if anyone was motivated to do it.
 105  *  -- paulus
 106  *
 107  * For context stealing, we use a slightly different approach for
 108  * SMP and UP. Basically, the UP one is simpler and doesn't use
 109  * the stale map as we can just flush the local CPU
 110  *  -- benh
 111  */
 112 static unsigned int steal_context_smp(unsigned int id)
 113 {
 114         struct mm_struct *mm;
 115         unsigned int cpu, max, i;
 116
 117         max = LAST_CONTEXT - FIRST_CONTEXT;
 118
 119         /* Attempt to free next_context first and then loop until we manage */
 120         while (max--) {
 121                 /* Pick up the victim mm */
 122                 mm = context_mm[id];
 123
 124                 /* We have a candidate victim, check if it's active, on SMP
 125                  * we cannot steal active contexts
 126                  */
 127                 if (mm->context.active) {
 128                         id++;
 129                         if (id > LAST_CONTEXT)
 130                                 id = FIRST_CONTEXT;
 131                         continue;
 132                 }
 133                 pr_hardcont(" | steal %d from 0x%p", id, mm);
 134
 135                 /* Mark this mm has having no context anymore */
 136                 mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 137
 138                 /* Mark it stale on all CPUs that used this mm. For threaded
 139                  * implementations, we set it on all threads on each core
 140                  * represented in the mask. A future implementation will use
 141                  * a core map instead but this will do for now.
 142                  */
 143                 for_each_cpu(cpu, mm_cpumask(mm)) {
 144                         for (i = cpu_first_thread_sibling(cpu);
 145                              i <= cpu_last_thread_sibling(cpu); i++) {
 146                                 if (stale_map[i])
 147                                         __set_bit(id, stale_map[i]);
 148                         }
 149                         cpu = i - 1;
 150                 }
 151                 return id;
 152         }
 153
 154         /* This will happen if you have more CPUs than available contexts,
 155          * all we can do here is wait a bit and try again
 156          */
 157         raw_spin_unlock(&context_lock);
 158         cpu_relax();
 159         raw_spin_lock(&context_lock);
 160
 161         /* This will cause the caller to try again */
 162         return MMU_NO_CONTEXT;
 163 }
 164
 165 static unsigned int steal_all_contexts(void)
 166 {
 167         struct mm_struct *mm;
 168         int cpu = smp_processor_id();
 169         unsigned int id;
 170
 171         for (id = FIRST_CONTEXT; id <= LAST_CONTEXT; id++) {
 172                 /* Pick up the victim mm */
 173                 mm = context_mm[id];
 174
 175                 pr_hardcont(" | steal %d from 0x%p", id, mm);
 176
 177                 /* Mark this mm as having no context anymore */
 178                 mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 179                 if (id != FIRST_CONTEXT) {
 180                         context_mm[id] = NULL;
 181                         __clear_bit(id, context_map);
 182                 }
 183                 if (IS_ENABLED(CONFIG_SMP))
 184                         __clear_bit(id, stale_map[cpu]);
 185         }
 186
 187         /* Flush the TLB for all contexts (not to be used on SMP) */
 188         _tlbil_all();
 189
 190         nr_free_contexts = LAST_CONTEXT - FIRST_CONTEXT;
 191
 192         return FIRST_CONTEXT;
 193 }
 194
 195 /* Note that this will also be called on SMP if all other CPUs are
 196  * offlined, which means that it may be called for cpu != 0. For
 197  * this to work, we somewhat assume that CPUs that are onlined
 198  * come up with a fully clean TLB (or are cleaned when offlined)
 199  */
 200 static unsigned int steal_context_up(unsigned int id)
 201 {
 202         struct mm_struct *mm;
 203         int cpu = smp_processor_id();
 204
 205         /* Pick up the victim mm */
 206         mm = context_mm[id];
 207
 208         pr_hardcont(" | steal %d from 0x%p", id, mm);
 209
 210         /* Flush the TLB for that context */
 211         local_flush_tlb_mm(mm);
 212
 213         /* Mark this mm has having no context anymore */
 214         mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 215
 216         /* XXX This clear should ultimately be part of local_flush_tlb_mm */
 217         if (IS_ENABLED(CONFIG_SMP))
 218                 __clear_bit(id, stale_map[cpu]);
 219
 220         return id;
 221 }
 222
 223 static void set_context(unsigned long id, pgd_t *pgd)
 224 {
 225         if (IS_ENABLED(CONFIG_PPC_8xx)) {
 226                 s16 offset = (s16)(__pa(swapper_pg_dir));
 227
 228                 /*
 229                  * Register M_TWB will contain base address of level 1 table minus the
 230                  * lower part of the kernel PGDIR base address, so that all accesses to
 231                  * level 1 table are done relative to lower part of kernel PGDIR base
 232                  * address.
 233                  */
 234                 mtspr(SPRN_M_TWB, __pa(pgd) - offset);
 235
 236                 /* Update context */
 237                 mtspr(SPRN_M_CASID, id - 1);
 238
 239                 /* sync */
 240                 mb();
 241         } else {
 242                 if (IS_ENABLED(CONFIG_40x))
 243                         mb();   /* sync */
 244
 245                 mtspr(SPRN_PID, id);
 246                 isync();
 247         }
 248 }
 249
 250 void switch_mmu_context(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
 251                         struct task_struct *tsk)
 252 {
 253         unsigned int id;
 254         unsigned int i, cpu = smp_processor_id();
 255         unsigned long *map;
 256
 257         /* No lockless fast path .. yet */
 258         raw_spin_lock(&context_lock);
 259
 260         pr_hard("[%d] activating context for mm @%p, active=%d, id=%d",
 261                 cpu, next, next->context.active, next->context.id);
 262
 263         if (IS_ENABLED(CONFIG_SMP)) {
 264                 /* Mark us active and the previous one not anymore */
 265                 next->context.active++;
 266                 if (prev) {
 267                         pr_hardcont(" (old=0x%p a=%d)", prev, prev->context.active);
 268                         WARN_ON(prev->context.active < 1);
 269                         prev->context.active--;
 270                 }
 271         }
 272
 273  again:
 274
 275         /* If we already have a valid assigned context, skip all that */
 276         id = next->context.id;
 277         if (likely(id != MMU_NO_CONTEXT))
 278                 goto ctxt_ok;
 279
 280         /* We really don't have a context, let's try to acquire one */
 281         id = next_context;
 282         if (id > LAST_CONTEXT)
 283                 id = FIRST_CONTEXT;
 284         map = context_map;
 285
 286         /* No more free contexts, let's try to steal one */
 287         if (nr_free_contexts == 0) {
 288                 if (num_online_cpus() > 1) {
 289                         id = steal_context_smp(id);
 290                         if (id == MMU_NO_CONTEXT)
 291                                 goto again;
 292                         goto stolen;
 293                 }
 294                 if (IS_ENABLED(CONFIG_PPC_8xx))
 295                         id = steal_all_contexts();
 296                 else
 297                         id = steal_context_up(id);
 298                 goto stolen;
 299         }
 300         nr_free_contexts--;
 301
 302         /* We know there's at least one free context, try to find it */
 303         while (__test_and_set_bit(id, map)) {
 304                 id = find_next_zero_bit(map, LAST_CONTEXT+1, id);
 305                 if (id > LAST_CONTEXT)
 306                         id = FIRST_CONTEXT;
 307         }
 308  stolen:
 309         next_context = id + 1;
 310         context_mm[id] = next;
 311         next->context.id = id;
 312         pr_hardcont(" | new id=%d,nrf=%d", id, nr_free_contexts);
 313
 314  ctxt_ok:
 315
 316         /* If that context got marked stale on this CPU, then flush the
 317          * local TLB for it and unmark it before we use it
 318          */
 319         if (IS_ENABLED(CONFIG_SMP) && test_bit(id, stale_map[cpu])) {
 320                 pr_hardcont(" | stale flush %d [%d..%d]",
 321                             id, cpu_first_thread_sibling(cpu),
 322                             cpu_last_thread_sibling(cpu));
 323
 324                 local_flush_tlb_mm(next);
 325
 326                 /* XXX This clear should ultimately be part of local_flush_tlb_mm */
 327                 for (i = cpu_first_thread_sibling(cpu);
 328                      i <= cpu_last_thread_sibling(cpu); i++) {
 329                         if (stale_map[i])
 330                                 __clear_bit(id, stale_map[i]);
 331                 }
 332         }
 333
 334         /* Flick the MMU and release lock */
 335         pr_hardcont(" -> %d\n", id);
 336         if (IS_ENABLED(CONFIG_BDI_SWITCH))
 337                 abatron_pteptrs[1] = next->pgd;
 338         set_context(id, next->pgd);
 339         raw_spin_unlock(&context_lock);
 340 }
 341
 342 /*
 343  * Set up the context for a new address space.
 344  */
 345 int init_new_context(struct task_struct *t, struct mm_struct *mm)
 346 {
 347         pr_hard("initing context for mm @%p\n", mm);
 348
 349         /*
 350          * We have MMU_NO_CONTEXT set to be ~0. Hence check
 351          * explicitly against context.id == 0. This ensures that we properly
 352          * initialize context slice details for newly allocated mm's (which will
 353          * have id == 0) and don't alter context slice inherited via fork (which
 354          * will have id != 0).
 355          */
 356         if (mm->context.id == 0)
 357                 slice_init_new_context_exec(mm);
 358         mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 359         mm->context.active = 0;
 360         pte_frag_set(&mm->context, NULL);
 361         return 0;
 362 }
 363
 364 /*
 365  * We're finished using the context for an address space.
 366  */
 367 void destroy_context(struct mm_struct *mm)
 368 {
 369         unsigned long flags;
 370         unsigned int id;
 371
 372         if (mm->context.id == MMU_NO_CONTEXT)
 373                 return;
 374
 375         WARN_ON(mm->context.active != 0);
 376
 377         raw_spin_lock_irqsave(&context_lock, flags);
 378         id = mm->context.id;
 379         if (id != MMU_NO_CONTEXT) {
 380                 __clear_bit(id, context_map);
 381                 mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 382                 context_mm[id] = NULL;
 383                 nr_free_contexts++;
 384         }
 385         raw_spin_unlock_irqrestore(&context_lock, flags);
 386 }
 387
 388 static int mmu_ctx_cpu_prepare(unsigned int cpu)
 389 {
 390         /* We don't touch CPU 0 map, it's allocated at aboot and kept
 391          * around forever
 392          */
 393         if (cpu == boot_cpuid)
 394                 return 0;
 395
 396         pr_devel("MMU: Allocating stale context map for CPU %d\n", cpu);
 397         stale_map[cpu] = kzalloc(CTX_MAP_SIZE, GFP_KERNEL);
 398         return 0;
 399 }
 400
 401 static int mmu_ctx_cpu_dead(unsigned int cpu)
 402 {
 403 #ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
 404         if (cpu == boot_cpuid)
 405                 return 0;
 406
 407         pr_devel("MMU: Freeing stale context map for CPU %d\n", cpu);
 408         kfree(stale_map[cpu]);
 409         stale_map[cpu] = NULL;
 410
 411         /* We also clear the cpu_vm_mask bits of CPUs going away */
 412         clear_tasks_mm_cpumask(cpu);
 413 #endif
 414         return 0;
 415 }
 416
 417 /*
 418  * Initialize the context management stuff.
 419  */
 420 void __init mmu_context_init(void)
 421 {
 422         /* Mark init_mm as being active on all possible CPUs since
 423          * we'll get called with prev == init_mm the first time
 424          * we schedule on a given CPU
 425          */
 426         init_mm.context.active = NR_CPUS;
 427
 428         /*
 429          * Allocate the maps used by context management
 430          */
 431         context_map = memblock_alloc(CTX_MAP_SIZE, SMP_CACHE_BYTES);
 432         if (!context_map)
 433                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
 434                       CTX_MAP_SIZE);
 435         context_mm = memblock_alloc(sizeof(void *) * (LAST_CONTEXT + 1),
 436                                     SMP_CACHE_BYTES);
 437         if (!context_mm)
 438                 panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
 439                       sizeof(void *) * (LAST_CONTEXT + 1));
 440         if (IS_ENABLED(CONFIG_SMP)) {
 441                 stale_map[boot_cpuid] = memblock_alloc(CTX_MAP_SIZE, SMP_CACHE_BYTES);
 442                 if (!stale_map[boot_cpuid])
 443                         panic("%s: Failed to allocate %zu bytes\n", __func__,
 444                               CTX_MAP_SIZE);
 445
 446                 cpuhp_setup_state_nocalls(CPUHP_POWERPC_MMU_CTX_PREPARE,
 447                                           "powerpc/mmu/ctx:prepare",
 448                                           mmu_ctx_cpu_prepare, mmu_ctx_cpu_dead);
 449         }
 450
 451         printk(KERN_INFO
 452                "MMU: Allocated %zu bytes of context maps for %d contexts\n",
 453                2 * CTX_MAP_SIZE + (sizeof(void *) * (LAST_CONTEXT + 1)),
 454                LAST_CONTEXT - FIRST_CONTEXT + 1);
 455
 456         /*
 457          * Some processors have too few contexts to reserve one for
 458          * init_mm, and require using context 0 for a normal task.
 459          * Other processors reserve the use of context zero for the kernel.
 460          * This code assumes FIRST_CONTEXT < 32.
 461          */
 462         context_map[0] = (1 << FIRST_CONTEXT) - 1;
 463         next_context = FIRST_CONTEXT;
 464         nr_free_contexts = LAST_CONTEXT - FIRST_CONTEXT + 1;
 465 }