sys/amd64/include/pmap.h

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2003 Peter Wemm.
   3  * Copyright (c) 1991 Regents of the University of California.
   4  * All rights reserved.
   5  *
   6  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   7  * the Systems Programming Group of the University of Utah Computer
   8  * Science Department and William Jolitz of UUNET Technologies Inc.
   9  *
  10  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  11  * modification, are permitted provided that the following conditions
  12  * are met:
  13  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  15  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  16  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  17  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  18  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  19  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  20  *    without specific prior written permission.
  21  *
  22  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  23  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  24  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  25  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  26  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  27  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  28  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  29  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  30  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  31  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  32  * SUCH DAMAGE.
  33  *
  34  * Derived from hp300 version by Mike Hibler, this version by William
  35  * Jolitz uses a recursive map [a pde points to the page directory] to
  36  * map the page tables using the pagetables themselves. This is done to
  37  * reduce the impact on kernel virtual memory for lots of sparse address
  38  * space, and to reduce the cost of memory to each process.
  39  *
  40  *      from: hp300: @(#)pmap.h 7.2 (Berkeley) 12/16/90
  41  *      from: @(#)pmap.h        7.4 (Berkeley) 5/12/91
  42  * $FreeBSD$
  43  */
  44
  45 #ifndef _MACHINE_PMAP_H_
  46 #define _MACHINE_PMAP_H_
  47
  48 /*
  49  * Page-directory and page-table entries follow this format, with a few
  50  * of the fields not present here and there, depending on a lot of things.
  51  */
  52                                 /* ---- Intel Nomenclature ---- */
  53 #define X86_PG_V        0x001   /* P    Valid                   */
  54 #define X86_PG_RW       0x002   /* R/W  Read/Write              */
  55 #define X86_PG_U        0x004   /* U/S  User/Supervisor         */
  56 #define X86_PG_NC_PWT   0x008   /* PWT  Write through           */
  57 #define X86_PG_NC_PCD   0x010   /* PCD  Cache disable           */
  58 #define X86_PG_A        0x020   /* A    Accessed                */
  59 #define X86_PG_M        0x040   /* D    Dirty                   */
  60 #define X86_PG_PS       0x080   /* PS   Page size (0=4k,1=2M)   */
  61 #define X86_PG_PTE_PAT  0x080   /* PAT  PAT index               */
  62 #define X86_PG_G        0x100   /* G    Global                  */
  63 #define X86_PG_AVAIL1   0x200   /*    / Available for system    */
  64 #define X86_PG_AVAIL2   0x400   /*   <  programmers use         */
  65 #define X86_PG_AVAIL3   0x800   /*    \                         */
  66 #define X86_PG_PDE_PAT  0x1000  /* PAT  PAT index               */
  67 #define X86_PG_NX       (1ul<<63) /* No-execute */
  68 #define X86_PG_AVAIL(x) (1ul << (x))
  69
  70 /* Page level cache control fields used to determine the PAT type */
  71 #define X86_PG_PDE_CACHE (X86_PG_PDE_PAT | X86_PG_NC_PWT | X86_PG_NC_PCD)
  72 #define X86_PG_PTE_CACHE (X86_PG_PTE_PAT | X86_PG_NC_PWT | X86_PG_NC_PCD)
  73
  74 /*
  75  * Intel extended page table (EPT) bit definitions.
  76  */
  77 #define EPT_PG_READ             0x001   /* R    Read            */
  78 #define EPT_PG_WRITE            0x002   /* W    Write           */
  79 #define EPT_PG_EXECUTE          0x004   /* X    Execute         */
  80 #define EPT_PG_IGNORE_PAT       0x040   /* IPAT Ignore PAT      */
  81 #define EPT_PG_PS               0x080   /* PS   Page size       */
  82 #define EPT_PG_A                0x100   /* A    Accessed        */
  83 #define EPT_PG_M                0x200   /* D    Dirty           */
  84 #define EPT_PG_MEMORY_TYPE(x)   ((x) << 3) /* MT Memory Type    */
  85
  86 /*
  87  * Define the PG_xx macros in terms of the bits on x86 PTEs.
  88  */
  89 #define PG_V            X86_PG_V
  90 #define PG_RW           X86_PG_RW
  91 #define PG_U            X86_PG_U
  92 #define PG_NC_PWT       X86_PG_NC_PWT
  93 #define PG_NC_PCD       X86_PG_NC_PCD
  94 #define PG_A            X86_PG_A
  95 #define PG_M            X86_PG_M
  96 #define PG_PS           X86_PG_PS
  97 #define PG_PTE_PAT      X86_PG_PTE_PAT
  98 #define PG_G            X86_PG_G
  99 #define PG_AVAIL1       X86_PG_AVAIL1
 100 #define PG_AVAIL2       X86_PG_AVAIL2
 101 #define PG_AVAIL3       X86_PG_AVAIL3
 102 #define PG_PDE_PAT      X86_PG_PDE_PAT
 103 #define PG_NX           X86_PG_NX
 104 #define PG_PDE_CACHE    X86_PG_PDE_CACHE
 105 #define PG_PTE_CACHE    X86_PG_PTE_CACHE
 106
 107 /* Our various interpretations of the above */
 108 #define PG_W            X86_PG_AVAIL3   /* "Wired" pseudoflag */
 109 #define PG_MANAGED      X86_PG_AVAIL2
 110 #define EPT_PG_EMUL_V   X86_PG_AVAIL(52)
 111 #define EPT_PG_EMUL_RW  X86_PG_AVAIL(53)
 112 #define PG_PROMOTED     X86_PG_AVAIL(54)        /* PDE only */
 113 #define PG_FRAME        (0x000ffffffffff000ul)
 114 #define PG_PS_FRAME     (0x000fffffffe00000ul)
 115
 116 /*
 117  * Promotion to a 2MB (PDE) page mapping requires that the corresponding 4KB
 118  * (PTE) page mappings have identical settings for the following fields:
 119  */
 120 #define PG_PTE_PROMOTE  (PG_NX | PG_MANAGED | PG_W | PG_G | PG_PTE_CACHE | \
 121             PG_M | PG_A | PG_U | PG_RW | PG_V)
 122
 123 /*
 124  * Page Protection Exception bits
 125  */
 126
 127 #define PGEX_P          0x01    /* Protection violation vs. not present */
 128 #define PGEX_W          0x02    /* during a Write cycle */
 129 #define PGEX_U          0x04    /* access from User mode (UPL) */
 130 #define PGEX_RSV        0x08    /* reserved PTE field is non-zero */
 131 #define PGEX_I          0x10    /* during an instruction fetch */
 132
 133 /*
 134  * undef the PG_xx macros that define bits in the regular x86 PTEs that
 135  * have a different position in nested PTEs. This is done when compiling
 136  * code that needs to be aware of the differences between regular x86 and
 137  * nested PTEs.
 138  *
 139  * The appropriate bitmask will be calculated at runtime based on the pmap
 140  * type.
 141  */
 142 #ifdef AMD64_NPT_AWARE
 143 #undef PG_AVAIL1                /* X86_PG_AVAIL1 aliases with EPT_PG_M */
 144 #undef PG_G
 145 #undef PG_A
 146 #undef PG_M
 147 #undef PG_PDE_PAT
 148 #undef PG_PDE_CACHE
 149 #undef PG_PTE_PAT
 150 #undef PG_PTE_CACHE
 151 #undef PG_RW
 152 #undef PG_V
 153 #endif
 154
 155 /*
 156  * Pte related macros.  This is complicated by having to deal with
 157  * the sign extension of the 48th bit.
 158  */
 159 #define KVADDR(l4, l3, l2, l1) ( \
 160         ((unsigned long)-1 << 47) | \
 161         ((unsigned long)(l4) << PML4SHIFT) | \
 162         ((unsigned long)(l3) << PDPSHIFT) | \
 163         ((unsigned long)(l2) << PDRSHIFT) | \
 164         ((unsigned long)(l1) << PAGE_SHIFT))
 165
 166 #define UVADDR(l4, l3, l2, l1) ( \
 167         ((unsigned long)(l4) << PML4SHIFT) | \
 168         ((unsigned long)(l3) << PDPSHIFT) | \
 169         ((unsigned long)(l2) << PDRSHIFT) | \
 170         ((unsigned long)(l1) << PAGE_SHIFT))
 171
 172 /*
 173  * Number of kernel PML4 slots.  Can be anywhere from 1 to 64 or so,
 174  * but setting it larger than NDMPML4E makes no sense.
 175  *
 176  * Each slot provides .5 TB of kernel virtual space.
 177  */
 178 #define NKPML4E         4
 179
 180 #define NUPML4E         (NPML4EPG/2)    /* number of userland PML4 pages */
 181 #define NUPDPE          (NUPML4E*NPDPEPG)/* number of userland PDP pages */
 182 #define NUPDE           (NUPDPE*NPDEPG) /* number of userland PD entries */
 183
 184 /*
 185  * NDMPML4E is the maximum number of PML4 entries that will be
 186  * used to implement the direct map.  It must be a power of two,
 187  * and should generally exceed NKPML4E.  The maximum possible
 188  * value is 64; using 128 will make the direct map intrude into
 189  * the recursive page table map.
 190  */
 191 #define NDMPML4E        8
 192
 193 /*
 194  * These values control the layout of virtual memory.  The starting address
 195  * of the direct map, which is controlled by DMPML4I, must be a multiple of
 196  * its size.  (See the PHYS_TO_DMAP() and DMAP_TO_PHYS() macros.)
 197  *
 198  * Note: KPML4I is the index of the (single) level 4 page that maps
 199  * the KVA that holds KERNBASE, while KPML4BASE is the index of the
 200  * first level 4 page that maps VM_MIN_KERNEL_ADDRESS.  If NKPML4E
 201  * is 1, these are the same, otherwise KPML4BASE < KPML4I and extra
 202  * level 4 PDEs are needed to map from VM_MIN_KERNEL_ADDRESS up to
 203  * KERNBASE.
 204  *
 205  * (KPML4I combines with KPDPI to choose where KERNBASE starts.
 206  * Or, in other words, KPML4I provides bits 39..47 of KERNBASE,
 207  * and KPDPI provides bits 30..38.)
 208  */
 209 #define PML4PML4I       (NPML4EPG/2)    /* Index of recursive pml4 mapping */
 210
 211 #define KPML4BASE       (NPML4EPG-NKPML4E) /* KVM at highest addresses */
 212 #define DMPML4I         rounddown(KPML4BASE-NDMPML4E, NDMPML4E) /* Below KVM */
 213
 214 #define KPML4I          (NPML4EPG-1)
 215 #define KPDPI           (NPDPEPG-2)     /* kernbase at -2GB */
 216
 217 /*
 218  * XXX doesn't really belong here I guess...
 219  */
 220 #define ISA_HOLE_START    0xa0000
 221 #define ISA_HOLE_LENGTH (0x100000-ISA_HOLE_START)
 222
 223 #define PMAP_PCID_NONE          0xffffffff
 224 #define PMAP_PCID_KERN          0
 225 #define PMAP_PCID_OVERMAX       0x1000
 226
 227 #ifndef LOCORE
 228
 229 #include <sys/queue.h>
 230 #include <sys/_cpuset.h>
 231 #include <sys/_lock.h>
 232 #include <sys/_mutex.h>
 233
 234 #include <vm/_vm_radix.h>
 235
 236 typedef u_int64_t pd_entry_t;
 237 typedef u_int64_t pt_entry_t;
 238 typedef u_int64_t pdp_entry_t;
 239 typedef u_int64_t pml4_entry_t;
 240
 241 /*
 242  * Address of current address space page table maps and directories.
 243  */
 244 #ifdef _KERNEL
 245 #define addr_PTmap      (KVADDR(PML4PML4I, 0, 0, 0))
 246 #define addr_PDmap      (KVADDR(PML4PML4I, PML4PML4I, 0, 0))
 247 #define addr_PDPmap     (KVADDR(PML4PML4I, PML4PML4I, PML4PML4I, 0))
 248 #define addr_PML4map    (KVADDR(PML4PML4I, PML4PML4I, PML4PML4I, PML4PML4I))
 249 #define addr_PML4pml4e  (addr_PML4map + (PML4PML4I * sizeof(pml4_entry_t)))
 250 #define PTmap           ((pt_entry_t *)(addr_PTmap))
 251 #define PDmap           ((pd_entry_t *)(addr_PDmap))
 252 #define PDPmap          ((pd_entry_t *)(addr_PDPmap))
 253 #define PML4map         ((pd_entry_t *)(addr_PML4map))
 254 #define PML4pml4e       ((pd_entry_t *)(addr_PML4pml4e))
 255
 256 extern int nkpt;                /* Initial number of kernel page tables */
 257 extern u_int64_t KPDPphys;      /* physical address of kernel level 3 */
 258 extern u_int64_t KPML4phys;     /* physical address of kernel level 4 */
 259
 260 /*
 261  * virtual address to page table entry and
 262  * to physical address.
 263  * Note: these work recursively, thus vtopte of a pte will give
 264  * the corresponding pde that in turn maps it.
 265  */
 266 pt_entry_t *vtopte(vm_offset_t);
 267 #define vtophys(va)     pmap_kextract(((vm_offset_t) (va)))
 268
 269 #define pte_load_store(ptep, pte)       atomic_swap_long(ptep, pte)
 270 #define pte_load_clear(ptep)            atomic_swap_long(ptep, 0)
 271 #define pte_store(ptep, pte) do { \
 272         *(u_long *)(ptep) = (u_long)(pte); \
 273 } while (0)
 274 #define pte_clear(ptep)                 pte_store(ptep, 0)
 275
 276 #define pde_store(pdep, pde)            pte_store(pdep, pde)
 277
 278 extern pt_entry_t pg_nx;
 279
 280 #endif /* _KERNEL */
 281
 282 /*
 283  * Pmap stuff
 284  */
 285 struct  pv_entry;
 286 struct  pv_chunk;
 287
 288 /*
 289  * Locks
 290  * (p) PV list lock
 291  */
 292 struct md_page {
 293         TAILQ_HEAD(, pv_entry)  pv_list;  /* (p) */
 294         int                     pv_gen;   /* (p) */
 295         int                     pat_mode;
 296 };
 297
 298 enum pmap_type {
 299         PT_X86,                 /* regular x86 page tables */
 300         PT_EPT,                 /* Intel's nested page tables */
 301         PT_RVI,                 /* AMD's nested page tables */
 302 };
 303
 304 struct pmap_pcids {
 305         uint32_t        pm_pcid;
 306         uint32_t        pm_gen;
 307 };
 308
 309 /*
 310  * The kernel virtual address (KVA) of the level 4 page table page is always
 311  * within the direct map (DMAP) region.
 312  */
 313 struct pmap {
 314         struct mtx              pm_mtx;
 315         pml4_entry_t            *pm_pml4;       /* KVA of level 4 page table */
 316         uint64_t                pm_cr3;
 317         TAILQ_HEAD(,pv_chunk)   pm_pvchunk;     /* list of mappings in pmap */
 318         cpuset_t                pm_active;      /* active on cpus */
 319         enum pmap_type          pm_type;        /* regular or nested tables */
 320         struct pmap_statistics  pm_stats;       /* pmap statistics */
 321         struct vm_radix         pm_root;        /* spare page table pages */
 322         long                    pm_eptgen;      /* EPT pmap generation id */
 323         int                     pm_flags;
 324         struct pmap_pcids       pm_pcids[MAXCPU];
 325 };
 326
 327 /* flags */
 328 #define PMAP_NESTED_IPIMASK     0xff
 329 #define PMAP_PDE_SUPERPAGE      (1 << 8)        /* supports 2MB superpages */
 330 #define PMAP_EMULATE_AD_BITS    (1 << 9)        /* needs A/D bits emulation */
 331 #define PMAP_SUPPORTS_EXEC_ONLY (1 << 10)       /* execute only mappings ok */
 332
 333 typedef struct pmap     *pmap_t;
 334
 335 #ifdef _KERNEL
 336 extern struct pmap      kernel_pmap_store;
 337 #define kernel_pmap     (&kernel_pmap_store)
 338
 339 #define PMAP_LOCK(pmap)         mtx_lock(&(pmap)->pm_mtx)
 340 #define PMAP_LOCK_ASSERT(pmap, type) \
 341                                 mtx_assert(&(pmap)->pm_mtx, (type))
 342 #define PMAP_LOCK_DESTROY(pmap) mtx_destroy(&(pmap)->pm_mtx)
 343 #define PMAP_LOCK_INIT(pmap)    mtx_init(&(pmap)->pm_mtx, "pmap", \
 344                                     NULL, MTX_DEF | MTX_DUPOK)
 345 #define PMAP_LOCKED(pmap)       mtx_owned(&(pmap)->pm_mtx)
 346 #define PMAP_MTX(pmap)          (&(pmap)->pm_mtx)
 347 #define PMAP_TRYLOCK(pmap)      mtx_trylock(&(pmap)->pm_mtx)
 348 #define PMAP_UNLOCK(pmap)       mtx_unlock(&(pmap)->pm_mtx)
 349
 350 int     pmap_pinit_type(pmap_t pmap, enum pmap_type pm_type, int flags);
 351 int     pmap_emulate_accessed_dirty(pmap_t pmap, vm_offset_t va, int ftype);
 352 #endif
 353
 354 /*
 355  * For each vm_page_t, there is a list of all currently valid virtual
 356  * mappings of that page.  An entry is a pv_entry_t, the list is pv_list.
 357  */
 358 typedef struct pv_entry {
 359         vm_offset_t     pv_va;          /* virtual address for mapping */
 360         TAILQ_ENTRY(pv_entry)   pv_next;
 361 } *pv_entry_t;
 362
 363 /*
 364  * pv_entries are allocated in chunks per-process.  This avoids the
 365  * need to track per-pmap assignments.
 366  */
 367 #define _NPCM   3
 368 #define _NPCPV  168
 369 struct pv_chunk {
 370         pmap_t                  pc_pmap;
 371         TAILQ_ENTRY(pv_chunk)   pc_list;
 372         uint64_t                pc_map[_NPCM];  /* bitmap; 1 = free */
 373         TAILQ_ENTRY(pv_chunk)   pc_lru;
 374         struct pv_entry         pc_pventry[_NPCPV];
 375 };
 376
 377 #ifdef  _KERNEL
 378
 379 extern caddr_t  CADDR1;
 380 extern pt_entry_t *CMAP1;
 381 extern vm_paddr_t phys_avail[];
 382 extern vm_paddr_t dump_avail[];
 383 extern vm_offset_t virtual_avail;
 384 extern vm_offset_t virtual_end;
 385 extern vm_paddr_t dmaplimit;
 386 extern int pmap_pcid_enabled;
 387 extern int invpcid_works;
 388
 389 #define pmap_page_get_memattr(m)        ((vm_memattr_t)(m)->md.pat_mode)
 390 #define pmap_page_is_write_mapped(m)    (((m)->aflags & PGA_WRITEABLE) != 0)
 391 #define pmap_unmapbios(va, sz)  pmap_unmapdev((va), (sz))
 392
 393 struct thread;
 394
 395 void    pmap_activate_sw(struct thread *);
 396 void    pmap_bootstrap(vm_paddr_t *);
 397 int     pmap_cache_bits(pmap_t pmap, int mode, boolean_t is_pde);
 398 int     pmap_change_attr(vm_offset_t, vm_size_t, int);
 399 void    pmap_demote_DMAP(vm_paddr_t base, vm_size_t len, boolean_t invalidate);
 400 void    pmap_init_pat(void);
 401 void    pmap_kenter(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 402 void    *pmap_kenter_temporary(vm_paddr_t pa, int i);
 403 vm_paddr_t pmap_kextract(vm_offset_t);
 404 void    pmap_kremove(vm_offset_t);
 405 void    *pmap_mapbios(vm_paddr_t, vm_size_t);
 406 void    *pmap_mapdev(vm_paddr_t, vm_size_t);
 407 void    *pmap_mapdev_attr(vm_paddr_t, vm_size_t, int);
 408 boolean_t pmap_page_is_mapped(vm_page_t m);
 409 void    pmap_page_set_memattr(vm_page_t m, vm_memattr_t ma);
 410 void    pmap_pinit_pml4(vm_page_t);
 411 bool    pmap_ps_enabled(pmap_t pmap);
 412 void    pmap_unmapdev(vm_offset_t, vm_size_t);
 413 void    pmap_invalidate_page(pmap_t, vm_offset_t);
 414 void    pmap_invalidate_range(pmap_t, vm_offset_t, vm_offset_t);
 415 void    pmap_invalidate_all(pmap_t);
 416 void    pmap_invalidate_cache(void);
 417 void    pmap_invalidate_cache_pages(vm_page_t *pages, int count);
 418 void    pmap_invalidate_cache_range(vm_offset_t sva, vm_offset_t eva,
 419             boolean_t force);
 420 void    pmap_get_mapping(pmap_t pmap, vm_offset_t va, uint64_t *ptr, int *num);
 421 boolean_t pmap_map_io_transient(vm_page_t *, vm_offset_t *, int, boolean_t);
 422 void    pmap_unmap_io_transient(vm_page_t *, vm_offset_t *, int, boolean_t);
 423 #endif /* _KERNEL */
 424
 425 /* Return various clipped indexes for a given VA */
 426 static __inline vm_pindex_t
 427 pmap_pte_index(vm_offset_t va)
 428 {
 429
 430         return ((va >> PAGE_SHIFT) & ((1ul << NPTEPGSHIFT) - 1));
 431 }
 432
 433 static __inline vm_pindex_t
 434 pmap_pde_index(vm_offset_t va)
 435 {
 436
 437         return ((va >> PDRSHIFT) & ((1ul << NPDEPGSHIFT) - 1));
 438 }
 439
 440 static __inline vm_pindex_t
 441 pmap_pdpe_index(vm_offset_t va)
 442 {
 443
 444         return ((va >> PDPSHIFT) & ((1ul << NPDPEPGSHIFT) - 1));
 445 }
 446
 447 static __inline vm_pindex_t
 448 pmap_pml4e_index(vm_offset_t va)
 449 {
 450
 451         return ((va >> PML4SHIFT) & ((1ul << NPML4EPGSHIFT) - 1));
 452 }
 453
 454 #endif /* !LOCORE */
 455
 456 #endif /* !_MACHINE_PMAP_H_ */