sys/i386/include/pmap.h

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 1991 Regents of the University of California.
   3  * All rights reserved.
   4  *
   5  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   6  * the Systems Programming Group of the University of Utah Computer
   7  * Science Department and William Jolitz of UUNET Technologies Inc.
   8  *
   9  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  10  * modification, are permitted provided that the following conditions
  11  * are met:
  12  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  14  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  15  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  16  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  17  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  18  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  19  *    without specific prior written permission.
  20  *
  21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  22  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  23  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  24  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  25  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  26  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  27  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  28  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  29  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  30  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  31  * SUCH DAMAGE.
  32  *
  33  * Derived from hp300 version by Mike Hibler, this version by William
  34  * Jolitz uses a recursive map [a pde points to the page directory] to
  35  * map the page tables using the pagetables themselves. This is done to
  36  * reduce the impact on kernel virtual memory for lots of sparse address
  37  * space, and to reduce the cost of memory to each process.
  38  *
  39  *      from: hp300: @(#)pmap.h 7.2 (Berkeley) 12/16/90
  40  *      from: @(#)pmap.h        7.4 (Berkeley) 5/12/91
  41  * $FreeBSD$
  42  */
  43
  44 #ifndef _MACHINE_PMAP_H_
  45 #define _MACHINE_PMAP_H_
  46
  47 /*
  48  * Page-directory and page-table entries follow this format, with a few
  49  * of the fields not present here and there, depending on a lot of things.
  50  */
  51                                 /* ---- Intel Nomenclature ---- */
  52 #define PG_V            0x001   /* P    Valid                   */
  53 #define PG_RW           0x002   /* R/W  Read/Write              */
  54 #define PG_U            0x004   /* U/S  User/Supervisor         */
  55 #define PG_NC_PWT       0x008   /* PWT  Write through           */
  56 #define PG_NC_PCD       0x010   /* PCD  Cache disable           */
  57 #define PG_A            0x020   /* A    Accessed                */
  58 #define PG_M            0x040   /* D    Dirty                   */
  59 #define PG_PS           0x080   /* PS   Page size (0=4k,1=4M)   */
  60 #define PG_PTE_PAT      0x080   /* PAT  PAT index               */
  61 #define PG_G            0x100   /* G    Global                  */
  62 #define PG_AVAIL1       0x200   /*    / Available for system    */
  63 #define PG_AVAIL2       0x400   /*   <  programmers use         */
  64 #define PG_AVAIL3       0x800   /*    \                         */
  65 #define PG_PDE_PAT      0x1000  /* PAT  PAT index               */
  66 #if defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)
  67 #define PG_NX           (1ull<<63) /* No-execute */
  68 #endif
  69
  70
  71 /* Our various interpretations of the above */
  72 #define PG_W            PG_AVAIL1       /* "Wired" pseudoflag */
  73 #define PG_MANAGED      PG_AVAIL2
  74 #if defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)
  75 #define PG_FRAME        (0x000ffffffffff000ull)
  76 #define PG_PS_FRAME     (0x000fffffffe00000ull)
  77 #else
  78 #define PG_FRAME        (~PAGE_MASK)
  79 #define PG_PS_FRAME     (0xffc00000)
  80 #endif
  81 #define PG_PROT         (PG_RW|PG_U)    /* all protection bits . */
  82 #define PG_N            (PG_NC_PWT|PG_NC_PCD)   /* Non-cacheable */
  83
  84 /* Page level cache control fields used to determine the PAT type */
  85 #define PG_PDE_CACHE    (PG_PDE_PAT | PG_NC_PWT | PG_NC_PCD)
  86 #define PG_PTE_CACHE    (PG_PTE_PAT | PG_NC_PWT | PG_NC_PCD)
  87
  88 /*
  89  * Promotion to a 2 or 4MB (PDE) page mapping requires that the corresponding
  90  * 4KB (PTE) page mappings have identical settings for the following fields:
  91  */
  92 #define PG_PTE_PROMOTE  (PG_MANAGED | PG_W | PG_G | PG_PTE_PAT | \
  93             PG_M | PG_A | PG_NC_PCD | PG_NC_PWT | PG_U | PG_RW | PG_V)
  94
  95 /*
  96  * Page Protection Exception bits
  97  */
  98
  99 #define PGEX_P          0x01    /* Protection violation vs. not present */
 100 #define PGEX_W          0x02    /* during a Write cycle */
 101 #define PGEX_U          0x04    /* access from User mode (UPL) */
 102 #define PGEX_RSV        0x08    /* reserved PTE field is non-zero */
 103 #define PGEX_I          0x10    /* during an instruction fetch */
 104
 105 /*
 106  * Size of Kernel address space.  This is the number of page table pages
 107  * (4MB each) to use for the kernel.  256 pages == 1 Gigabyte.
 108  * This **MUST** be a multiple of 4 (eg: 252, 256, 260, etc).
 109  * For PAE, the page table page unit size is 2MB.  This means that 512 pages
 110  * is 1 Gigabyte.  Double everything.  It must be a multiple of 8 for PAE.
 111  */
 112 #ifndef KVA_PAGES
 113 #if defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)
 114 #define KVA_PAGES       512
 115 #else
 116 #define KVA_PAGES       256
 117 #endif
 118 #endif
 119
 120 /*
 121  * Pte related macros
 122  */
 123 #define VADDR(pdi, pti) ((vm_offset_t)(((pdi)<<PDRSHIFT)|((pti)<<PAGE_SHIFT)))
 124
 125 /*
 126  * The initial number of kernel page table pages that are constructed
 127  * by locore must be sufficient to map vm_page_array.  That number can
 128  * be calculated as follows:
 129  *     max_phys / PAGE_SIZE * sizeof(struct vm_page) / NBPDR
 130  * PAE:      max_phys 16G, sizeof(vm_page) 76, NBPDR 2M, 152 page table pages.
 131  * PAE_TABLES: max_phys 4G,  sizeof(vm_page) 68, NBPDR 2M, 36 page table pages.
 132  * Non-PAE:  max_phys 4G,  sizeof(vm_page) 68, NBPDR 4M, 18 page table pages.
 133  */
 134 #ifndef NKPT
 135 #if defined(PAE)
 136 #define NKPT            240
 137 #elif defined(PAE_TABLES)
 138 #define NKPT            60
 139 #else
 140 #define NKPT            30
 141 #endif
 142 #endif
 143
 144 #ifndef NKPDE
 145 #define NKPDE   (KVA_PAGES)     /* number of page tables/pde's */
 146 #endif
 147
 148 /*
 149  * The *PTDI values control the layout of virtual memory
 150  *
 151  * XXX This works for now, but I am not real happy with it, I'll fix it
 152  * right after I fix locore.s and the magic 28K hole
 153  */
 154 #define KPTDI           (NPDEPTD-NKPDE) /* start of kernel virtual pde's */
 155 #define PTDPTDI         (KPTDI-NPGPTD)  /* ptd entry that points to ptd! */
 156
 157 /*
 158  * XXX doesn't really belong here I guess...
 159  */
 160 #define ISA_HOLE_START    0xa0000
 161 #define ISA_HOLE_LENGTH (0x100000-ISA_HOLE_START)
 162
 163 #ifndef LOCORE
 164
 165 #include <sys/queue.h>
 166 #include <sys/_cpuset.h>
 167 #include <sys/_lock.h>
 168 #include <sys/_mutex.h>
 169
 170 #include <vm/_vm_radix.h>
 171
 172 #if defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)
 173
 174 typedef uint64_t pdpt_entry_t;
 175 typedef uint64_t pd_entry_t;
 176 typedef uint64_t pt_entry_t;
 177
 178 #define PTESHIFT        (3)
 179 #define PDESHIFT        (3)
 180
 181 #else
 182
 183 typedef uint32_t pd_entry_t;
 184 typedef uint32_t pt_entry_t;
 185
 186 #define PTESHIFT        (2)
 187 #define PDESHIFT        (2)
 188
 189 #endif
 190
 191 /*
 192  * Address of current address space page table maps and directories.
 193  */
 194 #ifdef _KERNEL
 195 extern pt_entry_t PTmap[];
 196 extern pd_entry_t PTD[];
 197 extern pd_entry_t PTDpde[];
 198
 199 #if defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)
 200 extern pdpt_entry_t *IdlePDPT;
 201 #endif
 202 extern pd_entry_t *IdlePTD;     /* physical address of "Idle" state directory */
 203
 204 /*
 205  * Translate a virtual address to the kernel virtual address of its page table
 206  * entry (PTE).  This can be used recursively.  If the address of a PTE as
 207  * previously returned by this macro is itself given as the argument, then the
 208  * address of the page directory entry (PDE) that maps the PTE will be
 209  * returned.
 210  *
 211  * This macro may be used before pmap_bootstrap() is called.
 212  */
 213 #define vtopte(va)      (PTmap + i386_btop(va))
 214
 215 /*
 216  * Translate a virtual address to its physical address.
 217  *
 218  * This macro may be used before pmap_bootstrap() is called.
 219  */
 220 #define vtophys(va)     pmap_kextract((vm_offset_t)(va))
 221
 222 #if defined(XEN)
 223 #include <sys/param.h>
 224
 225 #include <xen/xen-os.h>
 226
 227 #include <machine/xen/xenvar.h>
 228 #include <machine/xen/xenpmap.h>
 229
 230 extern pt_entry_t pg_nx;
 231
 232 #define PG_KERNEL  (PG_V | PG_A | PG_RW | PG_M)
 233
 234 #define MACH_TO_VM_PAGE(ma) PHYS_TO_VM_PAGE(xpmap_mtop((ma)))
 235 #define VM_PAGE_TO_MACH(m) xpmap_ptom(VM_PAGE_TO_PHYS((m)))
 236
 237 #define VTOM(va) xpmap_ptom(VTOP(va))
 238
 239 static __inline vm_paddr_t
 240 pmap_kextract_ma(vm_offset_t va)
 241 {
 242         vm_paddr_t ma;
 243         if ((ma = PTD[va >> PDRSHIFT]) & PG_PS) {
 244                 ma = (ma & ~(NBPDR - 1)) | (va & (NBPDR - 1));
 245         } else {
 246                 ma = (*vtopte(va) & PG_FRAME) | (va & PAGE_MASK);
 247         }
 248         return ma;
 249 }
 250
 251 static __inline vm_paddr_t
 252 pmap_kextract(vm_offset_t va)
 253 {
 254         return xpmap_mtop(pmap_kextract_ma(va));
 255 }
 256 #define vtomach(va)     pmap_kextract_ma(((vm_offset_t) (va)))
 257
 258 vm_paddr_t pmap_extract_ma(struct pmap *pmap, vm_offset_t va);
 259
 260 void    pmap_kenter_ma(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 261 void    pmap_map_readonly(struct pmap *pmap, vm_offset_t va, int len);
 262 void    pmap_map_readwrite(struct pmap *pmap, vm_offset_t va, int len);
 263
 264 static __inline pt_entry_t
 265 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 266 {
 267         pt_entry_t r;
 268
 269         r = *ptep;
 270         PT_SET_VA(ptep, v, TRUE);
 271         return (r);
 272 }
 273
 274 static __inline pt_entry_t
 275 pte_load_store_ma(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 276 {
 277         pt_entry_t r;
 278
 279         r = *ptep;
 280         PT_SET_VA_MA(ptep, v, TRUE);
 281         return (r);
 282 }
 283
 284 #define pte_load_clear(ptep)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 285
 286 #define pte_store(ptep, pte)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)pte)
 287 #define pte_store_ma(ptep, pte) pte_load_store_ma((ptep), (pt_entry_t)pte)
 288 #define pde_store_ma(ptep, pte) pte_load_store_ma((ptep), (pt_entry_t)pte)
 289
 290 #elif !defined(XEN)
 291
 292 /*
 293  * KPTmap is a linear mapping of the kernel page table.  It differs from the
 294  * recursive mapping in two ways: (1) it only provides access to kernel page
 295  * table pages, and not user page table pages, and (2) it provides access to
 296  * a kernel page table page after the corresponding virtual addresses have
 297  * been promoted to a 2/4MB page mapping.
 298  *
 299  * KPTmap is first initialized by locore to support just NPKT page table
 300  * pages.  Later, it is reinitialized by pmap_bootstrap() to allow for
 301  * expansion of the kernel page table.
 302  */
 303 extern pt_entry_t *KPTmap;
 304
 305 /*
 306  * Extract from the kernel page table the physical address that is mapped by
 307  * the given virtual address "va".
 308  *
 309  * This function may be used before pmap_bootstrap() is called.
 310  */
 311 static __inline vm_paddr_t
 312 pmap_kextract(vm_offset_t va)
 313 {
 314         vm_paddr_t pa;
 315
 316         if ((pa = PTD[va >> PDRSHIFT]) & PG_PS) {
 317                 pa = (pa & PG_PS_FRAME) | (va & PDRMASK);
 318         } else {
 319                 /*
 320                  * Beware of a concurrent promotion that changes the PDE at
 321                  * this point!  For example, vtopte() must not be used to
 322                  * access the PTE because it would use the new PDE.  It is,
 323                  * however, safe to use the old PDE because the page table
 324                  * page is preserved by the promotion.
 325                  */
 326                 pa = KPTmap[i386_btop(va)];
 327                 pa = (pa & PG_FRAME) | (va & PAGE_MASK);
 328         }
 329         return (pa);
 330 }
 331 #endif
 332
 333 #if !defined(XEN)
 334 #define PT_UPDATES_FLUSH()
 335 #endif
 336
 337 #if (defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)) && !defined(XEN)
 338
 339 #define pde_cmpset(pdep, old, new)      atomic_cmpset_64_i586(pdep, old, new)
 340 #define pte_load_store(ptep, pte)       atomic_swap_64_i586(ptep, pte)
 341 #define pte_load_clear(ptep)            atomic_swap_64_i586(ptep, 0)
 342 #define pte_store(ptep, pte)            atomic_store_rel_64_i586(ptep, pte)
 343
 344 extern pt_entry_t pg_nx;
 345
 346 #elif !defined(PAE) && !defined(PAE_TABLES) && !defined(XEN)
 347
 348 #define pde_cmpset(pdep, old, new)      atomic_cmpset_int(pdep, old, new)
 349 #define pte_load_store(ptep, pte)       atomic_swap_int(ptep, pte)
 350 #define pte_load_clear(ptep)            atomic_swap_int(ptep, 0)
 351 #define pte_store(ptep, pte) do { \
 352         *(u_int *)(ptep) = (u_int)(pte); \
 353 } while (0)
 354
 355 #endif /* PAE */
 356
 357 #define pte_clear(ptep)                 pte_store(ptep, 0)
 358
 359 #define pde_store(pdep, pde)            pte_store(pdep, pde)
 360
 361 #endif /* _KERNEL */
 362
 363 /*
 364  * Pmap stuff
 365  */
 366 struct  pv_entry;
 367 struct  pv_chunk;
 368
 369 struct md_page {
 370         TAILQ_HEAD(,pv_entry)   pv_list;
 371         int                     pat_mode;
 372 };
 373
 374 struct pmap {
 375         struct mtx              pm_mtx;
 376         pd_entry_t              *pm_pdir;       /* KVA of page directory */
 377         TAILQ_HEAD(,pv_chunk)   pm_pvchunk;     /* list of mappings in pmap */
 378         cpuset_t                pm_active;      /* active on cpus */
 379         struct pmap_statistics  pm_stats;       /* pmap statistics */
 380         LIST_ENTRY(pmap)        pm_list;        /* List of all pmaps */
 381 #if defined(PAE) || defined(PAE_TABLES)
 382         pdpt_entry_t            *pm_pdpt;       /* KVA of page directory pointer
 383                                                    table */
 384 #endif
 385         struct vm_radix         pm_root;        /* spare page table pages */
 386 };
 387
 388 typedef struct pmap     *pmap_t;
 389
 390 #ifdef _KERNEL
 391 extern struct pmap      kernel_pmap_store;
 392 #define kernel_pmap     (&kernel_pmap_store)
 393
 394 #define PMAP_LOCK(pmap)         mtx_lock(&(pmap)->pm_mtx)
 395 #define PMAP_LOCK_ASSERT(pmap, type) \
 396                                 mtx_assert(&(pmap)->pm_mtx, (type))
 397 #define PMAP_LOCK_DESTROY(pmap) mtx_destroy(&(pmap)->pm_mtx)
 398 #define PMAP_LOCK_INIT(pmap)    mtx_init(&(pmap)->pm_mtx, "pmap", \
 399                                     NULL, MTX_DEF | MTX_DUPOK)
 400 #define PMAP_LOCKED(pmap)       mtx_owned(&(pmap)->pm_mtx)
 401 #define PMAP_MTX(pmap)          (&(pmap)->pm_mtx)
 402 #define PMAP_TRYLOCK(pmap)      mtx_trylock(&(pmap)->pm_mtx)
 403 #define PMAP_UNLOCK(pmap)       mtx_unlock(&(pmap)->pm_mtx)
 404 #endif
 405
 406 /*
 407  * For each vm_page_t, there is a list of all currently valid virtual
 408  * mappings of that page.  An entry is a pv_entry_t, the list is pv_list.
 409  */
 410 typedef struct pv_entry {
 411         vm_offset_t     pv_va;          /* virtual address for mapping */
 412         TAILQ_ENTRY(pv_entry)   pv_next;
 413 } *pv_entry_t;
 414
 415 /*
 416  * pv_entries are allocated in chunks per-process.  This avoids the
 417  * need to track per-pmap assignments.
 418  */
 419 #define _NPCM   11
 420 #define _NPCPV  336
 421 struct pv_chunk {
 422         pmap_t                  pc_pmap;
 423         TAILQ_ENTRY(pv_chunk)   pc_list;
 424         uint32_t                pc_map[_NPCM];  /* bitmap; 1 = free */
 425         TAILQ_ENTRY(pv_chunk)   pc_lru;
 426         struct pv_entry         pc_pventry[_NPCPV];
 427 };
 428
 429 #ifdef  _KERNEL
 430
 431 extern caddr_t  CADDR3;
 432 extern pt_entry_t *CMAP3;
 433 extern vm_paddr_t phys_avail[];
 434 extern vm_paddr_t dump_avail[];
 435 extern int pseflag;
 436 extern int pgeflag;
 437 extern char *ptvmmap;           /* poor name! */
 438 extern vm_offset_t virtual_avail;
 439 extern vm_offset_t virtual_end;
 440
 441 #define pmap_page_get_memattr(m)        ((vm_memattr_t)(m)->md.pat_mode)
 442 #define pmap_page_is_write_mapped(m)    (((m)->aflags & PGA_WRITEABLE) != 0)
 443 #define pmap_unmapbios(va, sz)  pmap_unmapdev((va), (sz))
 444
 445 /*
 446  * Only the following functions or macros may be used before pmap_bootstrap()
 447  * is called: pmap_kenter(), pmap_kextract(), pmap_kremove(), vtophys(), and
 448  * vtopte().
 449  */
 450 void    pmap_bootstrap(vm_paddr_t);
 451 int     pmap_cache_bits(int mode, boolean_t is_pde);
 452 int     pmap_change_attr(vm_offset_t, vm_size_t, int);
 453 void    pmap_init_pat(void);
 454 void    pmap_kenter(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 455 void    *pmap_kenter_temporary(vm_paddr_t pa, int i);
 456 void    pmap_kremove(vm_offset_t);
 457 void    *pmap_mapbios(vm_paddr_t, vm_size_t);
 458 void    *pmap_mapdev(vm_paddr_t, vm_size_t);
 459 void    *pmap_mapdev_attr(vm_paddr_t, vm_size_t, int);
 460 boolean_t pmap_page_is_mapped(vm_page_t m);
 461 void    pmap_page_set_memattr(vm_page_t m, vm_memattr_t ma);
 462 void    pmap_unmapdev(vm_offset_t, vm_size_t);
 463 pt_entry_t *pmap_pte(pmap_t, vm_offset_t) __pure2;
 464 void    pmap_invalidate_page(pmap_t, vm_offset_t);
 465 void    pmap_invalidate_range(pmap_t, vm_offset_t, vm_offset_t);
 466 void    pmap_invalidate_all(pmap_t);
 467 void    pmap_invalidate_cache(void);
 468 void    pmap_invalidate_cache_pages(vm_page_t *pages, int count);
 469 void    pmap_invalidate_cache_range(vm_offset_t sva, vm_offset_t eva,
 470             boolean_t force);
 471
 472 #endif /* _KERNEL */
 473
 474 #endif /* !LOCORE */
 475
 476 #endif /* !_MACHINE_PMAP_H_ */