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 #ifdef PAE
  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 #ifdef PAE
  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 #ifdef PAE
 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 /* Initial number of kernel page tables. */
 126 #ifndef NKPT
 127 #ifdef PAE
 128 /* 152 page tables needed to map 16G (76B "struct vm_page", 2M page tables). */
 129 #define NKPT            240
 130 #else
 131 /* 18 page tables needed to map 4G (72B "struct vm_page", 4M page tables). */
 132 #define NKPT            30
 133 #endif
 134 #endif
 135
 136 #ifndef NKPDE
 137 #define NKPDE   (KVA_PAGES)     /* number of page tables/pde's */
 138 #endif
 139
 140 /*
 141  * The *PTDI values control the layout of virtual memory
 142  *
 143  * XXX This works for now, but I am not real happy with it, I'll fix it
 144  * right after I fix locore.s and the magic 28K hole
 145  */
 146 #define KPTDI           (NPDEPTD-NKPDE) /* start of kernel virtual pde's */
 147 #define PTDPTDI         (KPTDI-NPGPTD)  /* ptd entry that points to ptd! */
 148
 149 /*
 150  * XXX doesn't really belong here I guess...
 151  */
 152 #define ISA_HOLE_START    0xa0000
 153 #define ISA_HOLE_LENGTH (0x100000-ISA_HOLE_START)
 154
 155 #ifndef LOCORE
 156
 157 #include <sys/queue.h>
 158 #include <sys/_lock.h>
 159 #include <sys/_mutex.h>
 160
 161 #ifdef PAE
 162
 163 typedef uint64_t pdpt_entry_t;
 164 typedef uint64_t pd_entry_t;
 165 typedef uint64_t pt_entry_t;
 166
 167 #define PTESHIFT        (3)
 168 #define PDESHIFT        (3)
 169
 170 #else
 171
 172 typedef uint32_t pd_entry_t;
 173 typedef uint32_t pt_entry_t;
 174
 175 #define PTESHIFT        (2)
 176 #define PDESHIFT        (2)
 177
 178 #endif
 179
 180 /*
 181  * Address of current address space page table maps and directories.
 182  */
 183 #ifdef _KERNEL
 184 extern pt_entry_t PTmap[];
 185 extern pd_entry_t PTD[];
 186 extern pd_entry_t PTDpde[];
 187
 188 #ifdef PAE
 189 extern pdpt_entry_t *IdlePDPT;
 190 #endif
 191 extern pd_entry_t *IdlePTD;     /* physical address of "Idle" state directory */
 192
 193 /*
 194  * virtual address to page table entry and
 195  * to physical address.
 196  * Note: these work recursively, thus vtopte of a pte will give
 197  * the corresponding pde that in turn maps it.
 198  */
 199 #define vtopte(va)      (PTmap + i386_btop(va))
 200 #define vtophys(va)     pmap_kextract((vm_offset_t)(va))
 201
 202 #ifdef XEN
 203 #include <sys/param.h>
 204 #include <machine/xen/xen-os.h>
 205 #include <machine/xen/xenvar.h>
 206 #include <machine/xen/xenpmap.h>
 207
 208 extern pt_entry_t pg_nx;
 209
 210 #define PG_KERNEL  (PG_V | PG_A | PG_RW | PG_M)
 211
 212 #define MACH_TO_VM_PAGE(ma) PHYS_TO_VM_PAGE(xpmap_mtop((ma)))
 213 #define VM_PAGE_TO_MACH(m) xpmap_ptom(VM_PAGE_TO_PHYS((m)))
 214
 215 static __inline vm_paddr_t
 216 pmap_kextract_ma(vm_offset_t va)
 217 {
 218         vm_paddr_t ma;
 219         if ((ma = PTD[va >> PDRSHIFT]) & PG_PS) {
 220                 ma = (ma & ~(NBPDR - 1)) | (va & (NBPDR - 1));
 221         } else {
 222                 ma = (*vtopte(va) & PG_FRAME) | (va & PAGE_MASK);
 223         }
 224         return ma;
 225 }
 226
 227 static __inline vm_paddr_t
 228 pmap_kextract(vm_offset_t va)
 229 {
 230         return xpmap_mtop(pmap_kextract_ma(va));
 231 }
 232 #define vtomach(va)     pmap_kextract_ma(((vm_offset_t) (va)))
 233
 234 vm_paddr_t pmap_extract_ma(struct pmap *pmap, vm_offset_t va);
 235
 236 void    pmap_kenter_ma(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 237 void    pmap_map_readonly(struct pmap *pmap, vm_offset_t va, int len);
 238 void    pmap_map_readwrite(struct pmap *pmap, vm_offset_t va, int len);
 239
 240 static __inline pt_entry_t
 241 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 242 {
 243         pt_entry_t r;
 244
 245         v = xpmap_ptom(v);
 246         r = *ptep;
 247         PT_SET_VA(ptep, v, TRUE);
 248         return (r);
 249 }
 250
 251 static __inline pt_entry_t
 252 pte_load_store_ma(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 253 {
 254         pt_entry_t r;
 255
 256         r = *ptep;
 257         PT_SET_VA_MA(ptep, v, TRUE);
 258         return (r);
 259 }
 260
 261 #define pte_load_clear(ptep)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 262
 263 #define pte_store(ptep, pte)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)pte)
 264 #define pte_store_ma(ptep, pte) pte_load_store_ma((ptep), (pt_entry_t)pte)
 265 #define pde_store_ma(ptep, pte) pte_load_store_ma((ptep), (pt_entry_t)pte)
 266
 267 #elif !defined(XEN)
 268
 269 /*
 270  * KPTmap is a linear mapping of the kernel page table.  It differs from the
 271  * recursive mapping in two ways: (1) it only provides access to kernel page
 272  * table pages, and not user page table pages, and (2) it provides access to
 273  * a kernel page table page after the corresponding virtual addresses have
 274  * been promoted to a 2/4MB page mapping.
 275  */
 276 extern pt_entry_t *KPTmap;
 277
 278 /*
 279  *      Routine:        pmap_kextract
 280  *      Function:
 281  *              Extract the physical page address associated
 282  *              kernel virtual address.
 283  */
 284 static __inline vm_paddr_t
 285 pmap_kextract(vm_offset_t va)
 286 {
 287         vm_paddr_t pa;
 288
 289         if ((pa = PTD[va >> PDRSHIFT]) & PG_PS) {
 290                 pa = (pa & PG_PS_FRAME) | (va & PDRMASK);
 291         } else {
 292                 /*
 293                  * Beware of a concurrent promotion that changes the PDE at
 294                  * this point!  For example, vtopte() must not be used to
 295                  * access the PTE because it would use the new PDE.  It is,
 296                  * however, safe to use the old PDE because the page table
 297                  * page is preserved by the promotion.
 298                  */
 299                 pa = KPTmap[i386_btop(va)];
 300                 pa = (pa & PG_FRAME) | (va & PAGE_MASK);
 301         }
 302         return (pa);
 303 }
 304
 305 #define PT_UPDATES_FLUSH()
 306 #endif
 307
 308 #if defined(PAE) && !defined(XEN)
 309
 310 #define pde_cmpset(pdep, old, new) \
 311                                 atomic_cmpset_64((pdep), (old), (new))
 312
 313 static __inline pt_entry_t
 314 pte_load(pt_entry_t *ptep)
 315 {
 316         pt_entry_t r;
 317
 318         __asm __volatile(
 319             "lock; cmpxchg8b %1"
 320             : "=A" (r)
 321             : "m" (*ptep), "a" (0), "d" (0), "b" (0), "c" (0));
 322         return (r);
 323 }
 324
 325 static __inline pt_entry_t
 326 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 327 {
 328         pt_entry_t r;
 329
 330         r = *ptep;
 331         __asm __volatile(
 332             "1:\n"
 333             "\tlock; cmpxchg8b %1\n"
 334             "\tjnz 1b"
 335             : "+A" (r)
 336             : "m" (*ptep), "b" ((uint32_t)v), "c" ((uint32_t)(v >> 32)));
 337         return (r);
 338 }
 339
 340 /* XXXRU move to atomic.h? */
 341 static __inline int
 342 atomic_cmpset_64(volatile uint64_t *dst, uint64_t exp, uint64_t src)
 343 {
 344         int64_t res = exp;
 345
 346         __asm __volatile (
 347         "       lock ;                  "
 348         "       cmpxchg8b %2 ;          "
 349         "       setz    %%al ;          "
 350         "       movzbl  %%al,%0 ;       "
 351         "# atomic_cmpset_64"
 352         : "+A" (res),                   /* 0 (result) */
 353           "=m" (*dst)                   /* 1 */
 354         : "m" (*dst),                   /* 2 */
 355           "b" ((uint32_t)src),
 356           "c" ((uint32_t)(src >> 32)));
 357
 358         return (res);
 359 }
 360
 361 #define pte_load_clear(ptep)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 362
 363 #define pte_store(ptep, pte)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)pte)
 364
 365 extern pt_entry_t pg_nx;
 366
 367 #elif !defined(PAE) && !defined (XEN)
 368
 369 #define pde_cmpset(pdep, old, new) \
 370                                 atomic_cmpset_int((pdep), (old), (new))
 371
 372 static __inline pt_entry_t
 373 pte_load(pt_entry_t *ptep)
 374 {
 375         pt_entry_t r;
 376
 377         r = *ptep;
 378         return (r);
 379 }
 380
 381 static __inline pt_entry_t
 382 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t pte)
 383 {
 384         __asm volatile("xchgl %0, %1" : "+m" (*ptep), "+r" (pte));
 385         return (pte);
 386 }
 387
 388 #define pte_load_clear(pte)     atomic_readandclear_int(pte)
 389
 390 static __inline void
 391 pte_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t pte)
 392 {
 393
 394         *ptep = pte;
 395 }
 396
 397 #endif /* PAE */
 398
 399 #define pte_clear(ptep)         pte_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 400
 401 #define pde_store(pdep, pde)    pte_store((pdep), (pde))
 402
 403 #endif /* _KERNEL */
 404
 405 /*
 406  * Pmap stuff
 407  */
 408 struct  pv_entry;
 409 struct  pv_chunk;
 410
 411 struct md_page {
 412         TAILQ_HEAD(,pv_entry)   pv_list;
 413         int                     pat_mode;
 414 };
 415
 416 struct pmap {
 417         struct mtx              pm_mtx;
 418         pd_entry_t              *pm_pdir;       /* KVA of page directory */
 419         TAILQ_HEAD(,pv_chunk)   pm_pvchunk;     /* list of mappings in pmap */
 420         u_int                   pm_active;      /* active on cpus */
 421         struct pmap_statistics  pm_stats;       /* pmap statistics */
 422         LIST_ENTRY(pmap)        pm_list;        /* List of all pmaps */
 423 #ifdef PAE
 424         pdpt_entry_t            *pm_pdpt;       /* KVA of page director pointer
 425                                                    table */
 426 #endif
 427         vm_page_t               pm_root;        /* spare page table pages */
 428 };
 429
 430 typedef struct pmap     *pmap_t;
 431
 432 #ifdef _KERNEL
 433 extern struct pmap      kernel_pmap_store;
 434 #define kernel_pmap     (&kernel_pmap_store)
 435
 436 #define PMAP_LOCK(pmap)         mtx_lock(&(pmap)->pm_mtx)
 437 #define PMAP_LOCK_ASSERT(pmap, type) \
 438                                 mtx_assert(&(pmap)->pm_mtx, (type))
 439 #define PMAP_LOCK_DESTROY(pmap) mtx_destroy(&(pmap)->pm_mtx)
 440 #define PMAP_LOCK_INIT(pmap)    mtx_init(&(pmap)->pm_mtx, "pmap", \
 441                                     NULL, MTX_DEF | MTX_DUPOK)
 442 #define PMAP_LOCKED(pmap)       mtx_owned(&(pmap)->pm_mtx)
 443 #define PMAP_MTX(pmap)          (&(pmap)->pm_mtx)
 444 #define PMAP_TRYLOCK(pmap)      mtx_trylock(&(pmap)->pm_mtx)
 445 #define PMAP_UNLOCK(pmap)       mtx_unlock(&(pmap)->pm_mtx)
 446 #endif
 447
 448 /*
 449  * For each vm_page_t, there is a list of all currently valid virtual
 450  * mappings of that page.  An entry is a pv_entry_t, the list is pv_list.
 451  */
 452 typedef struct pv_entry {
 453         vm_offset_t     pv_va;          /* virtual address for mapping */
 454         TAILQ_ENTRY(pv_entry)   pv_list;
 455 } *pv_entry_t;
 456
 457 /*
 458  * pv_entries are allocated in chunks per-process.  This avoids the
 459  * need to track per-pmap assignments.
 460  */
 461 #define _NPCM   11
 462 #define _NPCPV  336
 463 struct pv_chunk {
 464         pmap_t                  pc_pmap;
 465         TAILQ_ENTRY(pv_chunk)   pc_list;
 466         uint32_t                pc_map[_NPCM];  /* bitmap; 1 = free */
 467         uint32_t                pc_spare[2];
 468         struct pv_entry         pc_pventry[_NPCPV];
 469 };
 470
 471 #ifdef  _KERNEL
 472
 473 extern caddr_t  CADDR1;
 474 extern pt_entry_t *CMAP1;
 475 extern vm_paddr_t phys_avail[];
 476 extern vm_paddr_t dump_avail[];
 477 extern int pseflag;
 478 extern int pgeflag;
 479 extern char *ptvmmap;           /* poor name! */
 480 extern vm_offset_t virtual_avail;
 481 extern vm_offset_t virtual_end;
 482
 483 #define pmap_page_get_memattr(m)        ((vm_memattr_t)(m)->md.pat_mode)
 484 #define pmap_unmapbios(va, sz)  pmap_unmapdev((va), (sz))
 485
 486 void    pmap_bootstrap(vm_paddr_t);
 487 int     pmap_cache_bits(int mode, boolean_t is_pde);
 488 int     pmap_change_attr(vm_offset_t, vm_size_t, int);
 489 void    pmap_init_pat(void);
 490 void    pmap_kenter(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 491 void    *pmap_kenter_temporary(vm_paddr_t pa, int i);
 492 void    pmap_kremove(vm_offset_t);
 493 void    *pmap_mapbios(vm_paddr_t, vm_size_t);
 494 void    *pmap_mapdev(vm_paddr_t, vm_size_t);
 495 void    *pmap_mapdev_attr(vm_paddr_t, vm_size_t, int);
 496 boolean_t pmap_page_is_mapped(vm_page_t m);
 497 void    pmap_page_set_memattr(vm_page_t m, vm_memattr_t ma);
 498 void    pmap_unmapdev(vm_offset_t, vm_size_t);
 499 pt_entry_t *pmap_pte(pmap_t, vm_offset_t) __pure2;
 500 void    pmap_set_pg(void);
 501 void    pmap_invalidate_page(pmap_t, vm_offset_t);
 502 void    pmap_invalidate_range(pmap_t, vm_offset_t, vm_offset_t);
 503 void    pmap_invalidate_all(pmap_t);
 504 void    pmap_invalidate_cache(void);
 505 void    pmap_invalidate_cache_range(vm_offset_t, vm_offset_t);
 506
 507 #endif /* _KERNEL */
 508
 509 #endif /* !LOCORE */
 510
 511 #endif /* !_MACHINE_PMAP_H_ */