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  * Translate a virtual address to the kernel virtual address of its page table
 195  * entry (PTE).  This can be used recursively.  If the address of a PTE as
 196  * previously returned by this macro is itself given as the argument, then the
 197  * address of the page directory entry (PDE) that maps the PTE will be
 198  * returned.
 199  *
 200  * This macro may be used before pmap_bootstrap() is called.
 201  */
 202 #define vtopte(va)      (PTmap + i386_btop(va))
 203
 204 /*
 205  * Translate a virtual address to its physical address.
 206  *
 207  * This macro may be used before pmap_bootstrap() is called.
 208  */
 209 #define vtophys(va)     pmap_kextract((vm_offset_t)(va))
 210
 211 #ifdef XEN
 212 #include <sys/param.h>
 213 #include <machine/xen/xen-os.h>
 214 #include <machine/xen/xenvar.h>
 215 #include <machine/xen/xenpmap.h>
 216
 217 extern pt_entry_t pg_nx;
 218
 219 #define PG_KERNEL  (PG_V | PG_A | PG_RW | PG_M)
 220
 221 #define MACH_TO_VM_PAGE(ma) PHYS_TO_VM_PAGE(xpmap_mtop((ma)))
 222 #define VM_PAGE_TO_MACH(m) xpmap_ptom(VM_PAGE_TO_PHYS((m)))
 223
 224 static __inline vm_paddr_t
 225 pmap_kextract_ma(vm_offset_t va)
 226 {
 227         vm_paddr_t ma;
 228         if ((ma = PTD[va >> PDRSHIFT]) & PG_PS) {
 229                 ma = (ma & ~(NBPDR - 1)) | (va & (NBPDR - 1));
 230         } else {
 231                 ma = (*vtopte(va) & PG_FRAME) | (va & PAGE_MASK);
 232         }
 233         return ma;
 234 }
 235
 236 static __inline vm_paddr_t
 237 pmap_kextract(vm_offset_t va)
 238 {
 239         return xpmap_mtop(pmap_kextract_ma(va));
 240 }
 241 #define vtomach(va)     pmap_kextract_ma(((vm_offset_t) (va)))
 242
 243 vm_paddr_t pmap_extract_ma(struct pmap *pmap, vm_offset_t va);
 244
 245 void    pmap_kenter_ma(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 246 void    pmap_map_readonly(struct pmap *pmap, vm_offset_t va, int len);
 247 void    pmap_map_readwrite(struct pmap *pmap, vm_offset_t va, int len);
 248
 249 static __inline pt_entry_t
 250 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 251 {
 252         pt_entry_t r;
 253
 254         r = *ptep;
 255         PT_SET_VA(ptep, v, TRUE);
 256         return (r);
 257 }
 258
 259 static __inline pt_entry_t
 260 pte_load_store_ma(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 261 {
 262         pt_entry_t r;
 263
 264         r = *ptep;
 265         PT_SET_VA_MA(ptep, v, TRUE);
 266         return (r);
 267 }
 268
 269 #define pte_load_clear(ptep)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 270
 271 #define pte_store(ptep, pte)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)pte)
 272 #define pte_store_ma(ptep, pte) pte_load_store_ma((ptep), (pt_entry_t)pte)
 273 #define pde_store_ma(ptep, pte) pte_load_store_ma((ptep), (pt_entry_t)pte)
 274
 275 #elif !defined(XEN)
 276
 277 /*
 278  * KPTmap is a linear mapping of the kernel page table.  It differs from the
 279  * recursive mapping in two ways: (1) it only provides access to kernel page
 280  * table pages, and not user page table pages, and (2) it provides access to
 281  * a kernel page table page after the corresponding virtual addresses have
 282  * been promoted to a 2/4MB page mapping.
 283  *
 284  * KPTmap is first initialized by locore to support just NPKT page table
 285  * pages.  Later, it is reinitialized by pmap_bootstrap() to allow for
 286  * expansion of the kernel page table.
 287  */
 288 extern pt_entry_t *KPTmap;
 289
 290 /*
 291  * Extract from the kernel page table the physical address that is mapped by
 292  * the given virtual address "va".
 293  *
 294  * This function may be used before pmap_bootstrap() is called.
 295  */
 296 static __inline vm_paddr_t
 297 pmap_kextract(vm_offset_t va)
 298 {
 299         vm_paddr_t pa;
 300
 301         if ((pa = PTD[va >> PDRSHIFT]) & PG_PS) {
 302                 pa = (pa & PG_PS_FRAME) | (va & PDRMASK);
 303         } else {
 304                 /*
 305                  * Beware of a concurrent promotion that changes the PDE at
 306                  * this point!  For example, vtopte() must not be used to
 307                  * access the PTE because it would use the new PDE.  It is,
 308                  * however, safe to use the old PDE because the page table
 309                  * page is preserved by the promotion.
 310                  */
 311                 pa = KPTmap[i386_btop(va)];
 312                 pa = (pa & PG_FRAME) | (va & PAGE_MASK);
 313         }
 314         return (pa);
 315 }
 316
 317 #define PT_UPDATES_FLUSH()
 318 #endif
 319
 320 #if defined(PAE) && !defined(XEN)
 321
 322 #define pde_cmpset(pdep, old, new) \
 323                                 atomic_cmpset_64((pdep), (old), (new))
 324
 325 static __inline pt_entry_t
 326 pte_load(pt_entry_t *ptep)
 327 {
 328         pt_entry_t r;
 329
 330         __asm __volatile(
 331             "lock; cmpxchg8b %1"
 332             : "=A" (r)
 333             : "m" (*ptep), "a" (0), "d" (0), "b" (0), "c" (0));
 334         return (r);
 335 }
 336
 337 static __inline pt_entry_t
 338 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t v)
 339 {
 340         pt_entry_t r;
 341
 342         r = *ptep;
 343         __asm __volatile(
 344             "1:\n"
 345             "\tlock; cmpxchg8b %1\n"
 346             "\tjnz 1b"
 347             : "+A" (r)
 348             : "m" (*ptep), "b" ((uint32_t)v), "c" ((uint32_t)(v >> 32)));
 349         return (r);
 350 }
 351
 352 /* XXXRU move to atomic.h? */
 353 static __inline int
 354 atomic_cmpset_64(volatile uint64_t *dst, uint64_t exp, uint64_t src)
 355 {
 356         int64_t res = exp;
 357
 358         __asm __volatile (
 359         "       lock ;                  "
 360         "       cmpxchg8b %2 ;          "
 361         "       setz    %%al ;          "
 362         "       movzbl  %%al,%0 ;       "
 363         "# atomic_cmpset_64"
 364         : "+A" (res),                   /* 0 (result) */
 365           "=m" (*dst)                   /* 1 */
 366         : "m" (*dst),                   /* 2 */
 367           "b" ((uint32_t)src),
 368           "c" ((uint32_t)(src >> 32)));
 369
 370         return (res);
 371 }
 372
 373 #define pte_load_clear(ptep)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 374
 375 #define pte_store(ptep, pte)    pte_load_store((ptep), (pt_entry_t)pte)
 376
 377 extern pt_entry_t pg_nx;
 378
 379 #elif !defined(PAE) && !defined (XEN)
 380
 381 #define pde_cmpset(pdep, old, new) \
 382                                 atomic_cmpset_int((pdep), (old), (new))
 383
 384 static __inline pt_entry_t
 385 pte_load(pt_entry_t *ptep)
 386 {
 387         pt_entry_t r;
 388
 389         r = *ptep;
 390         return (r);
 391 }
 392
 393 static __inline pt_entry_t
 394 pte_load_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t pte)
 395 {
 396         __asm volatile("xchgl %0, %1" : "+m" (*ptep), "+r" (pte));
 397         return (pte);
 398 }
 399
 400 #define pte_load_clear(pte)     atomic_readandclear_int(pte)
 401
 402 static __inline void
 403 pte_store(pt_entry_t *ptep, pt_entry_t pte)
 404 {
 405
 406         *ptep = pte;
 407 }
 408
 409 #endif /* PAE */
 410
 411 #define pte_clear(ptep)         pte_store((ptep), (pt_entry_t)0ULL)
 412
 413 #define pde_store(pdep, pde)    pte_store((pdep), (pde))
 414
 415 #endif /* _KERNEL */
 416
 417 /*
 418  * Pmap stuff
 419  */
 420 struct  pv_entry;
 421 struct  pv_chunk;
 422
 423 struct md_page {
 424         TAILQ_HEAD(,pv_entry)   pv_list;
 425         int                     pat_mode;
 426 };
 427
 428 struct pmap {
 429         struct mtx              pm_mtx;
 430         pd_entry_t              *pm_pdir;       /* KVA of page directory */
 431         TAILQ_HEAD(,pv_chunk)   pm_pvchunk;     /* list of mappings in pmap */
 432         cpumask_t               pm_active;      /* active on cpus */
 433         struct pmap_statistics  pm_stats;       /* pmap statistics */
 434         LIST_ENTRY(pmap)        pm_list;        /* List of all pmaps */
 435 #ifdef PAE
 436         pdpt_entry_t            *pm_pdpt;       /* KVA of page director pointer
 437                                                    table */
 438 #endif
 439         vm_page_t               pm_root;        /* spare page table pages */
 440 };
 441
 442 typedef struct pmap     *pmap_t;
 443
 444 #ifdef _KERNEL
 445 extern struct pmap      kernel_pmap_store;
 446 #define kernel_pmap     (&kernel_pmap_store)
 447
 448 #define PMAP_LOCK(pmap)         mtx_lock(&(pmap)->pm_mtx)
 449 #define PMAP_LOCK_ASSERT(pmap, type) \
 450                                 mtx_assert(&(pmap)->pm_mtx, (type))
 451 #define PMAP_LOCK_DESTROY(pmap) mtx_destroy(&(pmap)->pm_mtx)
 452 #define PMAP_LOCK_INIT(pmap)    mtx_init(&(pmap)->pm_mtx, "pmap", \
 453                                     NULL, MTX_DEF | MTX_DUPOK)
 454 #define PMAP_LOCKED(pmap)       mtx_owned(&(pmap)->pm_mtx)
 455 #define PMAP_MTX(pmap)          (&(pmap)->pm_mtx)
 456 #define PMAP_TRYLOCK(pmap)      mtx_trylock(&(pmap)->pm_mtx)
 457 #define PMAP_UNLOCK(pmap)       mtx_unlock(&(pmap)->pm_mtx)
 458 #endif
 459
 460 /*
 461  * For each vm_page_t, there is a list of all currently valid virtual
 462  * mappings of that page.  An entry is a pv_entry_t, the list is pv_list.
 463  */
 464 typedef struct pv_entry {
 465         vm_offset_t     pv_va;          /* virtual address for mapping */
 466         TAILQ_ENTRY(pv_entry)   pv_list;
 467 } *pv_entry_t;
 468
 469 /*
 470  * pv_entries are allocated in chunks per-process.  This avoids the
 471  * need to track per-pmap assignments.
 472  */
 473 #define _NPCM   11
 474 #define _NPCPV  336
 475 struct pv_chunk {
 476         pmap_t                  pc_pmap;
 477         TAILQ_ENTRY(pv_chunk)   pc_list;
 478         uint32_t                pc_map[_NPCM];  /* bitmap; 1 = free */
 479         uint32_t                pc_spare[2];
 480         struct pv_entry         pc_pventry[_NPCPV];
 481 };
 482
 483 #ifdef  _KERNEL
 484
 485 extern caddr_t  CADDR1;
 486 extern pt_entry_t *CMAP1;
 487 extern vm_paddr_t phys_avail[];
 488 extern vm_paddr_t dump_avail[];
 489 extern int pseflag;
 490 extern int pgeflag;
 491 extern char *ptvmmap;           /* poor name! */
 492 extern vm_offset_t virtual_avail;
 493 extern vm_offset_t virtual_end;
 494
 495 #define pmap_page_get_memattr(m)        ((vm_memattr_t)(m)->md.pat_mode)
 496 #define pmap_unmapbios(va, sz)  pmap_unmapdev((va), (sz))
 497
 498 /*
 499  * Only the following functions or macros may be used before pmap_bootstrap()
 500  * is called: pmap_kenter(), pmap_kextract(), pmap_kremove(), vtophys(), and
 501  * vtopte().
 502  */
 503 void    pmap_bootstrap(vm_paddr_t);
 504 int     pmap_cache_bits(int mode, boolean_t is_pde);
 505 int     pmap_change_attr(vm_offset_t, vm_size_t, int);
 506 void    pmap_init_pat(void);
 507 void    pmap_kenter(vm_offset_t va, vm_paddr_t pa);
 508 void    *pmap_kenter_temporary(vm_paddr_t pa, int i);
 509 void    pmap_kremove(vm_offset_t);
 510 void    *pmap_mapbios(vm_paddr_t, vm_size_t);
 511 void    *pmap_mapdev(vm_paddr_t, vm_size_t);
 512 void    *pmap_mapdev_attr(vm_paddr_t, vm_size_t, int);
 513 boolean_t pmap_page_is_mapped(vm_page_t m);
 514 void    pmap_page_set_memattr(vm_page_t m, vm_memattr_t ma);
 515 void    pmap_unmapdev(vm_offset_t, vm_size_t);
 516 pt_entry_t *pmap_pte(pmap_t, vm_offset_t) __pure2;
 517 void    pmap_set_pg(void);
 518 void    pmap_invalidate_page(pmap_t, vm_offset_t);
 519 void    pmap_invalidate_range(pmap_t, vm_offset_t, vm_offset_t);
 520 void    pmap_invalidate_all(pmap_t);
 521 void    pmap_invalidate_cache(void);
 522 void    pmap_invalidate_cache_range(vm_offset_t, vm_offset_t);
 523
 524 #endif /* _KERNEL */
 525
 526 #endif /* !LOCORE */
 527
 528 #endif /* !_MACHINE_PMAP_H_ */