kernel/arch/powerpc/mm/mmu_context_nohash.c

   1 /*
   2  * This file contains the routines for handling the MMU on those
   3  * PowerPC implementations where the MMU is not using the hash
   4  * table, such as 8xx, 4xx, BookE's etc...
   5  *
   6  * Copyright 2008 Ben Herrenschmidt <benh@kernel.crashing.org>
   7  *                IBM Corp.
   8  *
   9  *  Derived from previous arch/powerpc/mm/mmu_context.c
  10  *  and arch/powerpc/include/asm/mmu_context.h
  11  *
  12  *  This program is free software; you can redistribute it and/or
  13  *  modify it under the terms of the GNU General Public License
  14  *  as published by the Free Software Foundation; either version
  15  *  2 of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * TODO:
  18  *
  19  *   - The global context lock will not scale very well
  20  *   - The maps should be dynamically allocated to allow for processors
  21  *     that support more PID bits at runtime
  22  *   - Implement flush_tlb_mm() by making the context stale and picking
  23  *     a new one
  24  *   - More aggressively clear stale map bits and maybe find some way to
  25  *     also clear mm->cpu_vm_mask bits when processes are migrated
  26  */
  27
  28 //#define DEBUG_MAP_CONSISTENCY
  29 //#define DEBUG_CLAMP_LAST_CONTEXT   31
  30 //#define DEBUG_HARDER
  31
  32 /* We don't use DEBUG because it tends to be compiled in always nowadays
  33  * and this would generate way too much output
  34  */
  35 #ifdef DEBUG_HARDER
  36 #define pr_hard(args...)        printk(KERN_DEBUG args)
  37 #define pr_hardcont(args...)    printk(KERN_CONT args)
  38 #else
  39 #define pr_hard(args...)        do { } while(0)
  40 #define pr_hardcont(args...)    do { } while(0)
  41 #endif
  42
  43 #include <linux/kernel.h>
  44 #include <linux/mm.h>
  45 #include <linux/init.h>
  46 #include <linux/spinlock.h>
  47 #include <linux/bootmem.h>
  48 #include <linux/notifier.h>
  49 #include <linux/cpu.h>
  50 #include <linux/slab.h>
  51
  52 #include <asm/mmu_context.h>
  53 #include <asm/tlbflush.h>
  54
  55 #include "mmu_decl.h"
  56
  57 static unsigned int first_context, last_context;
  58 static unsigned int next_context, nr_free_contexts;
  59 static unsigned long *context_map;
  60 static unsigned long *stale_map[NR_CPUS];
  61 static struct mm_struct **context_mm;
  62 static DEFINE_RAW_SPINLOCK(context_lock);
  63 static bool no_selective_tlbil;
  64
  65 #define CTX_MAP_SIZE    \
  66         (sizeof(unsigned long) * (last_context / BITS_PER_LONG + 1))
  67
  68
  69 /* Steal a context from a task that has one at the moment.
  70  *
  71  * This is used when we are running out of available PID numbers
  72  * on the processors.
  73  *
  74  * This isn't an LRU system, it just frees up each context in
  75  * turn (sort-of pseudo-random replacement :).  This would be the
  76  * place to implement an LRU scheme if anyone was motivated to do it.
  77  *  -- paulus
  78  *
  79  * For context stealing, we use a slightly different approach for
  80  * SMP and UP. Basically, the UP one is simpler and doesn't use
  81  * the stale map as we can just flush the local CPU
  82  *  -- benh
  83  */
  84 #ifdef CONFIG_SMP
  85 static unsigned int steal_context_smp(unsigned int id)
  86 {
  87         struct mm_struct *mm;
  88         unsigned int cpu, max, i;
  89
  90         max = last_context - first_context;
  91
  92         /* Attempt to free next_context first and then loop until we manage */
  93         while (max--) {
  94                 /* Pick up the victim mm */
  95                 mm = context_mm[id];
  96
  97                 /* We have a candidate victim, check if it's active, on SMP
  98                  * we cannot steal active contexts
  99                  */
 100                 if (mm->context.active) {
 101                         id++;
 102                         if (id > last_context)
 103                                 id = first_context;
 104                         continue;
 105                 }
 106                 pr_hardcont(" | steal %d from 0x%p", id, mm);
 107
 108                 /* Mark this mm has having no context anymore */
 109                 mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 110
 111                 /* Mark it stale on all CPUs that used this mm. For threaded
 112                  * implementations, we set it on all threads on each core
 113                  * represented in the mask. A future implementation will use
 114                  * a core map instead but this will do for now.
 115                  */
 116                 for_each_cpu(cpu, mm_cpumask(mm)) {
 117                         for (i = cpu_first_thread_sibling(cpu);
 118                              i <= cpu_last_thread_sibling(cpu); i++) {
 119                                 if (stale_map[i])
 120                                         __set_bit(id, stale_map[i]);
 121                         }
 122                         cpu = i - 1;
 123                 }
 124                 return id;
 125         }
 126
 127         /* This will happen if you have more CPUs than available contexts,
 128          * all we can do here is wait a bit and try again
 129          */
 130         raw_spin_unlock(&context_lock);
 131         cpu_relax();
 132         raw_spin_lock(&context_lock);
 133
 134         /* This will cause the caller to try again */
 135         return MMU_NO_CONTEXT;
 136 }
 137 #endif  /* CONFIG_SMP */
 138
 139 static unsigned int steal_all_contexts(void)
 140 {
 141         struct mm_struct *mm;
 142         int cpu = smp_processor_id();
 143         unsigned int id;
 144
 145         for (id = first_context; id <= last_context; id++) {
 146                 /* Pick up the victim mm */
 147                 mm = context_mm[id];
 148
 149                 pr_hardcont(" | steal %d from 0x%p", id, mm);
 150
 151                 /* Mark this mm as having no context anymore */
 152                 mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 153                 if (id != first_context) {
 154                         context_mm[id] = NULL;
 155                         __clear_bit(id, context_map);
 156 #ifdef DEBUG_MAP_CONSISTENCY
 157                         mm->context.active = 0;
 158 #endif
 159                 }
 160                 __clear_bit(id, stale_map[cpu]);
 161         }
 162
 163         /* Flush the TLB for all contexts (not to be used on SMP) */
 164         _tlbil_all();
 165
 166         nr_free_contexts = last_context - first_context;
 167
 168         return first_context;
 169 }
 170
 171 /* Note that this will also be called on SMP if all other CPUs are
 172  * offlined, which means that it may be called for cpu != 0. For
 173  * this to work, we somewhat assume that CPUs that are onlined
 174  * come up with a fully clean TLB (or are cleaned when offlined)
 175  */
 176 static unsigned int steal_context_up(unsigned int id)
 177 {
 178         struct mm_struct *mm;
 179         int cpu = smp_processor_id();
 180
 181         /* Pick up the victim mm */
 182         mm = context_mm[id];
 183
 184         pr_hardcont(" | steal %d from 0x%p", id, mm);
 185
 186         /* Flush the TLB for that context */
 187         local_flush_tlb_mm(mm);
 188
 189         /* Mark this mm has having no context anymore */
 190         mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 191
 192         /* XXX This clear should ultimately be part of local_flush_tlb_mm */
 193         __clear_bit(id, stale_map[cpu]);
 194
 195         return id;
 196 }
 197
 198 #ifdef DEBUG_MAP_CONSISTENCY
 199 static void context_check_map(void)
 200 {
 201         unsigned int id, nrf, nact;
 202
 203         nrf = nact = 0;
 204         for (id = first_context; id <= last_context; id++) {
 205                 int used = test_bit(id, context_map);
 206                 if (!used)
 207                         nrf++;
 208                 if (used != (context_mm[id] != NULL))
 209                         pr_err("MMU: Context %d is %s and MM is %p !\n",
 210                                id, used ? "used" : "free", context_mm[id]);
 211                 if (context_mm[id] != NULL)
 212                         nact += context_mm[id]->context.active;
 213         }
 214         if (nrf != nr_free_contexts) {
 215                 pr_err("MMU: Free context count out of sync ! (%d vs %d)\n",
 216                        nr_free_contexts, nrf);
 217                 nr_free_contexts = nrf;
 218         }
 219         if (nact > num_online_cpus())
 220                 pr_err("MMU: More active contexts than CPUs ! (%d vs %d)\n",
 221                        nact, num_online_cpus());
 222         if (first_context > 0 && !test_bit(0, context_map))
 223                 pr_err("MMU: Context 0 has been freed !!!\n");
 224 }
 225 #else
 226 static void context_check_map(void) { }
 227 #endif
 228
 229 void switch_mmu_context(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next)
 230 {
 231         unsigned int i, id, cpu = smp_processor_id();
 232         unsigned long *map;
 233
 234         /* No lockless fast path .. yet */
 235         raw_spin_lock(&context_lock);
 236
 237         pr_hard("[%d] activating context for mm @%p, active=%d, id=%d",
 238                 cpu, next, next->context.active, next->context.id);
 239
 240 #ifdef CONFIG_SMP
 241         /* Mark us active and the previous one not anymore */
 242         next->context.active++;
 243         if (prev) {
 244                 pr_hardcont(" (old=0x%p a=%d)", prev, prev->context.active);
 245                 WARN_ON(prev->context.active < 1);
 246                 prev->context.active--;
 247         }
 248
 249  again:
 250 #endif /* CONFIG_SMP */
 251
 252         /* If we already have a valid assigned context, skip all that */
 253         id = next->context.id;
 254         if (likely(id != MMU_NO_CONTEXT)) {
 255 #ifdef DEBUG_MAP_CONSISTENCY
 256                 if (context_mm[id] != next)
 257                         pr_err("MMU: mm 0x%p has id %d but context_mm[%d] says 0x%p\n",
 258                                next, id, id, context_mm[id]);
 259 #endif
 260                 goto ctxt_ok;
 261         }
 262
 263         /* We really don't have a context, let's try to acquire one */
 264         id = next_context;
 265         if (id > last_context)
 266                 id = first_context;
 267         map = context_map;
 268
 269         /* No more free contexts, let's try to steal one */
 270         if (nr_free_contexts == 0) {
 271 #ifdef CONFIG_SMP
 272                 if (num_online_cpus() > 1) {
 273                         id = steal_context_smp(id);
 274                         if (id == MMU_NO_CONTEXT)
 275                                 goto again;
 276                         goto stolen;
 277                 }
 278 #endif /* CONFIG_SMP */
 279                 if (no_selective_tlbil)
 280                         id = steal_all_contexts();
 281                 else
 282                         id = steal_context_up(id);
 283                 goto stolen;
 284         }
 285         nr_free_contexts--;
 286
 287         /* We know there's at least one free context, try to find it */
 288         while (__test_and_set_bit(id, map)) {
 289                 id = find_next_zero_bit(map, last_context+1, id);
 290                 if (id > last_context)
 291                         id = first_context;
 292         }
 293  stolen:
 294         next_context = id + 1;
 295         context_mm[id] = next;
 296         next->context.id = id;
 297         pr_hardcont(" | new id=%d,nrf=%d", id, nr_free_contexts);
 298
 299         context_check_map();
 300  ctxt_ok:
 301
 302         /* If that context got marked stale on this CPU, then flush the
 303          * local TLB for it and unmark it before we use it
 304          */
 305         if (test_bit(id, stale_map[cpu])) {
 306                 pr_hardcont(" | stale flush %d [%d..%d]",
 307                             id, cpu_first_thread_sibling(cpu),
 308                             cpu_last_thread_sibling(cpu));
 309
 310                 local_flush_tlb_mm(next);
 311
 312                 /* XXX This clear should ultimately be part of local_flush_tlb_mm */
 313                 for (i = cpu_first_thread_sibling(cpu);
 314                      i <= cpu_last_thread_sibling(cpu); i++) {
 315                         if (stale_map[i])
 316                                 __clear_bit(id, stale_map[i]);
 317                 }
 318         }
 319
 320         /* Flick the MMU and release lock */
 321         pr_hardcont(" -> %d\n", id);
 322         set_context(id, next->pgd);
 323         raw_spin_unlock(&context_lock);
 324 }
 325
 326 /*
 327  * Set up the context for a new address space.
 328  */
 329 int init_new_context(struct task_struct *t, struct mm_struct *mm)
 330 {
 331         pr_hard("initing context for mm @%p\n", mm);
 332
 333         mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 334         mm->context.active = 0;
 335
 336 #ifdef CONFIG_PPC_MM_SLICES
 337         if (slice_mm_new_context(mm))
 338                 slice_set_user_psize(mm, mmu_virtual_psize);
 339 #endif
 340
 341         return 0;
 342 }
 343
 344 /*
 345  * We're finished using the context for an address space.
 346  */
 347 void destroy_context(struct mm_struct *mm)
 348 {
 349         unsigned long flags;
 350         unsigned int id;
 351
 352         if (mm->context.id == MMU_NO_CONTEXT)
 353                 return;
 354
 355         WARN_ON(mm->context.active != 0);
 356
 357         raw_spin_lock_irqsave(&context_lock, flags);
 358         id = mm->context.id;
 359         if (id != MMU_NO_CONTEXT) {
 360                 __clear_bit(id, context_map);
 361                 mm->context.id = MMU_NO_CONTEXT;
 362 #ifdef DEBUG_MAP_CONSISTENCY
 363                 mm->context.active = 0;
 364 #endif
 365                 context_mm[id] = NULL;
 366                 nr_free_contexts++;
 367         }
 368         raw_spin_unlock_irqrestore(&context_lock, flags);
 369 }
 370
 371 #ifdef CONFIG_SMP
 372
 373 static int mmu_context_cpu_notify(struct notifier_block *self,
 374                                   unsigned long action, void *hcpu)
 375 {
 376         unsigned int cpu = (unsigned int)(long)hcpu;
 377
 378         /* We don't touch CPU 0 map, it's allocated at aboot and kept
 379          * around forever
 380          */
 381         if (cpu == boot_cpuid)
 382                 return NOTIFY_OK;
 383
 384         switch (action) {
 385         case CPU_UP_PREPARE:
 386         case CPU_UP_PREPARE_FROZEN:
 387                 pr_devel("MMU: Allocating stale context map for CPU %d\n", cpu);
 388                 stale_map[cpu] = kzalloc(CTX_MAP_SIZE, GFP_KERNEL);
 389                 break;
 390 #ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
 391         case CPU_UP_CANCELED:
 392         case CPU_UP_CANCELED_FROZEN:
 393         case CPU_DEAD:
 394         case CPU_DEAD_FROZEN:
 395                 pr_devel("MMU: Freeing stale context map for CPU %d\n", cpu);
 396                 kfree(stale_map[cpu]);
 397                 stale_map[cpu] = NULL;
 398
 399                 /* We also clear the cpu_vm_mask bits of CPUs going away */
 400                 clear_tasks_mm_cpumask(cpu);
 401         break;
 402 #endif /* CONFIG_HOTPLUG_CPU */
 403         }
 404         return NOTIFY_OK;
 405 }
 406
 407 static struct notifier_block mmu_context_cpu_nb = {
 408         .notifier_call  = mmu_context_cpu_notify,
 409 };
 410
 411 #endif /* CONFIG_SMP */
 412
 413 /*
 414  * Initialize the context management stuff.
 415  */
 416 void __init mmu_context_init(void)
 417 {
 418         /* Mark init_mm as being active on all possible CPUs since
 419          * we'll get called with prev == init_mm the first time
 420          * we schedule on a given CPU
 421          */
 422         init_mm.context.active = NR_CPUS;
 423
 424         /*
 425          *   The MPC8xx has only 16 contexts.  We rotate through them on each
 426          * task switch.  A better way would be to keep track of tasks that
 427          * own contexts, and implement an LRU usage.  That way very active
 428          * tasks don't always have to pay the TLB reload overhead.  The
 429          * kernel pages are mapped shared, so the kernel can run on behalf
 430          * of any task that makes a kernel entry.  Shared does not mean they
 431          * are not protected, just that the ASID comparison is not performed.
 432          *      -- Dan
 433          *
 434          * The IBM4xx has 256 contexts, so we can just rotate through these
 435          * as a way of "switching" contexts.  If the TID of the TLB is zero,
 436          * the PID/TID comparison is disabled, so we can use a TID of zero
 437          * to represent all kernel pages as shared among all contexts.
 438          *      -- Dan
 439          *
 440          * The IBM 47x core supports 16-bit PIDs, thus 65535 contexts. We
 441          * should normally never have to steal though the facility is
 442          * present if needed.
 443          *      -- BenH
 444          */
 445         if (mmu_has_feature(MMU_FTR_TYPE_8xx)) {
 446                 first_context = 0;
 447                 last_context = 15;
 448                 no_selective_tlbil = true;
 449         } else if (mmu_has_feature(MMU_FTR_TYPE_47x)) {
 450                 first_context = 1;
 451                 last_context = 65535;
 452                 no_selective_tlbil = false;
 453         } else {
 454                 first_context = 1;
 455                 last_context = 255;
 456                 no_selective_tlbil = false;
 457         }
 458
 459 #ifdef DEBUG_CLAMP_LAST_CONTEXT
 460         last_context = DEBUG_CLAMP_LAST_CONTEXT;
 461 #endif
 462         /*
 463          * Allocate the maps used by context management
 464          */
 465         context_map = memblock_virt_alloc(CTX_MAP_SIZE, 0);
 466         context_mm = memblock_virt_alloc(sizeof(void *) * (last_context + 1), 0);
 467 #ifndef CONFIG_SMP
 468         stale_map[0] = memblock_virt_alloc(CTX_MAP_SIZE, 0);
 469 #else
 470         stale_map[boot_cpuid] = memblock_virt_alloc(CTX_MAP_SIZE, 0);
 471
 472         register_cpu_notifier(&mmu_context_cpu_nb);
 473 #endif
 474
 475         printk(KERN_INFO
 476                "MMU: Allocated %zu bytes of context maps for %d contexts\n",
 477                2 * CTX_MAP_SIZE + (sizeof(void *) * (last_context + 1)),
 478                last_context - first_context + 1);
 479
 480         /*
 481          * Some processors have too few contexts to reserve one for
 482          * init_mm, and require using context 0 for a normal task.
 483          * Other processors reserve the use of context zero for the kernel.
 484          * This code assumes first_context < 32.
 485          */
 486         context_map[0] = (1 << first_context) - 1;
 487         next_context = first_context;
 488         nr_free_contexts = last_context - first_context + 1;
 489 }
 490