kernel/drivers/iommu/dma-iommu.c

   1 /*
   2  * A fairly generic DMA-API to IOMMU-API glue layer.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2014-2015 ARM Ltd.
   5  *
   6  * based in part on arch/arm/mm/dma-mapping.c:
   7  * Copyright (C) 2000-2004 Russell King
   8  *
   9  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  10  * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
  11  * published by the Free Software Foundation.
  12  *
  13  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  14  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  16  * GNU General Public License for more details.
  17  *
  18  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  19  * along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  20  */
  21
  22 #include <linux/device.h>
  23 #include <linux/dma-iommu.h>
  24 #include <linux/gfp.h>
  25 #include <linux/huge_mm.h>
  26 #include <linux/iommu.h>
  27 #include <linux/iova.h>
  28 #include <linux/mm.h>
  29 #include <linux/scatterlist.h>
  30 #include <linux/vmalloc.h>
  31
  32 int iommu_dma_init(void)
  33 {
  34         return iova_cache_get();
  35 }
  36
  37 /**
  38  * iommu_get_dma_cookie - Acquire DMA-API resources for a domain
  39  * @domain: IOMMU domain to prepare for DMA-API usage
  40  *
  41  * IOMMU drivers should normally call this from their domain_alloc
  42  * callback when domain->type == IOMMU_DOMAIN_DMA.
  43  */
  44 int iommu_get_dma_cookie(struct iommu_domain *domain)
  45 {
  46         struct iova_domain *iovad;
  47
  48         if (domain->iova_cookie)
  49                 return -EEXIST;
  50
  51         iovad = kzalloc(sizeof(*iovad), GFP_KERNEL);
  52         domain->iova_cookie = iovad;
  53
  54         return iovad ? 0 : -ENOMEM;
  55 }
  56 EXPORT_SYMBOL(iommu_get_dma_cookie);
  57
  58 /**
  59  * iommu_put_dma_cookie - Release a domain's DMA mapping resources
  60  * @domain: IOMMU domain previously prepared by iommu_get_dma_cookie()
  61  *
  62  * IOMMU drivers should normally call this from their domain_free callback.
  63  */
  64 void iommu_put_dma_cookie(struct iommu_domain *domain)
  65 {
  66         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
  67
  68         if (!iovad)
  69                 return;
  70
  71         put_iova_domain(iovad);
  72         kfree(iovad);
  73         domain->iova_cookie = NULL;
  74 }
  75 EXPORT_SYMBOL(iommu_put_dma_cookie);
  76
  77 /**
  78  * iommu_dma_init_domain - Initialise a DMA mapping domain
  79  * @domain: IOMMU domain previously prepared by iommu_get_dma_cookie()
  80  * @base: IOVA at which the mappable address space starts
  81  * @size: Size of IOVA space
  82  *
  83  * @base and @size should be exact multiples of IOMMU page granularity to
  84  * avoid rounding surprises. If necessary, we reserve the page at address 0
  85  * to ensure it is an invalid IOVA. It is safe to reinitialise a domain, but
  86  * any change which could make prior IOVAs invalid will fail.
  87  */
  88 int iommu_dma_init_domain(struct iommu_domain *domain, dma_addr_t base, u64 size)
  89 {
  90         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
  91         unsigned long order, base_pfn, end_pfn;
  92
  93         if (!iovad)
  94                 return -ENODEV;
  95
  96         /* Use the smallest supported page size for IOVA granularity */
  97         order = __ffs(domain->ops->pgsize_bitmap);
  98         base_pfn = max_t(unsigned long, 1, base >> order);
  99         end_pfn = (base + size - 1) >> order;
 100
 101         /* Check the domain allows at least some access to the device... */
 102         if (domain->geometry.force_aperture) {
 103                 if (base > domain->geometry.aperture_end ||
 104                     base + size <= domain->geometry.aperture_start) {
 105                         pr_warn("specified DMA range outside IOMMU capability\n");
 106                         return -EFAULT;
 107                 }
 108                 /* ...then finally give it a kicking to make sure it fits */
 109                 base_pfn = max_t(unsigned long, base_pfn,
 110                                 domain->geometry.aperture_start >> order);
 111                 end_pfn = min_t(unsigned long, end_pfn,
 112                                 domain->geometry.aperture_end >> order);
 113         }
 114
 115         /* All we can safely do with an existing domain is enlarge it */
 116         if (iovad->start_pfn) {
 117                 if (1UL << order != iovad->granule ||
 118                     base_pfn != iovad->start_pfn ||
 119                     end_pfn < iovad->dma_32bit_pfn) {
 120                         pr_warn("Incompatible range for DMA domain\n");
 121                         return -EFAULT;
 122                 }
 123                 iovad->dma_32bit_pfn = end_pfn;
 124         } else {
 125                 init_iova_domain(iovad, 1UL << order, base_pfn, end_pfn);
 126         }
 127         return 0;
 128 }
 129 EXPORT_SYMBOL(iommu_dma_init_domain);
 130
 131 /**
 132  * dma_direction_to_prot - Translate DMA API directions to IOMMU API page flags
 133  * @dir: Direction of DMA transfer
 134  * @coherent: Is the DMA master cache-coherent?
 135  *
 136  * Return: corresponding IOMMU API page protection flags
 137  */
 138 int dma_direction_to_prot(enum dma_data_direction dir, bool coherent)
 139 {
 140         int prot = coherent ? IOMMU_CACHE : 0;
 141
 142         switch (dir) {
 143         case DMA_BIDIRECTIONAL:
 144                 return prot | IOMMU_READ | IOMMU_WRITE;
 145         case DMA_TO_DEVICE:
 146                 return prot | IOMMU_READ;
 147         case DMA_FROM_DEVICE:
 148                 return prot | IOMMU_WRITE;
 149         default:
 150                 return 0;
 151         }
 152 }
 153
 154 static struct iova *__alloc_iova(struct iova_domain *iovad, size_t size,
 155                 dma_addr_t dma_limit)
 156 {
 157         unsigned long shift = iova_shift(iovad);
 158         unsigned long length = iova_align(iovad, size) >> shift;
 159
 160         /*
 161          * Enforce size-alignment to be safe - there could perhaps be an
 162          * attribute to control this per-device, or at least per-domain...
 163          */
 164         return alloc_iova(iovad, length, dma_limit >> shift, true);
 165 }
 166
 167 /* The IOVA allocator knows what we mapped, so just unmap whatever that was */
 168 static void __iommu_dma_unmap(struct iommu_domain *domain, dma_addr_t dma_addr)
 169 {
 170         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 171         unsigned long shift = iova_shift(iovad);
 172         unsigned long pfn = dma_addr >> shift;
 173         struct iova *iova = find_iova(iovad, pfn);
 174         size_t size;
 175
 176         if (WARN_ON(!iova))
 177                 return;
 178
 179         size = iova_size(iova) << shift;
 180         size -= iommu_unmap(domain, pfn << shift, size);
 181         /* ...and if we can't, then something is horribly, horribly wrong */
 182         WARN_ON(size > 0);
 183         __free_iova(iovad, iova);
 184 }
 185
 186 static void __iommu_dma_free_pages(struct page **pages, int count)
 187 {
 188         while (count--)
 189                 __free_page(pages[count]);
 190         kvfree(pages);
 191 }
 192
 193 static struct page **__iommu_dma_alloc_pages(unsigned int count, gfp_t gfp)
 194 {
 195         struct page **pages;
 196         unsigned int i = 0, array_size = count * sizeof(*pages);
 197         unsigned int order = MAX_ORDER;
 198
 199         if (array_size <= PAGE_SIZE)
 200                 pages = kzalloc(array_size, GFP_KERNEL);
 201         else
 202                 pages = vzalloc(array_size);
 203         if (!pages)
 204                 return NULL;
 205
 206         /* IOMMU can map any pages, so himem can also be used here */
 207         gfp |= __GFP_NOWARN | __GFP_HIGHMEM;
 208
 209         while (count) {
 210                 struct page *page = NULL;
 211                 int j;
 212
 213                 /*
 214                  * Higher-order allocations are a convenience rather
 215                  * than a necessity, hence using __GFP_NORETRY until
 216                  * falling back to single-page allocations.
 217                  */
 218                 for (order = min_t(unsigned int, order, __fls(count));
 219                      order > 0; order--) {
 220                         page = alloc_pages(gfp | __GFP_NORETRY, order);
 221                         if (!page)
 222                                 continue;
 223                         if (PageCompound(page)) {
 224                                 if (!split_huge_page(page))
 225                                         break;
 226                                 __free_pages(page, order);
 227                         } else {
 228                                 split_page(page, order);
 229                                 break;
 230                         }
 231                 }
 232                 if (!page)
 233                         page = alloc_page(gfp);
 234                 if (!page) {
 235                         __iommu_dma_free_pages(pages, i);
 236                         return NULL;
 237                 }
 238                 j = 1 << order;
 239                 count -= j;
 240                 while (j--)
 241                         pages[i++] = page++;
 242         }
 243         return pages;
 244 }
 245
 246 /**
 247  * iommu_dma_free - Free a buffer allocated by iommu_dma_alloc()
 248  * @dev: Device which owns this buffer
 249  * @pages: Array of buffer pages as returned by iommu_dma_alloc()
 250  * @size: Size of buffer in bytes
 251  * @handle: DMA address of buffer
 252  *
 253  * Frees both the pages associated with the buffer, and the array
 254  * describing them
 255  */
 256 void iommu_dma_free(struct device *dev, struct page **pages, size_t size,
 257                 dma_addr_t *handle)
 258 {
 259         __iommu_dma_unmap(iommu_get_domain_for_dev(dev), *handle);
 260         __iommu_dma_free_pages(pages, PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT);
 261         *handle = DMA_ERROR_CODE;
 262 }
 263
 264 /**
 265  * iommu_dma_alloc - Allocate and map a buffer contiguous in IOVA space
 266  * @dev: Device to allocate memory for. Must be a real device
 267  *       attached to an iommu_dma_domain
 268  * @size: Size of buffer in bytes
 269  * @gfp: Allocation flags
 270  * @prot: IOMMU mapping flags
 271  * @handle: Out argument for allocated DMA handle
 272  * @flush_page: Arch callback which must ensure PAGE_SIZE bytes from the
 273  *              given VA/PA are visible to the given non-coherent device.
 274  *
 275  * If @size is less than PAGE_SIZE, then a full CPU page will be allocated,
 276  * but an IOMMU which supports smaller pages might not map the whole thing.
 277  *
 278  * Return: Array of struct page pointers describing the buffer,
 279  *         or NULL on failure.
 280  */
 281 struct page **iommu_dma_alloc(struct device *dev, size_t size,
 282                 gfp_t gfp, int prot, dma_addr_t *handle,
 283                 void (*flush_page)(struct device *, const void *, phys_addr_t))
 284 {
 285         struct iommu_domain *domain = iommu_get_domain_for_dev(dev);
 286         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 287         struct iova *iova;
 288         struct page **pages;
 289         struct sg_table sgt;
 290         dma_addr_t dma_addr;
 291         unsigned int count = PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT;
 292
 293         *handle = DMA_ERROR_CODE;
 294
 295         pages = __iommu_dma_alloc_pages(count, gfp);
 296         if (!pages)
 297                 return NULL;
 298
 299         iova = __alloc_iova(iovad, size, dev->coherent_dma_mask);
 300         if (!iova)
 301                 goto out_free_pages;
 302
 303         size = iova_align(iovad, size);
 304         if (sg_alloc_table_from_pages(&sgt, pages, count, 0, size, GFP_KERNEL))
 305                 goto out_free_iova;
 306
 307         if (!(prot & IOMMU_CACHE)) {
 308                 struct sg_mapping_iter miter;
 309                 /*
 310                  * The CPU-centric flushing implied by SG_MITER_TO_SG isn't
 311                  * sufficient here, so skip it by using the "wrong" direction.
 312                  */
 313                 sg_miter_start(&miter, sgt.sgl, sgt.orig_nents, SG_MITER_FROM_SG);
 314                 while (sg_miter_next(&miter))
 315                         flush_page(dev, miter.addr, page_to_phys(miter.page));
 316                 sg_miter_stop(&miter);
 317         }
 318
 319         dma_addr = iova_dma_addr(iovad, iova);
 320         if (iommu_map_sg(domain, dma_addr, sgt.sgl, sgt.orig_nents, prot)
 321                         < size)
 322                 goto out_free_sg;
 323
 324         *handle = dma_addr;
 325         sg_free_table(&sgt);
 326         return pages;
 327
 328 out_free_sg:
 329         sg_free_table(&sgt);
 330 out_free_iova:
 331         __free_iova(iovad, iova);
 332 out_free_pages:
 333         __iommu_dma_free_pages(pages, count);
 334         return NULL;
 335 }
 336
 337 /**
 338  * iommu_dma_mmap - Map a buffer into provided user VMA
 339  * @pages: Array representing buffer from iommu_dma_alloc()
 340  * @size: Size of buffer in bytes
 341  * @vma: VMA describing requested userspace mapping
 342  *
 343  * Maps the pages of the buffer in @pages into @vma. The caller is responsible
 344  * for verifying the correct size and protection of @vma beforehand.
 345  */
 346
 347 int iommu_dma_mmap(struct page **pages, size_t size, struct vm_area_struct *vma)
 348 {
 349         unsigned long uaddr = vma->vm_start;
 350         unsigned int i, count = PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT;
 351         int ret = -ENXIO;
 352
 353         for (i = vma->vm_pgoff; i < count && uaddr < vma->vm_end; i++) {
 354                 ret = vm_insert_page(vma, uaddr, pages[i]);
 355                 if (ret)
 356                         break;
 357                 uaddr += PAGE_SIZE;
 358         }
 359         return ret;
 360 }
 361
 362 dma_addr_t iommu_dma_map_page(struct device *dev, struct page *page,
 363                 unsigned long offset, size_t size, int prot)
 364 {
 365         dma_addr_t dma_addr;
 366         struct iommu_domain *domain = iommu_get_domain_for_dev(dev);
 367         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 368         phys_addr_t phys = page_to_phys(page) + offset;
 369         size_t iova_off = iova_offset(iovad, phys);
 370         size_t len = iova_align(iovad, size + iova_off);
 371         struct iova *iova = __alloc_iova(iovad, len, dma_get_mask(dev));
 372
 373         if (!iova)
 374                 return DMA_ERROR_CODE;
 375
 376         dma_addr = iova_dma_addr(iovad, iova);
 377         if (iommu_map(domain, dma_addr, phys - iova_off, len, prot)) {
 378                 __free_iova(iovad, iova);
 379                 return DMA_ERROR_CODE;
 380         }
 381         return dma_addr + iova_off;
 382 }
 383
 384 void iommu_dma_unmap_page(struct device *dev, dma_addr_t handle, size_t size,
 385                 enum dma_data_direction dir, struct dma_attrs *attrs)
 386 {
 387         __iommu_dma_unmap(iommu_get_domain_for_dev(dev), handle);
 388 }
 389
 390 /*
 391  * Prepare a successfully-mapped scatterlist to give back to the caller.
 392  * Handling IOVA concatenation can come later, if needed
 393  */
 394 static int __finalise_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents,
 395                 dma_addr_t dma_addr)
 396 {
 397         struct scatterlist *s;
 398         int i;
 399
 400         for_each_sg(sg, s, nents, i) {
 401                 /* Un-swizzling the fields here, hence the naming mismatch */
 402                 unsigned int s_offset = sg_dma_address(s);
 403                 unsigned int s_length = sg_dma_len(s);
 404                 unsigned int s_dma_len = s->length;
 405
 406                 s->offset = s_offset;
 407                 s->length = s_length;
 408                 sg_dma_address(s) = dma_addr + s_offset;
 409                 dma_addr += s_dma_len;
 410         }
 411         return i;
 412 }
 413
 414 /*
 415  * If mapping failed, then just restore the original list,
 416  * but making sure the DMA fields are invalidated.
 417  */
 418 static void __invalidate_sg(struct scatterlist *sg, int nents)
 419 {
 420         struct scatterlist *s;
 421         int i;
 422
 423         for_each_sg(sg, s, nents, i) {
 424                 if (sg_dma_address(s) != DMA_ERROR_CODE)
 425                         s->offset = sg_dma_address(s);
 426                 if (sg_dma_len(s))
 427                         s->length = sg_dma_len(s);
 428                 sg_dma_address(s) = DMA_ERROR_CODE;
 429                 sg_dma_len(s) = 0;
 430         }
 431 }
 432
 433 /*
 434  * The DMA API client is passing in a scatterlist which could describe
 435  * any old buffer layout, but the IOMMU API requires everything to be
 436  * aligned to IOMMU pages. Hence the need for this complicated bit of
 437  * impedance-matching, to be able to hand off a suitably-aligned list,
 438  * but still preserve the original offsets and sizes for the caller.
 439  */
 440 int iommu_dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
 441                 int nents, int prot)
 442 {
 443         struct iommu_domain *domain = iommu_get_domain_for_dev(dev);
 444         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 445         struct iova *iova;
 446         struct scatterlist *s, *prev = NULL;
 447         dma_addr_t dma_addr;
 448         size_t iova_len = 0;
 449         int i;
 450
 451         /*
 452          * Work out how much IOVA space we need, and align the segments to
 453          * IOVA granules for the IOMMU driver to handle. With some clever
 454          * trickery we can modify the list in-place, but reversibly, by
 455          * hiding the original data in the as-yet-unused DMA fields.
 456          */
 457         for_each_sg(sg, s, nents, i) {
 458                 size_t s_offset = iova_offset(iovad, s->offset);
 459                 size_t s_length = s->length;
 460
 461                 sg_dma_address(s) = s_offset;
 462                 sg_dma_len(s) = s_length;
 463                 s->offset -= s_offset;
 464                 s_length = iova_align(iovad, s_length + s_offset);
 465                 s->length = s_length;
 466
 467                 /*
 468                  * The simple way to avoid the rare case of a segment
 469                  * crossing the boundary mask is to pad the previous one
 470                  * to end at a naturally-aligned IOVA for this one's size,
 471                  * at the cost of potentially over-allocating a little.
 472                  */
 473                 if (prev) {
 474                         size_t pad_len = roundup_pow_of_two(s_length);
 475
 476                         pad_len = (pad_len - iova_len) & (pad_len - 1);
 477                         prev->length += pad_len;
 478                         iova_len += pad_len;
 479                 }
 480
 481                 iova_len += s_length;
 482                 prev = s;
 483         }
 484
 485         iova = __alloc_iova(iovad, iova_len, dma_get_mask(dev));
 486         if (!iova)
 487                 goto out_restore_sg;
 488
 489         /*
 490          * We'll leave any physical concatenation to the IOMMU driver's
 491          * implementation - it knows better than we do.
 492          */
 493         dma_addr = iova_dma_addr(iovad, iova);
 494         if (iommu_map_sg(domain, dma_addr, sg, nents, prot) < iova_len)
 495                 goto out_free_iova;
 496
 497         return __finalise_sg(dev, sg, nents, dma_addr);
 498
 499 out_free_iova:
 500         __free_iova(iovad, iova);
 501 out_restore_sg:
 502         __invalidate_sg(sg, nents);
 503         return 0;
 504 }
 505
 506 void iommu_dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents,
 507                 enum dma_data_direction dir, struct dma_attrs *attrs)
 508 {
 509         /*
 510          * The scatterlist segments are mapped into a single
 511          * contiguous IOVA allocation, so this is incredibly easy.
 512          */
 513         __iommu_dma_unmap(iommu_get_domain_for_dev(dev), sg_dma_address(sg));
 514 }
 515
 516 int iommu_dma_supported(struct device *dev, u64 mask)
 517 {
 518         /*
 519          * 'Special' IOMMUs which don't have the same addressing capability
 520          * as the CPU will have to wait until we have some way to query that
 521          * before they'll be able to use this framework.
 522          */
 523         return 1;
 524 }
 525
 526 int iommu_dma_mapping_error(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr)
 527 {
 528         return dma_addr == DMA_ERROR_CODE;
 529 }