arm64: mm: Implement 4 levels of translation tables
authorJungseok Lee <jays.lee@samsung.com>
Mon, 12 May 2014 09:40:51 +0000 (18:40 +0900)
committerCatalin Marinas <catalin.marinas@arm.com>
Wed, 23 Jul 2014 14:27:40 +0000 (15:27 +0100)
This patch implements 4 levels of translation tables since 3 levels
of page tables with 4KB pages cannot support 40-bit physical address
space described in [1] due to the following issue.

It is a restriction that kernel logical memory map with 4KB + 3 levels
(0xffffffc000000000-0xffffffffffffffff) cannot cover RAM region from
544GB to 1024GB in [1]. Specifically, ARM64 kernel fails to create
mapping for this region in map_mem function since __phys_to_virt for
this region reaches to address overflow.

If SoC design follows the document, [1], over 32GB RAM would be placed
from 544GB. Even 64GB system is supposed to use the region from 544GB
to 576GB for only 32GB RAM. Naturally, it would reach to enable 4 levels
of page tables to avoid hacking __virt_to_phys and __phys_to_virt.

However, it is recommended 4 levels of page table should be only enabled
if memory map is too sparse or there is about 512GB RAM.

References
----------
[1]: Principles of ARM Memory Maps, White Paper, Issue C

Signed-off-by: Jungseok Lee <jays.lee@samsung.com>
Reviewed-by: Sungjinn Chung <sungjinn.chung@samsung.com>
Acked-by: Kukjin Kim <kgene.kim@samsung.com>
Reviewed-by: Christoffer Dall <christoffer.dall@linaro.org>
Reviewed-by: Steve Capper <steve.capper@linaro.org>
[catalin.marinas@arm.com: MEMBLOCK_INITIAL_LIMIT removed, same as PUD_SIZE]
[catalin.marinas@arm.com: early_ioremap_init() updated for 4 levels]
[catalin.marinas@arm.com: 48-bit VA depends on BROKEN until KVM is fixed]
Signed-off-by: Catalin Marinas <catalin.marinas@arm.com>
Tested-by: Jungseok Lee <jungseoklee85@gmail.com>
arch/arm64/Kconfig
arch/arm64/include/asm/page.h
arch/arm64/include/asm/pgalloc.h
arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h
arch/arm64/include/asm/pgtable.h
arch/arm64/include/asm/tlb.h
arch/arm64/kernel/head.S
arch/arm64/kernel/traps.c
arch/arm64/mm/fault.c
arch/arm64/mm/ioremap.c
arch/arm64/mm/mmu.c

index 94ba45b198ff255d6167aebebf5140ba4488b1dc..cf07cc7295bb25fdee8bdc7e713cbefbc30fcda5 100644 (file)
@@ -195,12 +195,17 @@ config ARM64_VA_BITS_42
        bool "42-bit"
        depends on ARM64_64K_PAGES
 
+config ARM64_VA_BITS_48
+       bool "48-bit"
+       depends on BROKEN
+
 endchoice
 
 config ARM64_VA_BITS
        int
        default 39 if ARM64_VA_BITS_39
        default 42 if ARM64_VA_BITS_42
+       default 48 if ARM64_VA_BITS_48
 
 config ARM64_2_LEVELS
        def_bool y if ARM64_64K_PAGES && ARM64_VA_BITS_42
@@ -208,6 +213,9 @@ config ARM64_2_LEVELS
 config ARM64_3_LEVELS
        def_bool y if ARM64_4K_PAGES && ARM64_VA_BITS_39
 
+config ARM64_4_LEVELS
+       def_bool y if ARM64_4K_PAGES && ARM64_VA_BITS_48
+
 config CPU_BIG_ENDIAN
        bool "Build big-endian kernel"
        help
index 1cbde2773c4f8085ff8a2b37a131f5ec99ec5034..cf9afa0366b67da615ef80b2929954fa076db0b3 100644 (file)
 
 /*
  * The idmap and swapper page tables need some space reserved in the kernel
- * image. Both require a pgd and a next level table to (section) map the
- * kernel. The the swapper also maps the FDT (see __create_page_tables for
+ * image. Both require pgd, pud (4 levels only) and pmd tables to (section)
+ * map the kernel. The swapper also maps the FDT (see __create_page_tables for
  * more information).
  */
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+#define SWAPPER_DIR_SIZE       (3 * PAGE_SIZE)
+#define IDMAP_DIR_SIZE         (3 * PAGE_SIZE)
+#else
 #define SWAPPER_DIR_SIZE       (2 * PAGE_SIZE)
 #define IDMAP_DIR_SIZE         (2 * PAGE_SIZE)
+#endif
 
 #ifndef __ASSEMBLY__
 
 #ifdef CONFIG_ARM64_2_LEVELS
 #include <asm/pgtable-2level-types.h>
-#else
+#elif defined(CONFIG_ARM64_3_LEVELS)
 #include <asm/pgtable-3level-types.h>
+#else
+#include <asm/pgtable-4level-types.h>
 #endif
 
 extern void __cpu_clear_user_page(void *p, unsigned long user);
index 48298376e46a2aca70fd50ef1a3d3edf491a94f1..7deb5750a9452043780ca921c62e45ffabafff26 100644 (file)
@@ -46,6 +46,26 @@ static inline void pud_populate(struct mm_struct *mm, pud_t *pud, pmd_t *pmd)
 
 #endif /* CONFIG_ARM64_2_LEVELS */
 
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+
+static inline pud_t *pud_alloc_one(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)
+{
+       return (pud_t *)get_zeroed_page(GFP_KERNEL | __GFP_REPEAT);
+}
+
+static inline void pud_free(struct mm_struct *mm, pud_t *pud)
+{
+       BUG_ON((unsigned long)pud & (PAGE_SIZE-1));
+       free_page((unsigned long)pud);
+}
+
+static inline void pgd_populate(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd, pud_t *pud)
+{
+       set_pgd(pgd, __pgd(__pa(pud) | PUD_TYPE_TABLE));
+}
+
+#endif /* CONFIG_ARM64_4_LEVELS */
+
 extern pgd_t *pgd_alloc(struct mm_struct *mm);
 extern void pgd_free(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd);
 
index c7c603b489b8d80552623009351733bdc0f31581..fddcc3efa5697ed9a96de15e3d3c2a53a35df428 100644 (file)
 
 #ifdef CONFIG_ARM64_2_LEVELS
 #include <asm/pgtable-2level-hwdef.h>
-#else
+#elif defined(CONFIG_ARM64_3_LEVELS)
 #include <asm/pgtable-3level-hwdef.h>
+#else
+#include <asm/pgtable-4level-hwdef.h>
 #endif
 
 /*
@@ -27,7 +29,7 @@
  *
  * Level 1 descriptor (PUD).
  */
-
+#define PUD_TYPE_TABLE         (_AT(pudval_t, 3) << 0)
 #define PUD_TABLE_BIT          (_AT(pgdval_t, 1) << 1)
 #define PUD_TYPE_MASK          (_AT(pgdval_t, 3) << 0)
 #define PUD_TYPE_SECT          (_AT(pgdval_t, 1) << 0)
index 6d5854972a778d6b46135568203e916829233d34..d9b23efdadedc704455df29c0675520f608290c3 100644 (file)
  * VMALLOC and SPARSEMEM_VMEMMAP ranges.
  */
 #define VMALLOC_START          (UL(0xffffffffffffffff) << VA_BITS)
+#ifndef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
 #define VMALLOC_END            (PAGE_OFFSET - UL(0x400000000) - SZ_64K)
+#else
+#define VMALLOC_END            (PAGE_OFFSET - UL(0x40000000000) - SZ_64K)
+#endif
 
 #define vmemmap                        ((struct page *)(VMALLOC_END + SZ_64K))
 
 #ifndef __ASSEMBLY__
 extern void __pte_error(const char *file, int line, unsigned long val);
 extern void __pmd_error(const char *file, int line, unsigned long val);
+extern void __pud_error(const char *file, int line, unsigned long val);
 extern void __pgd_error(const char *file, int line, unsigned long val);
 
 #define pte_ERROR(pte)         __pte_error(__FILE__, __LINE__, pte_val(pte))
 #ifndef CONFIG_ARM64_2_LEVELS
 #define pmd_ERROR(pmd)         __pmd_error(__FILE__, __LINE__, pmd_val(pmd))
 #endif
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+#define pud_ERROR(pud)         __pud_error(__FILE__, __LINE__, pud_val(pud))
+#endif
 #define pgd_ERROR(pgd)         __pgd_error(__FILE__, __LINE__, pgd_val(pgd))
 
 #ifdef CONFIG_SMP
@@ -347,6 +355,30 @@ static inline pmd_t *pud_page_vaddr(pud_t pud)
 
 #endif /* CONFIG_ARM64_2_LEVELS */
 
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+
+#define pgd_none(pgd)          (!pgd_val(pgd))
+#define pgd_bad(pgd)           (!(pgd_val(pgd) & 2))
+#define pgd_present(pgd)       (pgd_val(pgd))
+
+static inline void set_pgd(pgd_t *pgdp, pgd_t pgd)
+{
+       *pgdp = pgd;
+       dsb(ishst);
+}
+
+static inline void pgd_clear(pgd_t *pgdp)
+{
+       set_pgd(pgdp, __pgd(0));
+}
+
+static inline pud_t *pgd_page_vaddr(pgd_t pgd)
+{
+       return __va(pgd_val(pgd) & PHYS_MASK & (s32)PAGE_MASK);
+}
+
+#endif  /* CONFIG_ARM64_4_LEVELS */
+
 /* to find an entry in a page-table-directory */
 #define pgd_index(addr)                (((addr) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))
 
@@ -355,6 +387,14 @@ static inline pmd_t *pud_page_vaddr(pud_t pud)
 /* to find an entry in a kernel page-table-directory */
 #define pgd_offset_k(addr)     pgd_offset(&init_mm, addr)
 
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+#define pud_index(addr)                (((addr) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD - 1))
+static inline pud_t *pud_offset(pgd_t *pgd, unsigned long addr)
+{
+       return (pud_t *)pgd_page_vaddr(*pgd) + pud_index(addr);
+}
+#endif
+
 /* Find an entry in the second-level page table.. */
 #ifndef CONFIG_ARM64_2_LEVELS
 #define pmd_index(addr)                (((addr) >> PMD_SHIFT) & (PTRS_PER_PMD - 1))
index bc19101edaeb1c56cdd19ff1bc5c3ade187e98ad..49dc8f03362f81dc97c05783fe31899f321bd76c 100644 (file)
@@ -100,6 +100,15 @@ static inline void __pmd_free_tlb(struct mmu_gather *tlb, pmd_t *pmdp,
 }
 #endif
 
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+static inline void __pud_free_tlb(struct mmu_gather *tlb, pud_t *pudp,
+                                 unsigned long addr)
+{
+       tlb_add_flush(tlb, addr);
+       tlb_remove_page(tlb, virt_to_page(pudp));
+}
+#endif
+
 static inline void __tlb_remove_pmd_tlb_entry(struct mmu_gather *tlb, pmd_t *pmdp,
                                                unsigned long address)
 {
index fa3b7fb8a77afbc10928f9c310dfd52f4958c947..847b99daad790b8cb060a873fe262c75fde58073 100644 (file)
@@ -476,16 +476,42 @@ ENDPROC(__calc_phys_offset)
        .quad   PAGE_OFFSET
 
 /*
- * Macro to populate the PGD for the corresponding block entry in the next
- * level (tbl) for the given virtual address.
+ * Macro to populate the PUD for the corresponding block entry in the next
+ * level (tbl) for the given virtual address in case of 4 levels.
  *
- * Preserves:  pgd, tbl, virt
- * Corrupts:   tmp1, tmp2
+ * Preserves:  pgd, virt
+ * Corrupts:   tbl, tmp1, tmp2
+ * Returns:    pud
  */
-       .macro  create_pgd_entry, pgd, tbl, virt, tmp1, tmp2
+       .macro  create_pud_entry, pgd, tbl, virt, pud, tmp1, tmp2
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+       add     \tbl, \tbl, #PAGE_SIZE          // bump tbl 1 page up.
+                                               // to make room for pud
+       add     \pud, \pgd, #PAGE_SIZE          // pgd points to pud which
+                                               // follows pgd
+       lsr     \tmp1, \virt, #PUD_SHIFT
+       and     \tmp1, \tmp1, #PTRS_PER_PUD - 1 // PUD index
+       orr     \tmp2, \tbl, #3                 // PUD entry table type
+       str     \tmp2, [\pud, \tmp1, lsl #3]
+#else
+       mov     \pud, \tbl
+#endif
+       .endm
+
+/*
+ * Macro to populate the PGD (and possibily PUD) for the corresponding
+ * block entry in the next level (tbl) for the given virtual address.
+ *
+ * Preserves:  pgd, virt
+ * Corrupts:   tmp1, tmp2, tmp3
+ * Returns:    tbl -> page where block mappings can be placed
+ *     (changed to make room for pud with 4 levels, preserved otherwise)
+ */
+       .macro  create_pgd_entry, pgd, tbl, virt, tmp1, tmp2, tmp3
+       create_pud_entry \pgd, \tbl, \virt, \tmp3, \tmp1, \tmp2
        lsr     \tmp1, \virt, #PGDIR_SHIFT
        and     \tmp1, \tmp1, #PTRS_PER_PGD - 1 // PGD index
-       orr     \tmp2, \tbl, #3                 // PGD entry table type
+       orr     \tmp2, \tmp3, #3                // PGD entry table type
        str     \tmp2, [\pgd, \tmp1, lsl #3]
        .endm
 
@@ -550,7 +576,7 @@ __create_page_tables:
        add     x0, x25, #PAGE_SIZE             // section table address
        ldr     x3, =KERNEL_START
        add     x3, x3, x28                     // __pa(KERNEL_START)
-       create_pgd_entry x25, x0, x3, x5, x6
+       create_pgd_entry x25, x0, x3, x1, x5, x6
        ldr     x6, =KERNEL_END
        mov     x5, x3                          // __pa(KERNEL_START)
        add     x6, x6, x28                     // __pa(KERNEL_END)
@@ -561,7 +587,7 @@ __create_page_tables:
         */
        add     x0, x26, #PAGE_SIZE             // section table address
        mov     x5, #PAGE_OFFSET
-       create_pgd_entry x26, x0, x5, x3, x6
+       create_pgd_entry x26, x0, x5, x1, x3, x6
        ldr     x6, =KERNEL_END
        mov     x3, x24                         // phys offset
        create_block_map x0, x7, x3, x5, x6
index 506f7814e305b8867b78089a23f5373feb5e47f4..02cd3f023e9a74604565c46b7e8c31f710b49dbf 100644 (file)
@@ -339,6 +339,11 @@ void __pmd_error(const char *file, int line, unsigned long val)
        pr_crit("%s:%d: bad pmd %016lx.\n", file, line, val);
 }
 
+void __pud_error(const char *file, int line, unsigned long val)
+{
+       pr_crit("%s:%d: bad pud %016lx.\n", file, line, val);
+}
+
 void __pgd_error(const char *file, int line, unsigned long val)
 {
        pr_crit("%s:%d: bad pgd %016lx.\n", file, line, val);
index bcc965e2cce1fefca8d0791c2792973d6ab3832b..41cb6d3d607582043fa3a0a6caf6469d8e73b159 100644 (file)
@@ -62,6 +62,7 @@ void show_pte(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)
                        break;
 
                pud = pud_offset(pgd, addr);
+               printk(", *pud=%016llx", pud_val(*pud));
                if (pud_none(*pud) || pud_bad(*pud))
                        break;
 
index 69000efa015ea2da1278e0811ddd231d00296302..d5e969e7b576cf447398e843c2b334f1f1d14fcf 100644 (file)
@@ -104,9 +104,12 @@ void __iomem *ioremap_cache(phys_addr_t phys_addr, size_t size)
 EXPORT_SYMBOL(ioremap_cache);
 
 static pte_t bm_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
-#ifndef CONFIG_ARM64_64K_PAGES
+#ifndef CONFIG_ARM64_2_LEVELS
 static pte_t bm_pmd[PTRS_PER_PMD] __page_aligned_bss;
 #endif
+#ifdef CONFIG_ARM64_4_LEVELS
+static pte_t bm_pud[PTRS_PER_PUD] __page_aligned_bss;
+#endif
 
 static inline pud_t * __init early_ioremap_pud(unsigned long addr)
 {
@@ -144,6 +147,7 @@ void __init early_ioremap_init(void)
        unsigned long addr = fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN);
 
        pgd = pgd_offset_k(addr);
+       pgd_populate(&init_mm, pgd, bm_pud);
        pud = pud_offset(pgd, addr);
        pud_populate(&init_mm, pud, bm_pmd);
        pmd = pmd_offset(pud, addr);
index c43f1dd194898d36e9ccb8ffe64d48cd4dadeca6..c55567283cded6e15f98e33a27bcd5695f67bfef 100644 (file)
@@ -32,6 +32,7 @@
 #include <asm/setup.h>
 #include <asm/sizes.h>
 #include <asm/tlb.h>
+#include <asm/memblock.h>
 #include <asm/mmu_context.h>
 
 #include "mm.h"
@@ -204,9 +205,16 @@ static void __init alloc_init_pud(pgd_t *pgd, unsigned long addr,
                                  unsigned long end, unsigned long phys,
                                  int map_io)
 {
-       pud_t *pud = pud_offset(pgd, addr);
+       pud_t *pud;
        unsigned long next;
 
+       if (pgd_none(*pgd)) {
+               pud = early_alloc(PTRS_PER_PUD * sizeof(pud_t));
+               pgd_populate(&init_mm, pgd, pud);
+       }
+       BUG_ON(pgd_bad(*pgd));
+
+       pud = pud_offset(pgd, addr);
        do {
                next = pud_addr_end(addr, end);
 
@@ -290,10 +298,10 @@ static void __init map_mem(void)
         * memory addressable from the initial direct kernel mapping.
         *
         * The initial direct kernel mapping, located at swapper_pg_dir,
-        * gives us PGDIR_SIZE memory starting from PHYS_OFFSET (which must be
+        * gives us PUD_SIZE memory starting from PHYS_OFFSET (which must be
         * aligned to 2MB as per Documentation/arm64/booting.txt).
         */
-       limit = PHYS_OFFSET + PGDIR_SIZE;
+       limit = PHYS_OFFSET + PUD_SIZE;
        memblock_set_current_limit(limit);
 
        /* map all the memory banks */