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         if (iovad->granule)
  72                 put_iova_domain(iovad);
  73         kfree(iovad);
  74         domain->iova_cookie = NULL;
  75 }
  76 EXPORT_SYMBOL(iommu_put_dma_cookie);
  77
  78 /**
  79  * iommu_dma_init_domain - Initialise a DMA mapping domain
  80  * @domain: IOMMU domain previously prepared by iommu_get_dma_cookie()
  81  * @base: IOVA at which the mappable address space starts
  82  * @size: Size of IOVA space
  83  *
  84  * @base and @size should be exact multiples of IOMMU page granularity to
  85  * avoid rounding surprises. If necessary, we reserve the page at address 0
  86  * to ensure it is an invalid IOVA. It is safe to reinitialise a domain, but
  87  * any change which could make prior IOVAs invalid will fail.
  88  */
  89 int iommu_dma_init_domain(struct iommu_domain *domain, dma_addr_t base, u64 size)
  90 {
  91         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
  92         unsigned long order, base_pfn, end_pfn;
  93
  94         if (!iovad)
  95                 return -ENODEV;
  96
  97         /* Use the smallest supported page size for IOVA granularity */
  98         order = __ffs(domain->ops->pgsize_bitmap);
  99         base_pfn = max_t(unsigned long, 1, base >> order);
 100         end_pfn = (base + size - 1) >> order;
 101
 102         /* Check the domain allows at least some access to the device... */
 103         if (domain->geometry.force_aperture) {
 104                 if (base > domain->geometry.aperture_end ||
 105                     base + size <= domain->geometry.aperture_start) {
 106                         pr_warn("specified DMA range outside IOMMU capability\n");
 107                         return -EFAULT;
 108                 }
 109                 /* ...then finally give it a kicking to make sure it fits */
 110                 base_pfn = max_t(unsigned long, base_pfn,
 111                                 domain->geometry.aperture_start >> order);
 112                 end_pfn = min_t(unsigned long, end_pfn,
 113                                 domain->geometry.aperture_end >> order);
 114         }
 115
 116         /* All we can safely do with an existing domain is enlarge it */
 117         if (iovad->start_pfn) {
 118                 if (1UL << order != iovad->granule ||
 119                     base_pfn != iovad->start_pfn ||
 120                     end_pfn < iovad->dma_32bit_pfn) {
 121                         pr_warn("Incompatible range for DMA domain\n");
 122                         return -EFAULT;
 123                 }
 124                 iovad->dma_32bit_pfn = end_pfn;
 125         } else {
 126                 init_iova_domain(iovad, 1UL << order, base_pfn, end_pfn);
 127         }
 128         return 0;
 129 }
 130 EXPORT_SYMBOL(iommu_dma_init_domain);
 131
 132 /**
 133  * dma_direction_to_prot - Translate DMA API directions to IOMMU API page flags
 134  * @dir: Direction of DMA transfer
 135  * @coherent: Is the DMA master cache-coherent?
 136  *
 137  * Return: corresponding IOMMU API page protection flags
 138  */
 139 int dma_direction_to_prot(enum dma_data_direction dir, bool coherent)
 140 {
 141         int prot = coherent ? IOMMU_CACHE : 0;
 142
 143         switch (dir) {
 144         case DMA_BIDIRECTIONAL:
 145                 return prot | IOMMU_READ | IOMMU_WRITE;
 146         case DMA_TO_DEVICE:
 147                 return prot | IOMMU_READ;
 148         case DMA_FROM_DEVICE:
 149                 return prot | IOMMU_WRITE;
 150         default:
 151                 return 0;
 152         }
 153 }
 154
 155 static struct iova *__alloc_iova(struct iova_domain *iovad, size_t size,
 156                 dma_addr_t dma_limit)
 157 {
 158         unsigned long shift = iova_shift(iovad);
 159         unsigned long length = iova_align(iovad, size) >> shift;
 160
 161         /*
 162          * Enforce size-alignment to be safe - there could perhaps be an
 163          * attribute to control this per-device, or at least per-domain...
 164          */
 165         return alloc_iova(iovad, length, dma_limit >> shift, true);
 166 }
 167
 168 /* The IOVA allocator knows what we mapped, so just unmap whatever that was */
 169 static void __iommu_dma_unmap(struct iommu_domain *domain, dma_addr_t dma_addr)
 170 {
 171         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 172         unsigned long shift = iova_shift(iovad);
 173         unsigned long pfn = dma_addr >> shift;
 174         struct iova *iova = find_iova(iovad, pfn);
 175         size_t size;
 176
 177         if (WARN_ON(!iova))
 178                 return;
 179
 180         size = iova_size(iova) << shift;
 181         size -= iommu_unmap(domain, pfn << shift, size);
 182         /* ...and if we can't, then something is horribly, horribly wrong */
 183         WARN_ON(size > 0);
 184         __free_iova(iovad, iova);
 185 }
 186
 187 static void __iommu_dma_free_pages(struct page **pages, int count)
 188 {
 189         while (count--)
 190                 __free_page(pages[count]);
 191         kvfree(pages);
 192 }
 193
 194 static struct page **__iommu_dma_alloc_pages(unsigned int count, gfp_t gfp)
 195 {
 196         struct page **pages;
 197         unsigned int i = 0, array_size = count * sizeof(*pages);
 198         unsigned int order = MAX_ORDER;
 199
 200         if (array_size <= PAGE_SIZE)
 201                 pages = kzalloc(array_size, GFP_KERNEL);
 202         else
 203                 pages = vzalloc(array_size);
 204         if (!pages)
 205                 return NULL;
 206
 207         /* IOMMU can map any pages, so himem can also be used here */
 208         gfp |= __GFP_NOWARN | __GFP_HIGHMEM;
 209
 210         while (count) {
 211                 struct page *page = NULL;
 212                 int j;
 213
 214                 /*
 215                  * Higher-order allocations are a convenience rather
 216                  * than a necessity, hence using __GFP_NORETRY until
 217                  * falling back to single-page allocations.
 218                  */
 219                 for (order = min_t(unsigned int, order, __fls(count));
 220                      order > 0; order--) {
 221                         page = alloc_pages(gfp | __GFP_NORETRY, order);
 222                         if (!page)
 223                                 continue;
 224                         if (PageCompound(page)) {
 225                                 if (!split_huge_page(page))
 226                                         break;
 227                                 __free_pages(page, order);
 228                         } else {
 229                                 split_page(page, order);
 230                                 break;
 231                         }
 232                 }
 233                 if (!page)
 234                         page = alloc_page(gfp);
 235                 if (!page) {
 236                         __iommu_dma_free_pages(pages, i);
 237                         return NULL;
 238                 }
 239                 j = 1 << order;
 240                 count -= j;
 241                 while (j--)
 242                         pages[i++] = page++;
 243         }
 244         return pages;
 245 }
 246
 247 /**
 248  * iommu_dma_free - Free a buffer allocated by iommu_dma_alloc()
 249  * @dev: Device which owns this buffer
 250  * @pages: Array of buffer pages as returned by iommu_dma_alloc()
 251  * @size: Size of buffer in bytes
 252  * @handle: DMA address of buffer
 253  *
 254  * Frees both the pages associated with the buffer, and the array
 255  * describing them
 256  */
 257 void iommu_dma_free(struct device *dev, struct page **pages, size_t size,
 258                 dma_addr_t *handle)
 259 {
 260         __iommu_dma_unmap(iommu_get_domain_for_dev(dev), *handle);
 261         __iommu_dma_free_pages(pages, PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT);
 262         *handle = DMA_ERROR_CODE;
 263 }
 264
 265 /**
 266  * iommu_dma_alloc - Allocate and map a buffer contiguous in IOVA space
 267  * @dev: Device to allocate memory for. Must be a real device
 268  *       attached to an iommu_dma_domain
 269  * @size: Size of buffer in bytes
 270  * @gfp: Allocation flags
 271  * @prot: IOMMU mapping flags
 272  * @handle: Out argument for allocated DMA handle
 273  * @flush_page: Arch callback which must ensure PAGE_SIZE bytes from the
 274  *              given VA/PA are visible to the given non-coherent device.
 275  *
 276  * If @size is less than PAGE_SIZE, then a full CPU page will be allocated,
 277  * but an IOMMU which supports smaller pages might not map the whole thing.
 278  *
 279  * Return: Array of struct page pointers describing the buffer,
 280  *         or NULL on failure.
 281  */
 282 struct page **iommu_dma_alloc(struct device *dev, size_t size,
 283                 gfp_t gfp, int prot, dma_addr_t *handle,
 284                 void (*flush_page)(struct device *, const void *, phys_addr_t))
 285 {
 286         struct iommu_domain *domain = iommu_get_domain_for_dev(dev);
 287         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 288         struct iova *iova;
 289         struct page **pages;
 290         struct sg_table sgt;
 291         dma_addr_t dma_addr;
 292         unsigned int count = PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT;
 293
 294         *handle = DMA_ERROR_CODE;
 295
 296         pages = __iommu_dma_alloc_pages(count, gfp);
 297         if (!pages)
 298                 return NULL;
 299
 300         iova = __alloc_iova(iovad, size, dev->coherent_dma_mask);
 301         if (!iova)
 302                 goto out_free_pages;
 303
 304         size = iova_align(iovad, size);
 305         if (sg_alloc_table_from_pages(&sgt, pages, count, 0, size, GFP_KERNEL))
 306                 goto out_free_iova;
 307
 308         if (!(prot & IOMMU_CACHE)) {
 309                 struct sg_mapping_iter miter;
 310                 /*
 311                  * The CPU-centric flushing implied by SG_MITER_TO_SG isn't
 312                  * sufficient here, so skip it by using the "wrong" direction.
 313                  */
 314                 sg_miter_start(&miter, sgt.sgl, sgt.orig_nents, SG_MITER_FROM_SG);
 315                 while (sg_miter_next(&miter))
 316                         flush_page(dev, miter.addr, page_to_phys(miter.page));
 317                 sg_miter_stop(&miter);
 318         }
 319
 320         dma_addr = iova_dma_addr(iovad, iova);
 321         if (iommu_map_sg(domain, dma_addr, sgt.sgl, sgt.orig_nents, prot)
 322                         < size)
 323                 goto out_free_sg;
 324
 325         *handle = dma_addr;
 326         sg_free_table(&sgt);
 327         return pages;
 328
 329 out_free_sg:
 330         sg_free_table(&sgt);
 331 out_free_iova:
 332         __free_iova(iovad, iova);
 333 out_free_pages:
 334         __iommu_dma_free_pages(pages, count);
 335         return NULL;
 336 }
 337
 338 /**
 339  * iommu_dma_mmap - Map a buffer into provided user VMA
 340  * @pages: Array representing buffer from iommu_dma_alloc()
 341  * @size: Size of buffer in bytes
 342  * @vma: VMA describing requested userspace mapping
 343  *
 344  * Maps the pages of the buffer in @pages into @vma. The caller is responsible
 345  * for verifying the correct size and protection of @vma beforehand.
 346  */
 347
 348 int iommu_dma_mmap(struct page **pages, size_t size, struct vm_area_struct *vma)
 349 {
 350         unsigned long uaddr = vma->vm_start;
 351         unsigned int i, count = PAGE_ALIGN(size) >> PAGE_SHIFT;
 352         int ret = -ENXIO;
 353
 354         for (i = vma->vm_pgoff; i < count && uaddr < vma->vm_end; i++) {
 355                 ret = vm_insert_page(vma, uaddr, pages[i]);
 356                 if (ret)
 357                         break;
 358                 uaddr += PAGE_SIZE;
 359         }
 360         return ret;
 361 }
 362
 363 dma_addr_t iommu_dma_map_page(struct device *dev, struct page *page,
 364                 unsigned long offset, size_t size, int prot)
 365 {
 366         dma_addr_t dma_addr;
 367         struct iommu_domain *domain = iommu_get_domain_for_dev(dev);
 368         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 369         phys_addr_t phys = page_to_phys(page) + offset;
 370         size_t iova_off = iova_offset(iovad, phys);
 371         size_t len = iova_align(iovad, size + iova_off);
 372         struct iova *iova = __alloc_iova(iovad, len, dma_get_mask(dev));
 373
 374         if (!iova)
 375                 return DMA_ERROR_CODE;
 376
 377         dma_addr = iova_dma_addr(iovad, iova);
 378         if (iommu_map(domain, dma_addr, phys - iova_off, len, prot)) {
 379                 __free_iova(iovad, iova);
 380                 return DMA_ERROR_CODE;
 381         }
 382         return dma_addr + iova_off;
 383 }
 384
 385 void iommu_dma_unmap_page(struct device *dev, dma_addr_t handle, size_t size,
 386                 enum dma_data_direction dir, struct dma_attrs *attrs)
 387 {
 388         __iommu_dma_unmap(iommu_get_domain_for_dev(dev), handle);
 389 }
 390
 391 /*
 392  * Prepare a successfully-mapped scatterlist to give back to the caller.
 393  * Handling IOVA concatenation can come later, if needed
 394  */
 395 static int __finalise_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents,
 396                 dma_addr_t dma_addr)
 397 {
 398         struct scatterlist *s;
 399         int i;
 400
 401         for_each_sg(sg, s, nents, i) {
 402                 /* Un-swizzling the fields here, hence the naming mismatch */
 403                 unsigned int s_offset = sg_dma_address(s);
 404                 unsigned int s_length = sg_dma_len(s);
 405                 unsigned int s_dma_len = s->length;
 406
 407                 s->offset += s_offset;
 408                 s->length = s_length;
 409                 sg_dma_address(s) = dma_addr + s_offset;
 410                 dma_addr += s_dma_len;
 411         }
 412         return i;
 413 }
 414
 415 /*
 416  * If mapping failed, then just restore the original list,
 417  * but making sure the DMA fields are invalidated.
 418  */
 419 static void __invalidate_sg(struct scatterlist *sg, int nents)
 420 {
 421         struct scatterlist *s;
 422         int i;
 423
 424         for_each_sg(sg, s, nents, i) {
 425                 if (sg_dma_address(s) != DMA_ERROR_CODE)
 426                         s->offset += sg_dma_address(s);
 427                 if (sg_dma_len(s))
 428                         s->length = sg_dma_len(s);
 429                 sg_dma_address(s) = DMA_ERROR_CODE;
 430                 sg_dma_len(s) = 0;
 431         }
 432 }
 433
 434 /*
 435  * The DMA API client is passing in a scatterlist which could describe
 436  * any old buffer layout, but the IOMMU API requires everything to be
 437  * aligned to IOMMU pages. Hence the need for this complicated bit of
 438  * impedance-matching, to be able to hand off a suitably-aligned list,
 439  * but still preserve the original offsets and sizes for the caller.
 440  */
 441 int iommu_dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
 442                 int nents, int prot)
 443 {
 444         struct iommu_domain *domain = iommu_get_domain_for_dev(dev);
 445         struct iova_domain *iovad = domain->iova_cookie;
 446         struct iova *iova;
 447         struct scatterlist *s, *prev = NULL;
 448         dma_addr_t dma_addr;
 449         size_t iova_len = 0;
 450         int i;
 451
 452         /*
 453          * Work out how much IOVA space we need, and align the segments to
 454          * IOVA granules for the IOMMU driver to handle. With some clever
 455          * trickery we can modify the list in-place, but reversibly, by
 456          * hiding the original data in the as-yet-unused DMA fields.
 457          */
 458         for_each_sg(sg, s, nents, i) {
 459                 size_t s_offset = iova_offset(iovad, s->offset);
 460                 size_t s_length = s->length;
 461
 462                 sg_dma_address(s) = s_offset;
 463                 sg_dma_len(s) = s_length;
 464                 s->offset -= s_offset;
 465                 s_length = iova_align(iovad, s_length + s_offset);
 466                 s->length = s_length;
 467
 468                 /*
 469                  * The simple way to avoid the rare case of a segment
 470                  * crossing the boundary mask is to pad the previous one
 471                  * to end at a naturally-aligned IOVA for this one's size,
 472                  * at the cost of potentially over-allocating a little.
 473                  */
 474                 if (prev) {
 475                         size_t pad_len = roundup_pow_of_two(s_length);
 476
 477                         pad_len = (pad_len - iova_len) & (pad_len - 1);
 478                         prev->length += pad_len;
 479                         iova_len += pad_len;
 480                 }
 481
 482                 iova_len += s_length;
 483                 prev = s;
 484         }
 485
 486         iova = __alloc_iova(iovad, iova_len, dma_get_mask(dev));
 487         if (!iova)
 488                 goto out_restore_sg;
 489
 490         /*
 491          * We'll leave any physical concatenation to the IOMMU driver's
 492          * implementation - it knows better than we do.
 493          */
 494         dma_addr = iova_dma_addr(iovad, iova);
 495         if (iommu_map_sg(domain, dma_addr, sg, nents, prot) < iova_len)
 496                 goto out_free_iova;
 497
 498         return __finalise_sg(dev, sg, nents, dma_addr);
 499
 500 out_free_iova:
 501         __free_iova(iovad, iova);
 502 out_restore_sg:
 503         __invalidate_sg(sg, nents);
 504         return 0;
 505 }
 506
 507 void iommu_dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nents,
 508                 enum dma_data_direction dir, struct dma_attrs *attrs)
 509 {
 510         /*
 511          * The scatterlist segments are mapped into a single
 512          * contiguous IOVA allocation, so this is incredibly easy.
 513          */
 514         __iommu_dma_unmap(iommu_get_domain_for_dev(dev), sg_dma_address(sg));
 515 }
 516
 517 int iommu_dma_supported(struct device *dev, u64 mask)
 518 {
 519         /*
 520          * 'Special' IOMMUs which don't have the same addressing capability
 521          * as the CPU will have to wait until we have some way to query that
 522          * before they'll be able to use this framework.
 523          */
 524         return 1;
 525 }
 526
 527 int iommu_dma_mapping_error(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr)
 528 {
 529         return dma_addr == DMA_ERROR_CODE;
 530 }