drivers/xen/swiotlb-xen.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
   2 /*
   3  *  Copyright 2010
   4  *  by Konrad Rzeszutek Wilk <[email protected]>
   5  *
   6  * This code provides a IOMMU for Xen PV guests with PCI passthrough.
   7  *
   8  * PV guests under Xen are running in an non-contiguous memory architecture.
   9  *
  10  * When PCI pass-through is utilized, this necessitates an IOMMU for
  11  * translating bus (DMA) to virtual and vice-versa and also providing a
  12  * mechanism to have contiguous pages for device drivers operations (say DMA
  13  * operations).
  14  *
  15  * Specifically, under Xen the Linux idea of pages is an illusion. It
  16  * assumes that pages start at zero and go up to the available memory. To
  17  * help with that, the Linux Xen MMU provides a lookup mechanism to
  18  * translate the page frame numbers (PFN) to machine frame numbers (MFN)
  19  * and vice-versa. The MFN are the "real" frame numbers. Furthermore
  20  * memory is not contiguous. Xen hypervisor stitches memory for guests
  21  * from different pools, which means there is no guarantee that PFN==MFN
  22  * and PFN+1==MFN+1. Lastly with Xen 4.0, pages (in debug mode) are
  23  * allocated in descending order (high to low), meaning the guest might
  24  * never get any MFN's under the 4GB mark.
  25  */
  26
  27 #define pr_fmt(fmt) "xen:" KBUILD_MODNAME ": " fmt
  28
  29 #include <linux/memblock.h>
  30 #include <linux/dma-direct.h>
  31 #include <linux/dma-map-ops.h>
  32 #include <linux/export.h>
  33 #include <xen/swiotlb-xen.h>
  34 #include <xen/page.h>
  35 #include <xen/xen-ops.h>
  36 #include <xen/hvc-console.h>
  37
  38 #include <asm/dma-mapping.h>
  39 #include <asm/xen/page-coherent.h>
  40
  41 #include <trace/events/swiotlb.h>
  42 #define MAX_DMA_BITS 32
  43
  44 /*
  45  * Quick lookup value of the bus address of the IOTLB.
  46  */
  47
  48 static inline phys_addr_t xen_phys_to_bus(struct device *dev, phys_addr_t paddr)
  49 {
  50         unsigned long bfn = pfn_to_bfn(XEN_PFN_DOWN(paddr));
  51         phys_addr_t baddr = (phys_addr_t)bfn << XEN_PAGE_SHIFT;
  52
  53         baddr |= paddr & ~XEN_PAGE_MASK;
  54         return baddr;
  55 }
  56
  57 static inline dma_addr_t xen_phys_to_dma(struct device *dev, phys_addr_t paddr)
  58 {
  59         return phys_to_dma(dev, xen_phys_to_bus(dev, paddr));
  60 }
  61
  62 static inline phys_addr_t xen_bus_to_phys(struct device *dev,
  63                                           phys_addr_t baddr)
  64 {
  65         unsigned long xen_pfn = bfn_to_pfn(XEN_PFN_DOWN(baddr));
  66         phys_addr_t paddr = (xen_pfn << XEN_PAGE_SHIFT) |
  67                             (baddr & ~XEN_PAGE_MASK);
  68
  69         return paddr;
  70 }
  71
  72 static inline phys_addr_t xen_dma_to_phys(struct device *dev,
  73                                           dma_addr_t dma_addr)
  74 {
  75         return xen_bus_to_phys(dev, dma_to_phys(dev, dma_addr));
  76 }
  77
  78 static inline int range_straddles_page_boundary(phys_addr_t p, size_t size)
  79 {
  80         unsigned long next_bfn, xen_pfn = XEN_PFN_DOWN(p);
  81         unsigned int i, nr_pages = XEN_PFN_UP(xen_offset_in_page(p) + size);
  82
  83         next_bfn = pfn_to_bfn(xen_pfn);
  84
  85         for (i = 1; i < nr_pages; i++)
  86                 if (pfn_to_bfn(++xen_pfn) != ++next_bfn)
  87                         return 1;
  88
  89         return 0;
  90 }
  91
  92 static int is_xen_swiotlb_buffer(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr)
  93 {
  94         unsigned long bfn = XEN_PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dma_addr));
  95         unsigned long xen_pfn = bfn_to_local_pfn(bfn);
  96         phys_addr_t paddr = (phys_addr_t)xen_pfn << XEN_PAGE_SHIFT;
  97
  98         /* If the address is outside our domain, it CAN
  99          * have the same virtual address as another address
 100          * in our domain. Therefore _only_ check address within our domain.
 101          */
 102         if (pfn_valid(PFN_DOWN(paddr)))
 103                 return is_swiotlb_buffer(paddr);
 104         return 0;
 105 }
 106
 107 static int xen_swiotlb_fixup(void *buf, unsigned long nslabs)
 108 {
 109         int i, rc;
 110         int dma_bits;
 111         dma_addr_t dma_handle;
 112         phys_addr_t p = virt_to_phys(buf);
 113
 114         dma_bits = get_order(IO_TLB_SEGSIZE << IO_TLB_SHIFT) + PAGE_SHIFT;
 115
 116         i = 0;
 117         do {
 118                 int slabs = min(nslabs - i, (unsigned long)IO_TLB_SEGSIZE);
 119
 120                 do {
 121                         rc = xen_create_contiguous_region(
 122                                 p + (i << IO_TLB_SHIFT),
 123                                 get_order(slabs << IO_TLB_SHIFT),
 124                                 dma_bits, &dma_handle);
 125                 } while (rc && dma_bits++ < MAX_DMA_BITS);
 126                 if (rc)
 127                         return rc;
 128
 129                 i += slabs;
 130         } while (i < nslabs);
 131         return 0;
 132 }
 133
 134 enum xen_swiotlb_err {
 135         XEN_SWIOTLB_UNKNOWN = 0,
 136         XEN_SWIOTLB_ENOMEM,
 137         XEN_SWIOTLB_EFIXUP
 138 };
 139
 140 static const char *xen_swiotlb_error(enum xen_swiotlb_err err)
 141 {
 142         switch (err) {
 143         case XEN_SWIOTLB_ENOMEM:
 144                 return "Cannot allocate Xen-SWIOTLB buffer\n";
 145         case XEN_SWIOTLB_EFIXUP:
 146                 return "Failed to get contiguous memory for DMA from Xen!\n"\
 147                     "You either: don't have the permissions, do not have"\
 148                     " enough free memory under 4GB, or the hypervisor memory"\
 149                     " is too fragmented!";
 150         default:
 151                 break;
 152         }
 153         return "";
 154 }
 155
 156 #define DEFAULT_NSLABS          ALIGN(SZ_64M >> IO_TLB_SHIFT, IO_TLB_SEGSIZE)
 157
 158 int __ref xen_swiotlb_init(void)
 159 {
 160         enum xen_swiotlb_err m_ret = XEN_SWIOTLB_UNKNOWN;
 161         unsigned long bytes = swiotlb_size_or_default();
 162         unsigned long nslabs = bytes >> IO_TLB_SHIFT;
 163         unsigned int order, repeat = 3;
 164         int rc = -ENOMEM;
 165         char *start;
 166
 167 retry:
 168         m_ret = XEN_SWIOTLB_ENOMEM;
 169         order = get_order(bytes);
 170
 171         /*
 172          * Get IO TLB memory from any location.
 173          */
 174 #define SLABS_PER_PAGE (1 << (PAGE_SHIFT - IO_TLB_SHIFT))
 175 #define IO_TLB_MIN_SLABS ((1<<20) >> IO_TLB_SHIFT)
 176         while ((SLABS_PER_PAGE << order) > IO_TLB_MIN_SLABS) {
 177                 start = (void *)xen_get_swiotlb_free_pages(order);
 178                 if (start)
 179                         break;
 180                 order--;
 181         }
 182         if (!start)
 183                 goto error;
 184         if (order != get_order(bytes)) {
 185                 pr_warn("Warning: only able to allocate %ld MB for software IO TLB\n",
 186                         (PAGE_SIZE << order) >> 20);
 187                 nslabs = SLABS_PER_PAGE << order;
 188                 bytes = nslabs << IO_TLB_SHIFT;
 189         }
 190
 191         /*
 192          * And replace that memory with pages under 4GB.
 193          */
 194         rc = xen_swiotlb_fixup(start, nslabs);
 195         if (rc) {
 196                 free_pages((unsigned long)start, order);
 197                 m_ret = XEN_SWIOTLB_EFIXUP;
 198                 goto error;
 199         }
 200         rc = swiotlb_late_init_with_tbl(start, nslabs);
 201         if (rc)
 202                 return rc;
 203         swiotlb_set_max_segment(PAGE_SIZE);
 204         return 0;
 205 error:
 206         if (repeat--) {
 207                 /* Min is 2MB */
 208                 nslabs = max(1024UL, (nslabs >> 1));
 209                 pr_info("Lowering to %luMB\n",
 210                         (nslabs << IO_TLB_SHIFT) >> 20);
 211                 goto retry;
 212         }
 213         pr_err("%s (rc:%d)\n", xen_swiotlb_error(m_ret), rc);
 214         free_pages((unsigned long)start, order);
 215         return rc;
 216 }
 217
 218 #ifdef CONFIG_X86
 219 void __init xen_swiotlb_init_early(void)
 220 {
 221         unsigned long bytes = swiotlb_size_or_default();
 222         unsigned long nslabs = bytes >> IO_TLB_SHIFT;
 223         unsigned int repeat = 3;
 224         char *start;
 225         int rc;
 226
 227 retry:
 228         /*
 229          * Get IO TLB memory from any location.
 230          */
 231         start = memblock_alloc(PAGE_ALIGN(bytes), PAGE_SIZE);
 232         if (!start)
 233                 panic("%s: Failed to allocate %lu bytes align=0x%lx\n",
 234                       __func__, PAGE_ALIGN(bytes), PAGE_SIZE);
 235
 236         /*
 237          * And replace that memory with pages under 4GB.
 238          */
 239         rc = xen_swiotlb_fixup(start, nslabs);
 240         if (rc) {
 241                 memblock_free(__pa(start), PAGE_ALIGN(bytes));
 242                 if (repeat--) {
 243                         /* Min is 2MB */
 244                         nslabs = max(1024UL, (nslabs >> 1));
 245                         bytes = nslabs << IO_TLB_SHIFT;
 246                         pr_info("Lowering to %luMB\n", bytes >> 20);
 247                         goto retry;
 248                 }
 249                 panic("%s (rc:%d)", xen_swiotlb_error(XEN_SWIOTLB_EFIXUP), rc);
 250         }
 251
 252         if (swiotlb_init_with_tbl(start, nslabs, false))
 253                 panic("Cannot allocate SWIOTLB buffer");
 254         swiotlb_set_max_segment(PAGE_SIZE);
 255 }
 256 #endif /* CONFIG_X86 */
 257
 258 static void *
 259 xen_swiotlb_alloc_coherent(struct device *hwdev, size_t size,
 260                            dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flags,
 261                            unsigned long attrs)
 262 {
 263         void *ret;
 264         int order = get_order(size);
 265         u64 dma_mask = DMA_BIT_MASK(32);
 266         phys_addr_t phys;
 267         dma_addr_t dev_addr;
 268
 269         /*
 270         * Ignore region specifiers - the kernel's ideas of
 271         * pseudo-phys memory layout has nothing to do with the
 272         * machine physical layout.  We can't allocate highmem
 273         * because we can't return a pointer to it.
 274         */
 275         flags &= ~(__GFP_DMA | __GFP_HIGHMEM);
 276
 277         /* Convert the size to actually allocated. */
 278         size = 1UL << (order + XEN_PAGE_SHIFT);
 279
 280         /* On ARM this function returns an ioremap'ped virtual address for
 281          * which virt_to_phys doesn't return the corresponding physical
 282          * address. In fact on ARM virt_to_phys only works for kernel direct
 283          * mapped RAM memory. Also see comment below.
 284          */
 285         ret = xen_alloc_coherent_pages(hwdev, size, dma_handle, flags, attrs);
 286
 287         if (!ret)
 288                 return ret;
 289
 290         if (hwdev && hwdev->coherent_dma_mask)
 291                 dma_mask = hwdev->coherent_dma_mask;
 292
 293         /* At this point dma_handle is the dma address, next we are
 294          * going to set it to the machine address.
 295          * Do not use virt_to_phys(ret) because on ARM it doesn't correspond
 296          * to *dma_handle. */
 297         phys = dma_to_phys(hwdev, *dma_handle);
 298         dev_addr = xen_phys_to_dma(hwdev, phys);
 299         if (((dev_addr + size - 1 <= dma_mask)) &&
 300             !range_straddles_page_boundary(phys, size))
 301                 *dma_handle = dev_addr;
 302         else {
 303                 if (xen_create_contiguous_region(phys, order,
 304                                                  fls64(dma_mask), dma_handle) != 0) {
 305                         xen_free_coherent_pages(hwdev, size, ret, (dma_addr_t)phys, attrs);
 306                         return NULL;
 307                 }
 308                 *dma_handle = phys_to_dma(hwdev, *dma_handle);
 309                 SetPageXenRemapped(virt_to_page(ret));
 310         }
 311         memset(ret, 0, size);
 312         return ret;
 313 }
 314
 315 static void
 316 xen_swiotlb_free_coherent(struct device *hwdev, size_t size, void *vaddr,
 317                           dma_addr_t dev_addr, unsigned long attrs)
 318 {
 319         int order = get_order(size);
 320         phys_addr_t phys;
 321         u64 dma_mask = DMA_BIT_MASK(32);
 322         struct page *page;
 323
 324         if (hwdev && hwdev->coherent_dma_mask)
 325                 dma_mask = hwdev->coherent_dma_mask;
 326
 327         /* do not use virt_to_phys because on ARM it doesn't return you the
 328          * physical address */
 329         phys = xen_dma_to_phys(hwdev, dev_addr);
 330
 331         /* Convert the size to actually allocated. */
 332         size = 1UL << (order + XEN_PAGE_SHIFT);
 333
 334         if (is_vmalloc_addr(vaddr))
 335                 page = vmalloc_to_page(vaddr);
 336         else
 337                 page = virt_to_page(vaddr);
 338
 339         if (!WARN_ON((dev_addr + size - 1 > dma_mask) ||
 340                      range_straddles_page_boundary(phys, size)) &&
 341             TestClearPageXenRemapped(page))
 342                 xen_destroy_contiguous_region(phys, order);
 343
 344         xen_free_coherent_pages(hwdev, size, vaddr, phys_to_dma(hwdev, phys),
 345                                 attrs);
 346 }
 347
 348 /*
 349  * Map a single buffer of the indicated size for DMA in streaming mode.  The
 350  * physical address to use is returned.
 351  *
 352  * Once the device is given the dma address, the device owns this memory until
 353  * either xen_swiotlb_unmap_page or xen_swiotlb_dma_sync_single is performed.
 354  */
 355 static dma_addr_t xen_swiotlb_map_page(struct device *dev, struct page *page,
 356                                 unsigned long offset, size_t size,
 357                                 enum dma_data_direction dir,
 358                                 unsigned long attrs)
 359 {
 360         phys_addr_t map, phys = page_to_phys(page) + offset;
 361         dma_addr_t dev_addr = xen_phys_to_dma(dev, phys);
 362
 363         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 364         /*
 365          * If the address happens to be in the device's DMA window,
 366          * we can safely return the device addr and not worry about bounce
 367          * buffering it.
 368          */
 369         if (dma_capable(dev, dev_addr, size, true) &&
 370             !range_straddles_page_boundary(phys, size) &&
 371                 !xen_arch_need_swiotlb(dev, phys, dev_addr) &&
 372                 swiotlb_force != SWIOTLB_FORCE)
 373                 goto done;
 374
 375         /*
 376          * Oh well, have to allocate and map a bounce buffer.
 377          */
 378         trace_swiotlb_bounced(dev, dev_addr, size, swiotlb_force);
 379
 380         map = swiotlb_tbl_map_single(dev, phys, size, size, dir, attrs);
 381         if (map == (phys_addr_t)DMA_MAPPING_ERROR)
 382                 return DMA_MAPPING_ERROR;
 383
 384         phys = map;
 385         dev_addr = xen_phys_to_dma(dev, map);
 386
 387         /*
 388          * Ensure that the address returned is DMA'ble
 389          */
 390         if (unlikely(!dma_capable(dev, dev_addr, size, true))) {
 391                 swiotlb_tbl_unmap_single(dev, map, size, dir,
 392                                 attrs | DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC);
 393                 return DMA_MAPPING_ERROR;
 394         }
 395
 396 done:
 397         if (!dev_is_dma_coherent(dev) && !(attrs & DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC)) {
 398                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dev_addr))))
 399                         arch_sync_dma_for_device(phys, size, dir);
 400                 else
 401                         xen_dma_sync_for_device(dev, dev_addr, size, dir);
 402         }
 403         return dev_addr;
 404 }
 405
 406 /*
 407  * Unmap a single streaming mode DMA translation.  The dma_addr and size must
 408  * match what was provided for in a previous xen_swiotlb_map_page call.  All
 409  * other usages are undefined.
 410  *
 411  * After this call, reads by the cpu to the buffer are guaranteed to see
 412  * whatever the device wrote there.
 413  */
 414 static void xen_swiotlb_unmap_page(struct device *hwdev, dma_addr_t dev_addr,
 415                 size_t size, enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
 416 {
 417         phys_addr_t paddr = xen_dma_to_phys(hwdev, dev_addr);
 418
 419         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 420
 421         if (!dev_is_dma_coherent(hwdev) && !(attrs & DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC)) {
 422                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(hwdev, dev_addr))))
 423                         arch_sync_dma_for_cpu(paddr, size, dir);
 424                 else
 425                         xen_dma_sync_for_cpu(hwdev, dev_addr, size, dir);
 426         }
 427
 428         /* NOTE: We use dev_addr here, not paddr! */
 429         if (is_xen_swiotlb_buffer(hwdev, dev_addr))
 430                 swiotlb_tbl_unmap_single(hwdev, paddr, size, dir, attrs);
 431 }
 432
 433 static void
 434 xen_swiotlb_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
 435                 size_t size, enum dma_data_direction dir)
 436 {
 437         phys_addr_t paddr = xen_dma_to_phys(dev, dma_addr);
 438
 439         if (!dev_is_dma_coherent(dev)) {
 440                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dma_addr))))
 441                         arch_sync_dma_for_cpu(paddr, size, dir);
 442                 else
 443                         xen_dma_sync_for_cpu(dev, dma_addr, size, dir);
 444         }
 445
 446         if (is_xen_swiotlb_buffer(dev, dma_addr))
 447                 swiotlb_sync_single_for_cpu(dev, paddr, size, dir);
 448 }
 449
 450 static void
 451 xen_swiotlb_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr,
 452                 size_t size, enum dma_data_direction dir)
 453 {
 454         phys_addr_t paddr = xen_dma_to_phys(dev, dma_addr);
 455
 456         if (is_xen_swiotlb_buffer(dev, dma_addr))
 457                 swiotlb_sync_single_for_device(dev, paddr, size, dir);
 458
 459         if (!dev_is_dma_coherent(dev)) {
 460                 if (pfn_valid(PFN_DOWN(dma_to_phys(dev, dma_addr))))
 461                         arch_sync_dma_for_device(paddr, size, dir);
 462                 else
 463                         xen_dma_sync_for_device(dev, dma_addr, size, dir);
 464         }
 465 }
 466
 467 /*
 468  * Unmap a set of streaming mode DMA translations.  Again, cpu read rules
 469  * concerning calls here are the same as for swiotlb_unmap_page() above.
 470  */
 471 static void
 472 xen_swiotlb_unmap_sg(struct device *hwdev, struct scatterlist *sgl, int nelems,
 473                 enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
 474 {
 475         struct scatterlist *sg;
 476         int i;
 477
 478         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 479
 480         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i)
 481                 xen_swiotlb_unmap_page(hwdev, sg->dma_address, sg_dma_len(sg),
 482                                 dir, attrs);
 483
 484 }
 485
 486 static int
 487 xen_swiotlb_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sgl, int nelems,
 488                 enum dma_data_direction dir, unsigned long attrs)
 489 {
 490         struct scatterlist *sg;
 491         int i;
 492
 493         BUG_ON(dir == DMA_NONE);
 494
 495         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i) {
 496                 sg->dma_address = xen_swiotlb_map_page(dev, sg_page(sg),
 497                                 sg->offset, sg->length, dir, attrs);
 498                 if (sg->dma_address == DMA_MAPPING_ERROR)
 499                         goto out_unmap;
 500                 sg_dma_len(sg) = sg->length;
 501         }
 502
 503         return nelems;
 504 out_unmap:
 505         xen_swiotlb_unmap_sg(dev, sgl, i, dir, attrs | DMA_ATTR_SKIP_CPU_SYNC);
 506         sg_dma_len(sgl) = 0;
 507         return 0;
 508 }
 509
 510 static void
 511 xen_swiotlb_sync_sg_for_cpu(struct device *dev, struct scatterlist *sgl,
 512                             int nelems, enum dma_data_direction dir)
 513 {
 514         struct scatterlist *sg;
 515         int i;
 516
 517         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i) {
 518                 xen_swiotlb_sync_single_for_cpu(dev, sg->dma_address,
 519                                 sg->length, dir);
 520         }
 521 }
 522
 523 static void
 524 xen_swiotlb_sync_sg_for_device(struct device *dev, struct scatterlist *sgl,
 525                                int nelems, enum dma_data_direction dir)
 526 {
 527         struct scatterlist *sg;
 528         int i;
 529
 530         for_each_sg(sgl, sg, nelems, i) {
 531                 xen_swiotlb_sync_single_for_device(dev, sg->dma_address,
 532                                 sg->length, dir);
 533         }
 534 }
 535
 536 /*
 537  * Return whether the given device DMA address mask can be supported
 538  * properly.  For example, if your device can only drive the low 24-bits
 539  * during bus mastering, then you would pass 0x00ffffff as the mask to
 540  * this function.
 541  */
 542 static int
 543 xen_swiotlb_dma_supported(struct device *hwdev, u64 mask)
 544 {
 545         return xen_phys_to_dma(hwdev, io_tlb_default_mem->end - 1) <= mask;
 546 }
 547
 548 const struct dma_map_ops xen_swiotlb_dma_ops = {
 549         .alloc = xen_swiotlb_alloc_coherent,
 550         .free = xen_swiotlb_free_coherent,
 551         .sync_single_for_cpu = xen_swiotlb_sync_single_for_cpu,
 552         .sync_single_for_device = xen_swiotlb_sync_single_for_device,
 553         .sync_sg_for_cpu = xen_swiotlb_sync_sg_for_cpu,
 554         .sync_sg_for_device = xen_swiotlb_sync_sg_for_device,
 555         .map_sg = xen_swiotlb_map_sg,
 556         .unmap_sg = xen_swiotlb_unmap_sg,
 557         .map_page = xen_swiotlb_map_page,
 558         .unmap_page = xen_swiotlb_unmap_page,
 559         .dma_supported = xen_swiotlb_dma_supported,
 560         .mmap = dma_common_mmap,
 561         .get_sgtable = dma_common_get_sgtable,
 562         .alloc_pages = dma_common_alloc_pages,
 563         .free_pages = dma_common_free_pages,
 564 };