Kernel/arch/x86_64/mm_phys.c

   1 /*
   2  * Acess2 x86_64 Port
   3  *
   4  * Physical Memory Manager
   5  */
   6 #include <acess.h>
   7 #include <mboot.h>
   8 #include <mm_virt.h>
   9
  10 enum eMMPhys_Ranges
  11 {
  12         MM_PHYS_16BIT,  // Does anything need this?
  13         MM_PHYS_20BIT,  // Real-Mode
  14         MM_PHYS_24BIT,  // ISA DMA
  15         MM_PHYS_32BIT,  // x86 Hardware
  16         MM_PHYS_MAX,    // Doesn't care
  17         NUM_MM_PHYS_RANGES
  18 };
  19
  20 // === IMPORTS ===
  21 extern void     gKernelBase;
  22 extern void     gKernelEnd;
  23
  24 // === PROTOTYPES ===
  25 void    MM_InitPhys_Multiboot(tMBoot_Info *MBoot);
  26 tPAddr  MM_AllocPhysRange(int Num, int Bits);
  27 tPAddr  MM_AllocPhys(void);
  28 void    MM_RefPhys(tPAddr PAddr);
  29 void    MM_DerefPhys(tPAddr PAddr);
  30  int    MM_int_GetRangeID( tPAddr Addr );
  31
  32 // === GLOBALS ===
  33 tSpinlock       glPhysicalPages;
  34 Uint64  *gaSuperBitmap; // 1 bit = 64 Pages, 16 MiB Per Word
  35 Uint64  *gaMainBitmap;  // 1 bit = 1 Page, 256 KiB per Word
  36 Uint64  *gaMultiBitmap; // Each bit means that the page is being used multiple times
  37 Uint32  *gaiPageReferences = (void*)MM_PAGE_COUNTS;     // Reference Counts
  38 tPAddr  giFirstFreePage;        // First possibly free page
  39 Uint64  giPhysRangeFree[NUM_MM_PHYS_RANGES];    // Number of free pages in each range
  40 Uint64  giPhysRangeFirst[NUM_MM_PHYS_RANGES];   // First free page in each range
  41 Uint64  giPhysRangeLast[NUM_MM_PHYS_RANGES];    // Last free page in each range
  42 Uint64  giMaxPhysPage = 0;      // Maximum Physical page
  43 // Only used in init, allows the init code to provide pages for use by
  44 // the allocator before the bitmaps exist.
  45 // 3 entries because the are three calls to MM_AllocPhys in MM_Map
  46 #define NUM_STATIC_ALLOC        3
  47 tPAddr  gaiStaticAllocPages[NUM_STATIC_ALLOC] = {0};
  48
  49 // === CODE ===
  50 /**
  51  * \brief Initialise the physical memory map using a Multiboot 1 map
  52  */
  53 void MM_InitPhys_Multiboot(tMBoot_Info *MBoot)
  54 {
  55         tMBoot_MMapEnt  *mmapStart;
  56         tMBoot_MMapEnt  *ent;
  57         Uint64  maxAddr = 0;
  58          int    numPages, superPages;
  59          int    i;
  60         Uint64  base, size;
  61         tVAddr  vaddr;
  62         tPAddr  paddr, firstFreePage;
  63
  64         Log("MM_InitPhys_Multiboot: (MBoot=%p)", MBoot);
  65
  66         // Scan the physical memory map
  67         // Looking for the top of physical memory
  68         mmapStart = (void *)( KERNEL_BASE | MBoot->MMapAddr );
  69         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: mmapStart = %p", mmapStart);
  70         ent = mmapStart;
  71         while( (Uint)ent < (Uint)mmapStart + MBoot->MMapLength )
  72         {
  73                 // Adjust for the size of the entry
  74                 ent->Size += 4;
  75                 Log(" MM_InitPhys_Multiboot: ent={Type:%i,Base:0x%x,Length:%x",
  76                         ent->Type, ent->Base, ent->Length);
  77
  78                 // If entry is RAM and is above `maxAddr`, change `maxAddr`
  79                 if(ent->Type == 1 && ent->Base + ent->Length > maxAddr)
  80                         maxAddr = ent->Base + ent->Length;
  81
  82                 // Go to next entry
  83                 ent = (tMBoot_MMapEnt *)( (Uint)ent + ent->Size );
  84         }
  85
  86         // Did we find a valid end?
  87         if(maxAddr == 0) {
  88                 // No, darn, let's just use the HighMem hack
  89                 giMaxPhysPage = (MBoot->HighMem >> 2) + 256;    // HighMem is a kByte value
  90         }
  91         else {
  92                 // Goodie, goodie gumdrops
  93                 giMaxPhysPage = maxAddr >> 12;
  94         }
  95         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: giMaxPhysPage = 0x%x", giMaxPhysPage);
  96
  97         // Find a contigous section of memory to hold it in
  98         // - Starting from the end of the kernel
  99         // - We also need a region for the super bitmap
 100         superPages = ((giMaxPhysPage+64*8-1)/(64*8) + 0xFFF) >> 12;
 101         numPages = (giMaxPhysPage + 7) / 8;
 102         numPages = (numPages + 0xFFF) >> 12;
 103         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: numPages = %i, superPages = %i",
 104                 numPages, superPages);
 105         if(maxAddr == 0)
 106         {
 107                  int    todo = numPages*2 + superPages;
 108                 // Ok, naieve allocation, just put it after the kernel
 109                 // - Allocated Bitmap
 110                 vaddr = MM_PAGE_BITMAP;
 111                 paddr = (tPAddr)&gKernelEnd - KERNEL_BASE;
 112                 while(todo )
 113                 {
 114                         // Allocate statics
 115                         for( i = 0; i < NUM_STATIC_ALLOC; i++) {
 116                                 if(gaiStaticAllocPages[i] != 0) continue;
 117                                 gaiStaticAllocPages[i] = paddr;
 118                                 paddr += 0x1000;
 119                         }
 120
 121                         MM_Map(vaddr, paddr);
 122                         vaddr += 0x1000;
 123                         paddr += 0x1000;
 124
 125                         todo --;
 126
 127                         if( todo == numPages + superPages )
 128                                 vaddr = MM_PAGE_DBLBMP;
 129                         if( todo == superPages )
 130                                 vaddr = MM_PAGE_SUPBMP;
 131                 }
 132         }
 133         // Scan for a nice range
 134         else
 135         {
 136                  int    todo = numPages*2 + superPages;
 137                 paddr = 0;
 138                 vaddr = MM_PAGE_BITMAP;
 139                 // Scan!
 140                 for(
 141                         ent = mmapStart;
 142                         (Uint)ent < (Uint)mmapStart + MBoot->MMapLength;
 143                         ent = (tMBoot_MMapEnt *)( (Uint)ent + ent->Size )
 144                         )
 145                 {
 146                          int    avail;
 147
 148                         // RAM only please
 149                         if( ent->Type != 1 )
 150                                 continue;
 151
 152                         // Let's not put it below the kernel, shall we?
 153                         if( ent->Base + ent->Size < (tPAddr)&gKernelBase )
 154                                 continue;
 155
 156                         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: %x <= %x && %x > %x",
 157                                 ent->Base, (tPAddr)&gKernelBase,
 158                                 ent->Base + ent->Size, (tPAddr)&gKernelEnd - KERNEL_BASE
 159                                 );
 160                         // Check if the kernel is in this range
 161                         if( ent->Base <= (tPAddr)&gKernelBase
 162                         && ent->Base + ent->Length > (tPAddr)&gKernelEnd - KERNEL_BASE )
 163                         {
 164                                 avail = ent->Length >> 12;
 165                                 avail -= ((tPAddr)&gKernelEnd - KERNEL_BASE - ent->Base) >> 12;
 166                                 paddr = (tPAddr)&gKernelEnd - KERNEL_BASE;
 167                         }
 168                         // No? then we can use all of the block
 169                         else
 170                         {
 171                                 avail = ent->Length >> 12;
 172                                 paddr = ent->Base;
 173                         }
 174
 175                         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: paddr=0x%x, avail=%i", paddr, avail);
 176
 177                         // Map
 178                         while( todo && avail --)
 179                         {
 180                                 // Static Allocations
 181                                 for( i = 0; i < NUM_STATIC_ALLOC && avail; i++) {
 182                                         if(gaiStaticAllocPages[i] != 0) continue;
 183                                         gaiStaticAllocPages[i] = paddr;
 184                                         paddr += 0x1000;
 185                                         avail --;
 186                                 }
 187                                 if(!avail)      break;
 188
 189                                 // Map
 190                                 MM_Map(vaddr, paddr);
 191                                 todo --;
 192                                 vaddr += 0x1000;
 193                                 paddr += 0x1000;
 194
 195                                 // Alter the destination address when needed
 196                                 if(todo == superPages+numPages)
 197                                         vaddr = MM_PAGE_DBLBMP;
 198                                 if(todo == superPages)
 199                                         vaddr = MM_PAGE_SUPBMP;
 200                         }
 201
 202                         // Fast quit if there's nothing left to allocate
 203                         if( !todo )             break;
 204                 }
 205         }
 206         // Save the current value of paddr to simplify the allocation later
 207         firstFreePage = paddr;
 208
 209         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: Clearing multi bitmap");
 210         // Fill the bitmaps
 211         memset(gaMultiBitmap, 0, numPages<<12);
 212         // - initialise to one, then clear the avaliable areas
 213         memset(gaMainBitmap, -1, numPages<<12);
 214         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: Setting main bitmap");
 215         // - Clear all Type=1 areas
 216         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: Clearing valid regions");
 217         for(
 218                 ent = mmapStart;
 219                 (Uint)ent < (Uint)mmapStart + MBoot->MMapLength;
 220                 ent = (tMBoot_MMapEnt *)( (Uint)ent + ent->Size )
 221                 )
 222         {
 223                 // Check if the type is RAM
 224                 if(ent->Type != 1)      continue;
 225
 226                 // Main bitmap
 227                 base = ent->Base >> 12;
 228                 size = ent->Size >> 12;
 229
 230                 if(base & 63) {
 231                         Uint64  val = -1 << (base & 63);
 232                         gaMainBitmap[base / 64] &= ~val;
 233                         size -= (base & 63);
 234                         base += 64 - (base & 63);
 235                 }
 236                 memset( &gaMainBitmap[base / 64], 0, size/8 );
 237                 if( size & 7 ) {
 238                         Uint64  val = -1 << (size & 7);
 239                         val <<= (size/8)&7;
 240                         gaMainBitmap[base / 64] &= ~val;
 241                 }
 242
 243                 // Super Bitmap
 244                 base = ent->Base >> 12;
 245                 size = ent->Size >> 12;
 246                 size = (size + (base & 63) + 63) >> 6;
 247                 base = base >> 6;
 248                 if(base & 63) {
 249                         Uint64  val = -1 << (base & 63);
 250                         gaSuperBitmap[base / 64] &= ~val;
 251                         size -= (base & 63);
 252                         base += 64 - (base & 63);
 253                 }
 254         }
 255
 256         // Reference the used pages
 257         base = (tPAddr)&gKernelBase >> 12;
 258         size = firstFreePage >> 12;
 259         memset( &gaMainBitmap[base / 64], -1, size/8 );
 260         if( size & 7 ) {
 261                 Uint64  val = -1 << (size & 7);
 262                 val <<= (size/8)&7;
 263                 gaMainBitmap[base / 64] |= val;
 264         }
 265
 266         // Free the unused static allocs
 267         for( i = 0; i < NUM_STATIC_ALLOC; i++) {
 268                 if(gaiStaticAllocPages[i] != 0)
 269                         continue;
 270                 gaMainBitmap[ gaiStaticAllocPages[i] >> (12+6) ]
 271                         &= ~(1 << ((gaiStaticAllocPages[i]>>12)&63));
 272         }
 273
 274         // Fill the super bitmap
 275         Log(" MM_InitPhys_Multiboot: Filling super bitmap");
 276         memset(gaSuperBitmap, 0, superPages<<12);
 277         for( base = 0; base < (size+63)/64; base ++)
 278         {
 279                 if( gaMainBitmap[ base ] == -1 )
 280                         gaSuperBitmap[ base/64 ] |= 1 << (base&63);
 281         }
 282
 283         // Set free page counts
 284         for( base = 1; base < giMaxPhysPage; base ++ )
 285         {
 286                  int    rangeID;
 287                 // Skip allocated
 288                 if( gaMainBitmap[ base >> 6 ] & (1 << (base&63))  )     continue;
 289
 290                 // Get range ID
 291                 rangeID = MM_int_GetRangeID( base << 12 );
 292
 293                 // Increment free page count
 294                 giPhysRangeFree[ rangeID ] ++;
 295
 296                 // Check for first free page in range
 297                 if(giPhysRangeFirst[ rangeID ] == 0)
 298                         giPhysRangeFirst[ rangeID ] = base;
 299                 // Set last (when the last free page is reached, this won't be
 300                 // updated anymore, hence will be correct)
 301                 giPhysRangeLast[ rangeID ] = base;
 302         }
 303 }
 304
 305 /**
 306  * \brief Allocate a contiguous range of physical pages with a maximum
 307  *        bit size of \a Bits
 308  * \param Num   Number of pages to allocate
 309  * \param Bits  Maximum size of the physical address
 310  * \note If \a Bits is <= 0, any sized address is used (with preference
 311  *       to higher addresses)
 312  */
 313 tPAddr MM_AllocPhysRange(int Num, int Bits)
 314 {
 315         tPAddr  addr;
 316          int    rangeID;
 317          int    nFree = 0, i;
 318
 319         Log("MM_AllocPhysRange: (Num=%i,Bits=%i)", Num, Bits);
 320
 321         if( Bits <= 0 || Bits >= 64 )   // Speedup for the common case
 322                 rangeID = MM_PHYS_MAX;
 323         else
 324                 rangeID = MM_int_GetRangeID( (1 << Bits) -1 );
 325
 326         Log(" MM_AllocPhysRange: rangeID = %i", rangeID);
 327
 328         LOCK(&glPhysicalPages);
 329         Log(" MM_AllocPhysRange: i has lock");
 330
 331         // Check if the range actually has any free pages
 332         while(giPhysRangeFree[rangeID] == 0 && rangeID)
 333                 rangeID --;
 334
 335         Log(" MM_AllocPhysRange: rangeID = %i", rangeID);
 336
 337         // What the? Oh, man. No free pages
 338         if(giPhysRangeFree[rangeID] == 0) {
 339                 RELEASE(&glPhysicalPages);
 340                 // TODO: Page out
 341                 // ATM. Just Warning
 342                 Warning(" MM_AllocPhysRange: Out of free pages");
 343                 Log_Warning("Arch",
 344                         "Out of memory (unable to fulfil request for %i pages), zero remaining",
 345                         Num
 346                         );
 347                 return 0;
 348         }
 349
 350         // Check if there is enough in the range
 351         if(giPhysRangeFree[rangeID] >= Num)
 352         {
 353                 Log(" MM_AllocPhysRange: {%i,0x%x -> 0x%x}",
 354                         giPhysRangeFree[rangeID],
 355                         giPhysRangeFirst[rangeID], giPhysRangeLast[rangeID]
 356                         );
 357                 // Do a cheap scan, scanning upwards from the first free page in
 358                 // the range
 359                 nFree = 0;
 360                 addr = giPhysRangeFirst[ rangeID ];
 361                 while( addr <= giPhysRangeLast[ rangeID ] )
 362                 {
 363                         //Log(" MM_AllocPhysRange: addr = 0x%x", addr);
 364                         // Check the super bitmap
 365                         if( gaSuperBitmap[addr >> (6+6)] == -1 ) {
 366                                 Log(" MM_AllocPhysRange: nFree = %i = 0 (super) (0x%x)", nFree, addr);
 367                                 nFree = 0;
 368                                 addr += 1 << (6+6);
 369                                 addr &= (1 << (6+6)) - 1;
 370                                 continue;
 371                         }
 372                         // Check page block (64 pages)
 373                         if( gaSuperBitmap[addr >> (6+6)] & (1 << (addr>>6)&63)) {
 374                                 Log(" MM_AllocPhysRange: nFree = %i = 0 (main) (0x%x)", nFree, addr);
 375                                 nFree = 0;
 376                                 addr += 1 << (12+6);
 377                                 addr &= (1 << (12+6)) - 1;
 378                                 continue;
 379                         }
 380                         // Check individual page
 381                         if( gaMainBitmap[addr >> 6] & (1 << (addr & 63)) ) {
 382                                 Log(" MM_AllocPhysRange: nFree = %i = 0 (page) (0x%x)", nFree, addr);
 383                                 nFree = 0;
 384                                 addr ++;
 385                                 continue;
 386                         }
 387                         nFree ++;
 388                         addr ++;
 389                         Log(" MM_AllocPhysRange: nFree(%i) == %i (0x%x)", nFree, Num, addr);
 390                         if(nFree == Num)
 391                                 break;
 392                 }
 393                 Log(" MM_AllocPhysRange: nFree = %i", nFree);
 394                 // If we don't find a contiguous block, nFree will not be equal
 395                 // to Num, so we set it to zero and do the expensive lookup.
 396                 if(nFree != Num)        nFree = 0;
 397         }
 398
 399         if( !nFree )
 400         {
 401                 // Oops. ok, let's do an expensive check (scan down the list
 402                 // until a free range is found)
 403                 nFree = 1;
 404                 addr = giPhysRangeLast[ rangeID ];
 405                 // TODO
 406                 RELEASE(&glPhysicalPages);
 407                 // TODO: Page out
 408                 // ATM. Just Warning
 409                 Warning(" MM_AllocPhysRange: Out of memory (unable to fulfil request for %i pages)", Num);
 410                 Log_Warning("Arch",
 411                         "Out of memory (unable to fulfil request for %i pages)",
 412                         Num
 413                         );
 414                 return 0;
 415         }
 416         Log(" MM_AllocPhysRange: nFree = %i, addr = 0x%08x", nFree, addr);
 417
 418         // Mark pages as allocated
 419         addr -= Num;
 420         for( i = 0; i < Num; i++ )
 421         {
 422                 gaMainBitmap[addr >> 6] |= 1 << (addr & 63);
 423                 rangeID = MM_int_GetRangeID(addr);
 424                 giPhysRangeFree[ rangeID ] --;
 425         }
 426
 427         // Update super bitmap
 428         Num += addr & (64-1);
 429         addr &= ~(64-1);
 430         Num = (Num + (64-1)) & ~(64-1);
 431         for( i = 0; i < Num/64; i++ )
 432         {
 433                 if( gaMainBitmap[ addr >> 6 ] == -1 )
 434                         gaSuperBitmap[addr>>12] |= 1 << ((addr >> 6) & 64);
 435         }
 436
 437         RELEASE(&glPhysicalPages);
 438         Log("MM_AllocPhysRange: RETURN %x", addr << 12);
 439         return addr << 12;
 440 }
 441
 442 /**
 443  * \brief Allocate a single physical page, with no preference as to address
 444  *        size.
 445  */
 446 tPAddr MM_AllocPhys(void)
 447 {
 448          int    i;
 449
 450         // Hack to allow allocation during setup
 451         for(i = 0; i < NUM_STATIC_ALLOC; i++) {
 452                 if( gaiStaticAllocPages[i] ) {
 453                         tPAddr  ret = gaiStaticAllocPages[i];
 454                         gaiStaticAllocPages[i] = 0;
 455                         Log("MM_AllocPhys: Return %x, static alloc %i", ret, i);
 456                         return ret;
 457                 }
 458         }
 459
 460         return MM_AllocPhysRange(1, -1);
 461 }
 462
 463 /**
 464  * \brief Reference a physical page
 465  */
 466 void MM_RefPhys(tPAddr PAddr)
 467 {
 468         Uint64  page = PAddr >> 12;
 469
 470         if( PAddr >> 12 > giMaxPhysPage )       return ;
 471
 472         if( gaMainBitmap[ page >> 6 ] & (1 << (page&63)) )
 473         {
 474                 // Reference again
 475                 gaMultiBitmap[ page >> 6 ] |= 1 << (page&63);
 476                 gaiPageReferences[ page ] ++;
 477         }
 478         else
 479         {
 480                 // Allocate
 481                 gaMainBitmap[page >> 6] |= 1 << (page&63);
 482                 if( gaMainBitmap[page >> 6 ] == -1 )
 483                         gaSuperBitmap[page>> 12] |= 1 << ((page >> 6) & 63);
 484         }
 485 }
 486
 487 /**
 488  * \brief Dereference a physical page
 489  */
 490 void MM_DerefPhys(tPAddr PAddr)
 491 {
 492         Uint64  page = PAddr >> 12;
 493
 494         if( PAddr >> 12 > giMaxPhysPage )       return ;
 495
 496         if( gaMultiBitmap[ page >> 6 ] & (1 << (page&63)) ) {
 497                 gaiPageReferences[ page ] --;
 498                 if( gaiPageReferences[ page ] == 1 )
 499                         gaMultiBitmap[ page >> 6 ] &= ~(1 << (page&63));
 500                 if( gaiPageReferences[ page ] == 0 )
 501                         gaMainBitmap[ page >> 6 ] &= ~(1 << (page&63));
 502         }
 503         else
 504                 gaMainBitmap[ page >> 6 ] &= ~(1 << (page&63));
 505
 506         // TODO: Update free counts
 507         if( !(gaMainBitmap[ page >> 6 ] & (1 << (page&63))) )
 508         {
 509                  int    rangeID;
 510                 rangeID = MM_int_GetRangeID( PAddr );
 511                 giPhysRangeFree[ rangeID ] ++;
 512         }
 513
 514         if(gaMainBitmap[ page >> 6 ] == 0) {
 515                 gaSuperBitmap[page >> 12] &= ~(1 << ((page >> 6) & 63));
 516         }
 517 }
 518
 519 /**
 520  * \brief Takes a physical address and returns the ID of its range
 521  * \param Addr  Physical address of page
 522  * \return Range ID from eMMPhys_Ranges
 523  */
 524 int MM_int_GetRangeID( tPAddr Addr )
 525 {
 526         if(Addr >> 32)
 527                 return MM_PHYS_MAX;
 528         else if(Addr >> 24)
 529                 return MM_PHYS_32BIT;
 530         else if(Addr >> 20)
 531                 return MM_PHYS_24BIT;
 532         else if(Addr >> 16)
 533                 return MM_PHYS_20BIT;
 534         else
 535                 return MM_PHYS_16BIT;
 536 }