GNU Linux-libre 5.4.274-gnu1
[releases.git] / arch / x86 / include / asm / tlbflush.h
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 #ifndef _ASM_X86_TLBFLUSH_H
3 #define _ASM_X86_TLBFLUSH_H
4
5 #include <linux/mm.h>
6 #include <linux/sched.h>
7
8 #include <asm/processor.h>
9 #include <asm/cpufeature.h>
10 #include <asm/special_insns.h>
11 #include <asm/smp.h>
12 #include <asm/invpcid.h>
13 #include <asm/pti.h>
14 #include <asm/processor-flags.h>
15
16 /*
17  * The x86 feature is called PCID (Process Context IDentifier). It is similar
18  * to what is traditionally called ASID on the RISC processors.
19  *
20  * We don't use the traditional ASID implementation, where each process/mm gets
21  * its own ASID and flush/restart when we run out of ASID space.
22  *
23  * Instead we have a small per-cpu array of ASIDs and cache the last few mm's
24  * that came by on this CPU, allowing cheaper switch_mm between processes on
25  * this CPU.
26  *
27  * We end up with different spaces for different things. To avoid confusion we
28  * use different names for each of them:
29  *
30  * ASID  - [0, TLB_NR_DYN_ASIDS-1]
31  *         the canonical identifier for an mm
32  *
33  * kPCID - [1, TLB_NR_DYN_ASIDS]
34  *         the value we write into the PCID part of CR3; corresponds to the
35  *         ASID+1, because PCID 0 is special.
36  *
37  * uPCID - [2048 + 1, 2048 + TLB_NR_DYN_ASIDS]
38  *         for KPTI each mm has two address spaces and thus needs two
39  *         PCID values, but we can still do with a single ASID denomination
40  *         for each mm. Corresponds to kPCID + 2048.
41  *
42  */
43
44 /* There are 12 bits of space for ASIDS in CR3 */
45 #define CR3_HW_ASID_BITS                12
46
47 /*
48  * When enabled, PAGE_TABLE_ISOLATION consumes a single bit for
49  * user/kernel switches
50  */
51 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
52 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 1
53 #else
54 # define PTI_CONSUMED_PCID_BITS 0
55 #endif
56
57 #define CR3_AVAIL_PCID_BITS (X86_CR3_PCID_BITS - PTI_CONSUMED_PCID_BITS)
58
59 /*
60  * ASIDs are zero-based: 0->MAX_AVAIL_ASID are valid.  -1 below to account
61  * for them being zero-based.  Another -1 is because PCID 0 is reserved for
62  * use by non-PCID-aware users.
63  */
64 #define MAX_ASID_AVAILABLE ((1 << CR3_AVAIL_PCID_BITS) - 2)
65
66 /*
67  * 6 because 6 should be plenty and struct tlb_state will fit in two cache
68  * lines.
69  */
70 #define TLB_NR_DYN_ASIDS        6
71
72 /*
73  * Given @asid, compute kPCID
74  */
75 static inline u16 kern_pcid(u16 asid)
76 {
77         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
78
79 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
80         /*
81          * Make sure that the dynamic ASID space does not confict with the
82          * bit we are using to switch between user and kernel ASIDs.
83          */
84         BUILD_BUG_ON(TLB_NR_DYN_ASIDS >= (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
85
86         /*
87          * The ASID being passed in here should have respected the
88          * MAX_ASID_AVAILABLE and thus never have the switch bit set.
89          */
90         VM_WARN_ON_ONCE(asid & (1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT));
91 #endif
92         /*
93          * The dynamically-assigned ASIDs that get passed in are small
94          * (<TLB_NR_DYN_ASIDS).  They never have the high switch bit set,
95          * so do not bother to clear it.
96          *
97          * If PCID is on, ASID-aware code paths put the ASID+1 into the
98          * PCID bits.  This serves two purposes.  It prevents a nasty
99          * situation in which PCID-unaware code saves CR3, loads some other
100          * value (with PCID == 0), and then restores CR3, thus corrupting
101          * the TLB for ASID 0 if the saved ASID was nonzero.  It also means
102          * that any bugs involving loading a PCID-enabled CR3 with
103          * CR4.PCIDE off will trigger deterministically.
104          */
105         return asid + 1;
106 }
107
108 /*
109  * Given @asid, compute uPCID
110  */
111 static inline u16 user_pcid(u16 asid)
112 {
113         u16 ret = kern_pcid(asid);
114 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
115         ret |= 1 << X86_CR3_PTI_PCID_USER_BIT;
116 #endif
117         return ret;
118 }
119
120 struct pgd_t;
121 static inline unsigned long build_cr3(pgd_t *pgd, u16 asid)
122 {
123         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID)) {
124                 return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid);
125         } else {
126                 VM_WARN_ON_ONCE(asid != 0);
127                 return __sme_pa(pgd);
128         }
129 }
130
131 static inline unsigned long build_cr3_noflush(pgd_t *pgd, u16 asid)
132 {
133         VM_WARN_ON_ONCE(asid > MAX_ASID_AVAILABLE);
134         /*
135          * Use boot_cpu_has() instead of this_cpu_has() as this function
136          * might be called during early boot. This should work even after
137          * boot because all CPU's the have same capabilities:
138          */
139         VM_WARN_ON_ONCE(!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PCID));
140         return __sme_pa(pgd) | kern_pcid(asid) | CR3_NOFLUSH;
141 }
142
143 #ifdef CONFIG_PARAVIRT
144 #include <asm/paravirt.h>
145 #else
146 #define __flush_tlb() __native_flush_tlb()
147 #define __flush_tlb_global() __native_flush_tlb_global()
148 #define __flush_tlb_one_user(addr) __native_flush_tlb_one_user(addr)
149 #endif
150
151 struct tlb_context {
152         u64 ctx_id;
153         u64 tlb_gen;
154 };
155
156 struct tlb_state {
157         /*
158          * cpu_tlbstate.loaded_mm should match CR3 whenever interrupts
159          * are on.  This means that it may not match current->active_mm,
160          * which will contain the previous user mm when we're in lazy TLB
161          * mode even if we've already switched back to swapper_pg_dir.
162          *
163          * During switch_mm_irqs_off(), loaded_mm will be set to
164          * LOADED_MM_SWITCHING during the brief interrupts-off window
165          * when CR3 and loaded_mm would otherwise be inconsistent.  This
166          * is for nmi_uaccess_okay()'s benefit.
167          */
168         struct mm_struct *loaded_mm;
169
170 #define LOADED_MM_SWITCHING ((struct mm_struct *)1UL)
171
172         /* Last user mm for optimizing IBPB */
173         union {
174                 struct mm_struct        *last_user_mm;
175                 unsigned long           last_user_mm_ibpb;
176         };
177
178         u16 loaded_mm_asid;
179         u16 next_asid;
180
181         /*
182          * We can be in one of several states:
183          *
184          *  - Actively using an mm.  Our CPU's bit will be set in
185          *    mm_cpumask(loaded_mm) and is_lazy == false;
186          *
187          *  - Not using a real mm.  loaded_mm == &init_mm.  Our CPU's bit
188          *    will not be set in mm_cpumask(&init_mm) and is_lazy == false.
189          *
190          *  - Lazily using a real mm.  loaded_mm != &init_mm, our bit
191          *    is set in mm_cpumask(loaded_mm), but is_lazy == true.
192          *    We're heuristically guessing that the CR3 load we
193          *    skipped more than makes up for the overhead added by
194          *    lazy mode.
195          */
196         bool is_lazy;
197
198         /*
199          * If set we changed the page tables in such a way that we
200          * needed an invalidation of all contexts (aka. PCIDs / ASIDs).
201          * This tells us to go invalidate all the non-loaded ctxs[]
202          * on the next context switch.
203          *
204          * The current ctx was kept up-to-date as it ran and does not
205          * need to be invalidated.
206          */
207         bool invalidate_other;
208
209         /*
210          * Mask that contains TLB_NR_DYN_ASIDS+1 bits to indicate
211          * the corresponding user PCID needs a flush next time we
212          * switch to it; see SWITCH_TO_USER_CR3.
213          */
214         unsigned short user_pcid_flush_mask;
215
216         /*
217          * Access to this CR4 shadow and to H/W CR4 is protected by
218          * disabling interrupts when modifying either one.
219          */
220         unsigned long cr4;
221
222         /*
223          * This is a list of all contexts that might exist in the TLB.
224          * There is one per ASID that we use, and the ASID (what the
225          * CPU calls PCID) is the index into ctxts.
226          *
227          * For each context, ctx_id indicates which mm the TLB's user
228          * entries came from.  As an invariant, the TLB will never
229          * contain entries that are out-of-date as when that mm reached
230          * the tlb_gen in the list.
231          *
232          * To be clear, this means that it's legal for the TLB code to
233          * flush the TLB without updating tlb_gen.  This can happen
234          * (for now, at least) due to paravirt remote flushes.
235          *
236          * NB: context 0 is a bit special, since it's also used by
237          * various bits of init code.  This is fine -- code that
238          * isn't aware of PCID will end up harmlessly flushing
239          * context 0.
240          */
241         struct tlb_context ctxs[TLB_NR_DYN_ASIDS];
242 };
243 DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate);
244
245 /*
246  * Blindly accessing user memory from NMI context can be dangerous
247  * if we're in the middle of switching the current user task or
248  * switching the loaded mm.  It can also be dangerous if we
249  * interrupted some kernel code that was temporarily using a
250  * different mm.
251  */
252 static inline bool nmi_uaccess_okay(void)
253 {
254         struct mm_struct *loaded_mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
255         struct mm_struct *current_mm = current->mm;
256
257         VM_WARN_ON_ONCE(!loaded_mm);
258
259         /*
260          * The condition we want to check is
261          * current_mm->pgd == __va(read_cr3_pa()).  This may be slow, though,
262          * if we're running in a VM with shadow paging, and nmi_uaccess_okay()
263          * is supposed to be reasonably fast.
264          *
265          * Instead, we check the almost equivalent but somewhat conservative
266          * condition below, and we rely on the fact that switch_mm_irqs_off()
267          * sets loaded_mm to LOADED_MM_SWITCHING before writing to CR3.
268          */
269         if (loaded_mm != current_mm)
270                 return false;
271
272         VM_WARN_ON_ONCE(current_mm->pgd != __va(read_cr3_pa()));
273
274         return true;
275 }
276
277 #define nmi_uaccess_okay nmi_uaccess_okay
278
279 /* Initialize cr4 shadow for this CPU. */
280 static inline void cr4_init_shadow(void)
281 {
282         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, __read_cr4());
283 }
284
285 static inline void __cr4_set(unsigned long cr4)
286 {
287         lockdep_assert_irqs_disabled();
288         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, cr4);
289         __write_cr4(cr4);
290 }
291
292 /* Set in this cpu's CR4. */
293 static inline void cr4_set_bits_irqsoff(unsigned long mask)
294 {
295         unsigned long cr4;
296
297         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
298         if ((cr4 | mask) != cr4)
299                 __cr4_set(cr4 | mask);
300 }
301
302 /* Clear in this cpu's CR4. */
303 static inline void cr4_clear_bits_irqsoff(unsigned long mask)
304 {
305         unsigned long cr4;
306
307         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
308         if ((cr4 & ~mask) != cr4)
309                 __cr4_set(cr4 & ~mask);
310 }
311
312 /* Set in this cpu's CR4. */
313 static inline void cr4_set_bits(unsigned long mask)
314 {
315         unsigned long flags;
316
317         local_irq_save(flags);
318         cr4_set_bits_irqsoff(mask);
319         local_irq_restore(flags);
320 }
321
322 /* Clear in this cpu's CR4. */
323 static inline void cr4_clear_bits(unsigned long mask)
324 {
325         unsigned long flags;
326
327         local_irq_save(flags);
328         cr4_clear_bits_irqsoff(mask);
329         local_irq_restore(flags);
330 }
331
332 static inline void cr4_toggle_bits_irqsoff(unsigned long mask)
333 {
334         unsigned long cr4;
335
336         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
337         __cr4_set(cr4 ^ mask);
338 }
339
340 /* Read the CR4 shadow. */
341 static inline unsigned long cr4_read_shadow(void)
342 {
343         return this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
344 }
345
346 /*
347  * Mark all other ASIDs as invalid, preserves the current.
348  */
349 static inline void invalidate_other_asid(void)
350 {
351         this_cpu_write(cpu_tlbstate.invalidate_other, true);
352 }
353
354 /*
355  * Save some of cr4 feature set we're using (e.g.  Pentium 4MB
356  * enable and PPro Global page enable), so that any CPU's that boot
357  * up after us can get the correct flags.  This should only be used
358  * during boot on the boot cpu.
359  */
360 extern unsigned long mmu_cr4_features;
361 extern u32 *trampoline_cr4_features;
362
363 static inline void cr4_set_bits_and_update_boot(unsigned long mask)
364 {
365         mmu_cr4_features |= mask;
366         if (trampoline_cr4_features)
367                 *trampoline_cr4_features = mmu_cr4_features;
368         cr4_set_bits(mask);
369 }
370
371 extern void initialize_tlbstate_and_flush(void);
372
373 /*
374  * Given an ASID, flush the corresponding user ASID.  We can delay this
375  * until the next time we switch to it.
376  *
377  * See SWITCH_TO_USER_CR3.
378  */
379 static inline void invalidate_user_asid(u16 asid)
380 {
381         /* There is no user ASID if address space separation is off */
382         if (!IS_ENABLED(CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION))
383                 return;
384
385         /*
386          * We only have a single ASID if PCID is off and the CR3
387          * write will have flushed it.
388          */
389         if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
390                 return;
391
392         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
393                 return;
394
395         __set_bit(kern_pcid(asid),
396                   (unsigned long *)this_cpu_ptr(&cpu_tlbstate.user_pcid_flush_mask));
397 }
398
399 /*
400  * flush the entire current user mapping
401  */
402 static inline void __native_flush_tlb(void)
403 {
404         /*
405          * Preemption or interrupts must be disabled to protect the access
406          * to the per CPU variable and to prevent being preempted between
407          * read_cr3() and write_cr3().
408          */
409         WARN_ON_ONCE(preemptible());
410
411         invalidate_user_asid(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid));
412
413         /* If current->mm == NULL then the read_cr3() "borrows" an mm */
414         native_write_cr3(__native_read_cr3());
415 }
416
417 /*
418  * flush everything
419  */
420 static inline void __native_flush_tlb_global(void)
421 {
422         unsigned long cr4, flags;
423
424         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID)) {
425                 /*
426                  * Using INVPCID is considerably faster than a pair of writes
427                  * to CR4 sandwiched inside an IRQ flag save/restore.
428                  *
429                  * Note, this works with CR4.PCIDE=0 or 1.
430                  */
431                 invpcid_flush_all();
432                 return;
433         }
434
435         /*
436          * Read-modify-write to CR4 - protect it from preemption and
437          * from interrupts. (Use the raw variant because this code can
438          * be called from deep inside debugging code.)
439          */
440         raw_local_irq_save(flags);
441
442         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
443         /* toggle PGE */
444         native_write_cr4(cr4 ^ X86_CR4_PGE);
445         /* write old PGE again and flush TLBs */
446         native_write_cr4(cr4);
447
448         raw_local_irq_restore(flags);
449 }
450
451 /*
452  * flush one page in the user mapping
453  */
454 static inline void __native_flush_tlb_one_user(unsigned long addr)
455 {
456         u32 loaded_mm_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
457
458         asm volatile("invlpg (%0)" ::"r" (addr) : "memory");
459
460         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
461                 return;
462
463         /*
464          * Some platforms #GP if we call invpcid(type=1/2) before CR4.PCIDE=1.
465          * Just use invalidate_user_asid() in case we are called early.
466          */
467         if (!this_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE))
468                 invalidate_user_asid(loaded_mm_asid);
469         else
470                 invpcid_flush_one(user_pcid(loaded_mm_asid), addr);
471 }
472
473 /*
474  * flush everything
475  */
476 static inline void __flush_tlb_all(void)
477 {
478         /*
479          * This is to catch users with enabled preemption and the PGE feature
480          * and don't trigger the warning in __native_flush_tlb().
481          */
482         VM_WARN_ON_ONCE(preemptible());
483
484         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
485                 __flush_tlb_global();
486         } else {
487                 /*
488                  * !PGE -> !PCID (setup_pcid()), thus every flush is total.
489                  */
490                 __flush_tlb();
491         }
492 }
493
494 /*
495  * flush one page in the kernel mapping
496  */
497 static inline void __flush_tlb_one_kernel(unsigned long addr)
498 {
499         count_vm_tlb_event(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ONE);
500
501         /*
502          * If PTI is off, then __flush_tlb_one_user() is just INVLPG or its
503          * paravirt equivalent.  Even with PCID, this is sufficient: we only
504          * use PCID if we also use global PTEs for the kernel mapping, and
505          * INVLPG flushes global translations across all address spaces.
506          *
507          * If PTI is on, then the kernel is mapped with non-global PTEs, and
508          * __flush_tlb_one_user() will flush the given address for the current
509          * kernel address space and for its usermode counterpart, but it does
510          * not flush it for other address spaces.
511          */
512         __flush_tlb_one_user(addr);
513
514         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
515                 return;
516
517         /*
518          * See above.  We need to propagate the flush to all other address
519          * spaces.  In principle, we only need to propagate it to kernelmode
520          * address spaces, but the extra bookkeeping we would need is not
521          * worth it.
522          */
523         invalidate_other_asid();
524 }
525
526 #define TLB_FLUSH_ALL   -1UL
527
528 /*
529  * TLB flushing:
530  *
531  *  - flush_tlb_all() flushes all processes TLBs
532  *  - flush_tlb_mm(mm) flushes the specified mm context TLB's
533  *  - flush_tlb_page(vma, vmaddr) flushes one page
534  *  - flush_tlb_range(vma, start, end) flushes a range of pages
535  *  - flush_tlb_kernel_range(start, end) flushes a range of kernel pages
536  *  - flush_tlb_others(cpumask, info) flushes TLBs on other cpus
537  *
538  * ..but the i386 has somewhat limited tlb flushing capabilities,
539  * and page-granular flushes are available only on i486 and up.
540  */
541 struct flush_tlb_info {
542         /*
543          * We support several kinds of flushes.
544          *
545          * - Fully flush a single mm.  .mm will be set, .end will be
546          *   TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen will be the tlb_gen to
547          *   which the IPI sender is trying to catch us up.
548          *
549          * - Partially flush a single mm.  .mm will be set, .start and
550          *   .end will indicate the range, and .new_tlb_gen will be set
551          *   such that the changes between generation .new_tlb_gen-1 and
552          *   .new_tlb_gen are entirely contained in the indicated range.
553          *
554          * - Fully flush all mms whose tlb_gens have been updated.  .mm
555          *   will be NULL, .end will be TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen
556          *   will be zero.
557          */
558         struct mm_struct        *mm;
559         unsigned long           start;
560         unsigned long           end;
561         u64                     new_tlb_gen;
562         unsigned int            stride_shift;
563         bool                    freed_tables;
564 };
565
566 #define local_flush_tlb() __flush_tlb()
567
568 #define flush_tlb_mm(mm)                                                \
569                 flush_tlb_mm_range(mm, 0UL, TLB_FLUSH_ALL, 0UL, true)
570
571 #define flush_tlb_range(vma, start, end)                                \
572         flush_tlb_mm_range((vma)->vm_mm, start, end,                    \
573                            ((vma)->vm_flags & VM_HUGETLB)               \
574                                 ? huge_page_shift(hstate_vma(vma))      \
575                                 : PAGE_SHIFT, false)
576
577 extern void flush_tlb_all(void);
578 extern void flush_tlb_mm_range(struct mm_struct *mm, unsigned long start,
579                                 unsigned long end, unsigned int stride_shift,
580                                 bool freed_tables);
581 extern void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end);
582
583 static inline void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long a)
584 {
585         flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, a, a + PAGE_SIZE, PAGE_SHIFT, false);
586 }
587
588 void native_flush_tlb_others(const struct cpumask *cpumask,
589                              const struct flush_tlb_info *info);
590
591 static inline u64 inc_mm_tlb_gen(struct mm_struct *mm)
592 {
593         /*
594          * Bump the generation count.  This also serves as a full barrier
595          * that synchronizes with switch_mm(): callers are required to order
596          * their read of mm_cpumask after their writes to the paging
597          * structures.
598          */
599         return atomic64_inc_return(&mm->context.tlb_gen);
600 }
601
602 static inline void arch_tlbbatch_add_mm(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch,
603                                         struct mm_struct *mm)
604 {
605         inc_mm_tlb_gen(mm);
606         cpumask_or(&batch->cpumask, &batch->cpumask, mm_cpumask(mm));
607 }
608
609 extern void arch_tlbbatch_flush(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch);
610
611 #ifndef CONFIG_PARAVIRT
612 #define flush_tlb_others(mask, info)    \
613         native_flush_tlb_others(mask, info)
614
615 #define paravirt_tlb_remove_table(tlb, page) \
616         tlb_remove_page(tlb, (void *)(page))
617 #endif
618
619 #endif /* _ASM_X86_TLBFLUSH_H */