GNU Linux-libre 4.14.290-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 static inline bool tlb_defer_switch_to_init_mm(void)
152 {
153         /*
154          * If we have PCID, then switching to init_mm is reasonably
155          * fast.  If we don't have PCID, then switching to init_mm is
156          * quite slow, so we try to defer it in the hopes that we can
157          * avoid it entirely.  The latter approach runs the risk of
158          * receiving otherwise unnecessary IPIs.
159          *
160          * This choice is just a heuristic.  The tlb code can handle this
161          * function returning true or false regardless of whether we have
162          * PCID.
163          */
164         return !static_cpu_has(X86_FEATURE_PCID);
165 }
166
167 struct tlb_context {
168         u64 ctx_id;
169         u64 tlb_gen;
170 };
171
172 struct tlb_state {
173         /*
174          * cpu_tlbstate.loaded_mm should match CR3 whenever interrupts
175          * are on.  This means that it may not match current->active_mm,
176          * which will contain the previous user mm when we're in lazy TLB
177          * mode even if we've already switched back to swapper_pg_dir.
178          *
179          * During switch_mm_irqs_off(), loaded_mm will be set to
180          * LOADED_MM_SWITCHING during the brief interrupts-off window
181          * when CR3 and loaded_mm would otherwise be inconsistent.  This
182          * is for nmi_uaccess_okay()'s benefit.
183          */
184         struct mm_struct *loaded_mm;
185
186 #define LOADED_MM_SWITCHING ((struct mm_struct *)1)
187
188         /* Last user mm for optimizing IBPB */
189         union {
190                 struct mm_struct        *last_user_mm;
191                 unsigned long           last_user_mm_ibpb;
192         };
193
194         u16 loaded_mm_asid;
195         u16 next_asid;
196
197         /*
198          * We can be in one of several states:
199          *
200          *  - Actively using an mm.  Our CPU's bit will be set in
201          *    mm_cpumask(loaded_mm) and is_lazy == false;
202          *
203          *  - Not using a real mm.  loaded_mm == &init_mm.  Our CPU's bit
204          *    will not be set in mm_cpumask(&init_mm) and is_lazy == false.
205          *
206          *  - Lazily using a real mm.  loaded_mm != &init_mm, our bit
207          *    is set in mm_cpumask(loaded_mm), but is_lazy == true.
208          *    We're heuristically guessing that the CR3 load we
209          *    skipped more than makes up for the overhead added by
210          *    lazy mode.
211          */
212         bool is_lazy;
213
214         /*
215          * If set we changed the page tables in such a way that we
216          * needed an invalidation of all contexts (aka. PCIDs / ASIDs).
217          * This tells us to go invalidate all the non-loaded ctxs[]
218          * on the next context switch.
219          *
220          * The current ctx was kept up-to-date as it ran and does not
221          * need to be invalidated.
222          */
223         bool invalidate_other;
224
225         /*
226          * Mask that contains TLB_NR_DYN_ASIDS+1 bits to indicate
227          * the corresponding user PCID needs a flush next time we
228          * switch to it; see SWITCH_TO_USER_CR3.
229          */
230         unsigned short user_pcid_flush_mask;
231
232         /*
233          * Access to this CR4 shadow and to H/W CR4 is protected by
234          * disabling interrupts when modifying either one.
235          */
236         unsigned long cr4;
237
238         /*
239          * This is a list of all contexts that might exist in the TLB.
240          * There is one per ASID that we use, and the ASID (what the
241          * CPU calls PCID) is the index into ctxts.
242          *
243          * For each context, ctx_id indicates which mm the TLB's user
244          * entries came from.  As an invariant, the TLB will never
245          * contain entries that are out-of-date as when that mm reached
246          * the tlb_gen in the list.
247          *
248          * To be clear, this means that it's legal for the TLB code to
249          * flush the TLB without updating tlb_gen.  This can happen
250          * (for now, at least) due to paravirt remote flushes.
251          *
252          * NB: context 0 is a bit special, since it's also used by
253          * various bits of init code.  This is fine -- code that
254          * isn't aware of PCID will end up harmlessly flushing
255          * context 0.
256          */
257         struct tlb_context ctxs[TLB_NR_DYN_ASIDS];
258 };
259 DECLARE_PER_CPU_SHARED_ALIGNED(struct tlb_state, cpu_tlbstate);
260
261 /*
262  * Blindly accessing user memory from NMI context can be dangerous
263  * if we're in the middle of switching the current user task or
264  * switching the loaded mm.  It can also be dangerous if we
265  * interrupted some kernel code that was temporarily using a
266  * different mm.
267  */
268 static inline bool nmi_uaccess_okay(void)
269 {
270         struct mm_struct *loaded_mm = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm);
271         struct mm_struct *current_mm = current->mm;
272
273         VM_WARN_ON_ONCE(!loaded_mm);
274
275         /*
276          * The condition we want to check is
277          * current_mm->pgd == __va(read_cr3_pa()).  This may be slow, though,
278          * if we're running in a VM with shadow paging, and nmi_uaccess_okay()
279          * is supposed to be reasonably fast.
280          *
281          * Instead, we check the almost equivalent but somewhat conservative
282          * condition below, and we rely on the fact that switch_mm_irqs_off()
283          * sets loaded_mm to LOADED_MM_SWITCHING before writing to CR3.
284          */
285         if (loaded_mm != current_mm)
286                 return false;
287
288         VM_WARN_ON_ONCE(current_mm->pgd != __va(read_cr3_pa()));
289
290         return true;
291 }
292
293 /* Initialize cr4 shadow for this CPU. */
294 static inline void cr4_init_shadow(void)
295 {
296         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, __read_cr4());
297 }
298
299 /* Set in this cpu's CR4. */
300 static inline void cr4_set_bits(unsigned long mask)
301 {
302         unsigned long cr4;
303
304         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
305         if ((cr4 | mask) != cr4) {
306                 cr4 |= mask;
307                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, cr4);
308                 __write_cr4(cr4);
309         }
310 }
311
312 /* Clear in this cpu's CR4. */
313 static inline void cr4_clear_bits(unsigned long mask)
314 {
315         unsigned long cr4;
316
317         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
318         if ((cr4 & ~mask) != cr4) {
319                 cr4 &= ~mask;
320                 this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, cr4);
321                 __write_cr4(cr4);
322         }
323 }
324
325 static inline void cr4_toggle_bits(unsigned long mask)
326 {
327         unsigned long cr4;
328
329         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
330         cr4 ^= mask;
331         this_cpu_write(cpu_tlbstate.cr4, cr4);
332         __write_cr4(cr4);
333 }
334
335 /* Read the CR4 shadow. */
336 static inline unsigned long cr4_read_shadow(void)
337 {
338         return this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
339 }
340
341 /*
342  * Mark all other ASIDs as invalid, preserves the current.
343  */
344 static inline void invalidate_other_asid(void)
345 {
346         this_cpu_write(cpu_tlbstate.invalidate_other, true);
347 }
348
349 /*
350  * Save some of cr4 feature set we're using (e.g.  Pentium 4MB
351  * enable and PPro Global page enable), so that any CPU's that boot
352  * up after us can get the correct flags.  This should only be used
353  * during boot on the boot cpu.
354  */
355 extern unsigned long mmu_cr4_features;
356 extern u32 *trampoline_cr4_features;
357
358 static inline void cr4_set_bits_and_update_boot(unsigned long mask)
359 {
360         mmu_cr4_features |= mask;
361         if (trampoline_cr4_features)
362                 *trampoline_cr4_features = mmu_cr4_features;
363         cr4_set_bits(mask);
364 }
365
366 extern void initialize_tlbstate_and_flush(void);
367
368 /*
369  * Given an ASID, flush the corresponding user ASID.  We can delay this
370  * until the next time we switch to it.
371  *
372  * See SWITCH_TO_USER_CR3.
373  */
374 static inline void invalidate_user_asid(u16 asid)
375 {
376         /* There is no user ASID if address space separation is off */
377         if (!IS_ENABLED(CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION))
378                 return;
379
380         /*
381          * We only have a single ASID if PCID is off and the CR3
382          * write will have flushed it.
383          */
384         if (!cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
385                 return;
386
387         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
388                 return;
389
390         __set_bit(kern_pcid(asid),
391                   (unsigned long *)this_cpu_ptr(&cpu_tlbstate.user_pcid_flush_mask));
392 }
393
394 /*
395  * flush the entire current user mapping
396  */
397 static inline void __native_flush_tlb(void)
398 {
399         /*
400          * Preemption or interrupts must be disabled to protect the access
401          * to the per CPU variable and to prevent being preempted between
402          * read_cr3() and write_cr3().
403          */
404         WARN_ON_ONCE(preemptible());
405
406         invalidate_user_asid(this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid));
407
408         /* If current->mm == NULL then the read_cr3() "borrows" an mm */
409         native_write_cr3(__native_read_cr3());
410 }
411
412 /*
413  * flush everything
414  */
415 static inline void __native_flush_tlb_global(void)
416 {
417         unsigned long cr4, flags;
418
419         if (static_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID)) {
420                 /*
421                  * Using INVPCID is considerably faster than a pair of writes
422                  * to CR4 sandwiched inside an IRQ flag save/restore.
423                  *
424                  * Note, this works with CR4.PCIDE=0 or 1.
425                  */
426                 invpcid_flush_all();
427                 return;
428         }
429
430         /*
431          * Read-modify-write to CR4 - protect it from preemption and
432          * from interrupts. (Use the raw variant because this code can
433          * be called from deep inside debugging code.)
434          */
435         raw_local_irq_save(flags);
436
437         cr4 = this_cpu_read(cpu_tlbstate.cr4);
438         /* toggle PGE */
439         native_write_cr4(cr4 ^ X86_CR4_PGE);
440         /* write old PGE again and flush TLBs */
441         native_write_cr4(cr4);
442
443         raw_local_irq_restore(flags);
444 }
445
446 /*
447  * flush one page in the user mapping
448  */
449 static inline void __native_flush_tlb_one_user(unsigned long addr)
450 {
451         u32 loaded_mm_asid = this_cpu_read(cpu_tlbstate.loaded_mm_asid);
452
453         asm volatile("invlpg (%0)" ::"r" (addr) : "memory");
454
455         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
456                 return;
457
458         /*
459          * Some platforms #GP if we call invpcid(type=1/2) before CR4.PCIDE=1.
460          * Just use invalidate_user_asid() in case we are called early.
461          */
462         if (!this_cpu_has(X86_FEATURE_INVPCID_SINGLE))
463                 invalidate_user_asid(loaded_mm_asid);
464         else
465                 invpcid_flush_one(user_pcid(loaded_mm_asid), addr);
466 }
467
468 /*
469  * flush everything
470  */
471 static inline void __flush_tlb_all(void)
472 {
473         /*
474          * This is to catch users with enabled preemption and the PGE feature
475          * and don't trigger the warning in __native_flush_tlb().
476          */
477         VM_WARN_ON_ONCE(preemptible());
478
479         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE)) {
480                 __flush_tlb_global();
481         } else {
482                 /*
483                  * !PGE -> !PCID (setup_pcid()), thus every flush is total.
484                  */
485                 __flush_tlb();
486         }
487 }
488
489 /*
490  * flush one page in the kernel mapping
491  */
492 static inline void __flush_tlb_one_kernel(unsigned long addr)
493 {
494         count_vm_tlb_event(NR_TLB_LOCAL_FLUSH_ONE);
495
496         /*
497          * If PTI is off, then __flush_tlb_one_user() is just INVLPG or its
498          * paravirt equivalent.  Even with PCID, this is sufficient: we only
499          * use PCID if we also use global PTEs for the kernel mapping, and
500          * INVLPG flushes global translations across all address spaces.
501          *
502          * If PTI is on, then the kernel is mapped with non-global PTEs, and
503          * __flush_tlb_one_user() will flush the given address for the current
504          * kernel address space and for its usermode counterpart, but it does
505          * not flush it for other address spaces.
506          */
507         __flush_tlb_one_user(addr);
508
509         if (!static_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
510                 return;
511
512         /*
513          * See above.  We need to propagate the flush to all other address
514          * spaces.  In principle, we only need to propagate it to kernelmode
515          * address spaces, but the extra bookkeeping we would need is not
516          * worth it.
517          */
518         invalidate_other_asid();
519 }
520
521 #define TLB_FLUSH_ALL   -1UL
522
523 /*
524  * TLB flushing:
525  *
526  *  - flush_tlb_all() flushes all processes TLBs
527  *  - flush_tlb_mm(mm) flushes the specified mm context TLB's
528  *  - flush_tlb_page(vma, vmaddr) flushes one page
529  *  - flush_tlb_range(vma, start, end) flushes a range of pages
530  *  - flush_tlb_kernel_range(start, end) flushes a range of kernel pages
531  *  - flush_tlb_others(cpumask, info) flushes TLBs on other cpus
532  *
533  * ..but the i386 has somewhat limited tlb flushing capabilities,
534  * and page-granular flushes are available only on i486 and up.
535  */
536 struct flush_tlb_info {
537         /*
538          * We support several kinds of flushes.
539          *
540          * - Fully flush a single mm.  .mm will be set, .end will be
541          *   TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen will be the tlb_gen to
542          *   which the IPI sender is trying to catch us up.
543          *
544          * - Partially flush a single mm.  .mm will be set, .start and
545          *   .end will indicate the range, and .new_tlb_gen will be set
546          *   such that the changes between generation .new_tlb_gen-1 and
547          *   .new_tlb_gen are entirely contained in the indicated range.
548          *
549          * - Fully flush all mms whose tlb_gens have been updated.  .mm
550          *   will be NULL, .end will be TLB_FLUSH_ALL, and .new_tlb_gen
551          *   will be zero.
552          */
553         struct mm_struct        *mm;
554         unsigned long           start;
555         unsigned long           end;
556         u64                     new_tlb_gen;
557 };
558
559 #define local_flush_tlb() __flush_tlb()
560
561 #define flush_tlb_mm(mm)        flush_tlb_mm_range(mm, 0UL, TLB_FLUSH_ALL, 0UL)
562
563 #define flush_tlb_range(vma, start, end)        \
564                 flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, start, end, vma->vm_flags)
565
566 extern void flush_tlb_all(void);
567 extern void flush_tlb_mm_range(struct mm_struct *mm, unsigned long start,
568                                 unsigned long end, unsigned long vmflag);
569 extern void flush_tlb_kernel_range(unsigned long start, unsigned long end);
570
571 static inline void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long a)
572 {
573         flush_tlb_mm_range(vma->vm_mm, a, a + PAGE_SIZE, VM_NONE);
574 }
575
576 void native_flush_tlb_others(const struct cpumask *cpumask,
577                              const struct flush_tlb_info *info);
578
579 static inline u64 inc_mm_tlb_gen(struct mm_struct *mm)
580 {
581         /*
582          * Bump the generation count.  This also serves as a full barrier
583          * that synchronizes with switch_mm(): callers are required to order
584          * their read of mm_cpumask after their writes to the paging
585          * structures.
586          */
587         return atomic64_inc_return(&mm->context.tlb_gen);
588 }
589
590 static inline void arch_tlbbatch_add_mm(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch,
591                                         struct mm_struct *mm)
592 {
593         inc_mm_tlb_gen(mm);
594         cpumask_or(&batch->cpumask, &batch->cpumask, mm_cpumask(mm));
595 }
596
597 extern void arch_tlbbatch_flush(struct arch_tlbflush_unmap_batch *batch);
598
599 #ifndef CONFIG_PARAVIRT
600 #define flush_tlb_others(mask, info)    \
601         native_flush_tlb_others(mask, info)
602 #endif
603
604 #endif /* _ASM_X86_TLBFLUSH_H */