xref: /DragonOS/kernel/src/arch/riscv64/mm/mod.rs (revision 731bc2b32d7b37298883d7a15b6dca659b436ee4)
17a29d4fcSLoGin use riscv::register::satp;
270f159a3SLoGin use sbi_rt::{HartMask, SbiRet};
391e9d4abSLoGin use system_error::SystemError;
491e9d4abSLoGin 
5453452ccSLoGin use crate::{
6453452ccSLoGin     arch::MMArch,
723ef2b33SLoGin     driver::open_firmware::fdt::open_firmware_fdt_driver,
8453452ccSLoGin     libs::spinlock::SpinLock,
9453452ccSLoGin     mm::{
10453452ccSLoGin         allocator::{
11453452ccSLoGin             buddy::BuddyAllocator,
12453452ccSLoGin             page_frame::{FrameAllocator, PageFrameCount, PageFrameUsage, PhysPageFrame},
13453452ccSLoGin         },
1470f159a3SLoGin         kernel_mapper::KernelMapper,
1523ef2b33SLoGin         page::{PageEntry, PageFlags, PAGE_1G_SHIFT},
1670f159a3SLoGin         ucontext::UserMapper,
177a29d4fcSLoGin         MemoryManagementArch, PageTableKind, PhysAddr, VirtAddr,
18453452ccSLoGin     },
1970f159a3SLoGin     smp::cpu::ProcessorId,
204fda81ceSLoGin };
214fda81ceSLoGin 
22453452ccSLoGin use self::init::riscv_mm_init;
23453452ccSLoGin 
244fda81ceSLoGin pub mod bump;
25666cffedSLoGin pub(super) mod init;
264fda81ceSLoGin 
274fda81ceSLoGin pub type PageMapper = crate::mm::page::PageMapper<RiscV64MMArch, LockedFrameAllocator>;
284fda81ceSLoGin 
297a29d4fcSLoGin /// 内核起始物理地址
307a29d4fcSLoGin pub(self) static mut KERNEL_BEGIN_PA: PhysAddr = PhysAddr::new(0);
317a29d4fcSLoGin /// 内核结束的物理地址
327a29d4fcSLoGin pub(self) static mut KERNEL_END_PA: PhysAddr = PhysAddr::new(0);
337a29d4fcSLoGin /// 内核起始虚拟地址
347a29d4fcSLoGin pub(self) static mut KERNEL_BEGIN_VA: VirtAddr = VirtAddr::new(0);
357a29d4fcSLoGin /// 内核结束虚拟地址
367a29d4fcSLoGin pub(self) static mut KERNEL_END_VA: VirtAddr = VirtAddr::new(0);
377a29d4fcSLoGin 
38453452ccSLoGin pub(self) static INNER_ALLOCATOR: SpinLock<Option<BuddyAllocator<MMArch>>> = SpinLock::new(None);
39453452ccSLoGin 
4074ffde66SLoGin /// RiscV64的内存管理架构结构体(sv39)
414fda81ceSLoGin #[derive(Debug, Clone, Copy, Hash)]
424fda81ceSLoGin pub struct RiscV64MMArch;
434fda81ceSLoGin 
4492849878SLoGin impl RiscV64MMArch {
4570f159a3SLoGin     /// 使远程cpu的TLB中,指定地址范围的页失效
4670f159a3SLoGin     pub fn remote_invalidate_page(
4770f159a3SLoGin         cpu: ProcessorId,
4870f159a3SLoGin         address: VirtAddr,
4970f159a3SLoGin         size: usize,
5070f159a3SLoGin     ) -> Result<(), SbiRet> {
5170f159a3SLoGin         let r = sbi_rt::remote_sfence_vma(Into::into(cpu), address.data(), size);
5270f159a3SLoGin         if r.is_ok() {
5370f159a3SLoGin             return Ok(());
5470f159a3SLoGin         } else {
5570f159a3SLoGin             return Err(r);
5692849878SLoGin         }
5770f159a3SLoGin     }
5870f159a3SLoGin 
5970f159a3SLoGin     /// 使指定远程cpu的TLB中,所有范围的页失效
6070f159a3SLoGin     pub fn remote_invalidate_all(cpu: ProcessorId) -> Result<(), SbiRet> {
6170f159a3SLoGin         let r = Self::remote_invalidate_page(
6270f159a3SLoGin             cpu,
6370f159a3SLoGin             VirtAddr::new(0),
6470f159a3SLoGin             1 << RiscV64MMArch::ENTRY_ADDRESS_SHIFT,
6570f159a3SLoGin         );
6670f159a3SLoGin 
6770f159a3SLoGin         return r;
6870f159a3SLoGin     }
6970f159a3SLoGin 
7070f159a3SLoGin     pub fn remote_invalidate_all_with_mask(mask: HartMask) -> Result<(), SbiRet> {
7170f159a3SLoGin         let r = sbi_rt::remote_sfence_vma(mask, 0, 1 << RiscV64MMArch::ENTRY_ADDRESS_SHIFT);
7270f159a3SLoGin         if r.is_ok() {
7370f159a3SLoGin             return Ok(());
7470f159a3SLoGin         } else {
7570f159a3SLoGin             return Err(r);
7670f159a3SLoGin         }
7770f159a3SLoGin     }
7870f159a3SLoGin }
7970f159a3SLoGin 
8070f159a3SLoGin /// 内核空间起始地址在顶层页表中的索引
8170f159a3SLoGin const KERNEL_TOP_PAGE_ENTRY_NO: usize = (RiscV64MMArch::PHYS_OFFSET
8270f159a3SLoGin     & ((1 << RiscV64MMArch::ENTRY_ADDRESS_SHIFT) - 1))
8370f159a3SLoGin     >> (RiscV64MMArch::ENTRY_ADDRESS_SHIFT - RiscV64MMArch::PAGE_ENTRY_SHIFT);
8470f159a3SLoGin 
854fda81ceSLoGin impl MemoryManagementArch for RiscV64MMArch {
86a17651b1SMemoryShore     /// riscv64暂不支持缺页中断
87a17651b1SMemoryShore     const PAGE_FAULT_ENABLED: bool = false;
88a17651b1SMemoryShore 
894fda81ceSLoGin     const PAGE_SHIFT: usize = 12;
904fda81ceSLoGin 
914fda81ceSLoGin     const PAGE_ENTRY_SHIFT: usize = 9;
924fda81ceSLoGin 
934fda81ceSLoGin     /// sv39分页只有三级
944fda81ceSLoGin     const PAGE_LEVELS: usize = 3;
954fda81ceSLoGin 
964fda81ceSLoGin     const ENTRY_ADDRESS_SHIFT: usize = 39;
974fda81ceSLoGin 
9892849878SLoGin     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE: usize = Self::ENTRY_FLAG_PRESENT
9992849878SLoGin         | Self::ENTRY_FLAG_READWRITE
10092849878SLoGin         | Self::ENTRY_FLAG_DIRTY
10192849878SLoGin         | Self::ENTRY_FLAG_ACCESSED
10292849878SLoGin         | Self::ENTRY_FLAG_GLOBAL;
1034fda81ceSLoGin 
1044fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE: usize = Self::ENTRY_FLAG_PRESENT;
1054fda81ceSLoGin 
1064fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_PRESENT: usize = 1 << 0;
1074fda81ceSLoGin 
10892849878SLoGin     const ENTRY_FLAG_READONLY: usize = 0;
1094fda81ceSLoGin 
1104fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_READWRITE: usize = (1 << 2) | (1 << 1);
1114fda81ceSLoGin 
1124fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_USER: usize = (1 << 4);
113*731bc2b3SLoGin     const ENTRY_ADDRESS_MASK: usize = Self::ENTRY_ADDRESS_SIZE - (1 << 10);
1144fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH: usize = (2 << 61);
1154fda81ceSLoGin 
1164fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE: usize = (2 << 61);
1174fda81ceSLoGin 
1184fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_NO_EXEC: usize = 0;
1194fda81ceSLoGin 
1204fda81ceSLoGin     const ENTRY_FLAG_EXEC: usize = (1 << 3);
12192849878SLoGin     const ENTRY_FLAG_ACCESSED: usize = (1 << 6);
12292849878SLoGin     const ENTRY_FLAG_DIRTY: usize = (1 << 7);
123a17651b1SMemoryShore     const ENTRY_FLAG_GLOBAL: usize = (1 << 5);
1244fda81ceSLoGin 
1254fda81ceSLoGin     const PHYS_OFFSET: usize = 0xffff_ffc0_0000_0000;
126453452ccSLoGin     const KERNEL_LINK_OFFSET: usize = 0x1000000;
1274fda81ceSLoGin 
1284fda81ceSLoGin     const USER_END_VADDR: crate::mm::VirtAddr = VirtAddr::new(0x0000_003f_ffff_ffff);
1294fda81ceSLoGin 
1304fda81ceSLoGin     const USER_BRK_START: crate::mm::VirtAddr = VirtAddr::new(0x0000_001f_ffff_ffff);
1314fda81ceSLoGin 
1324fda81ceSLoGin     const USER_STACK_START: crate::mm::VirtAddr = VirtAddr::new(0x0000_001f_ffa0_0000);
1334fda81ceSLoGin 
13423ef2b33SLoGin     /// 在距离sv39的顶端还有64M的位置,设置为FIXMAP的起始地址
13523ef2b33SLoGin     const FIXMAP_START_VADDR: VirtAddr = VirtAddr::new(0xffff_ffff_fc00_0000);
13674ffde66SLoGin     /// 设置1MB的fixmap空间
13774ffde66SLoGin     const FIXMAP_SIZE: usize = 256 * 4096;
13874ffde66SLoGin 
13923ef2b33SLoGin     /// 在距离sv39的顶端还有2G的位置,设置为MMIO空间的起始地址
14023ef2b33SLoGin     const MMIO_BASE: VirtAddr = VirtAddr::new(0xffff_ffff_8000_0000);
14123ef2b33SLoGin     /// 设置1g的MMIO空间
14223ef2b33SLoGin     const MMIO_SIZE: usize = 1 << PAGE_1G_SHIFT;
14323ef2b33SLoGin 
144a17651b1SMemoryShore     const ENTRY_FLAG_HUGE_PAGE: usize = Self::ENTRY_FLAG_PRESENT | Self::ENTRY_FLAG_READWRITE;
145a17651b1SMemoryShore 
146453452ccSLoGin     #[inline(never)]
14745626c85SLoGin     unsafe fn init() {
148453452ccSLoGin         riscv_mm_init().expect("init kernel memory management architecture failed");
1494fda81ceSLoGin     }
1504fda81ceSLoGin 
15123ef2b33SLoGin     unsafe fn arch_post_init() {
15223ef2b33SLoGin         // 映射fdt
15323ef2b33SLoGin         open_firmware_fdt_driver()
15423ef2b33SLoGin             .map_fdt()
15523ef2b33SLoGin             .expect("openfirmware map fdt failed");
15623ef2b33SLoGin     }
15723ef2b33SLoGin 
1587a29d4fcSLoGin     unsafe fn invalidate_page(address: VirtAddr) {
1597a29d4fcSLoGin         riscv::asm::sfence_vma(0, address.data());
1604fda81ceSLoGin     }
1614fda81ceSLoGin 
1624fda81ceSLoGin     unsafe fn invalidate_all() {
1637a29d4fcSLoGin         riscv::asm::sfence_vma_all();
1644fda81ceSLoGin     }
1654fda81ceSLoGin 
1667a29d4fcSLoGin     unsafe fn table(_table_kind: PageTableKind) -> PhysAddr {
1677a29d4fcSLoGin         // phys page number
1687a29d4fcSLoGin         let ppn = riscv::register::satp::read().ppn();
1697a29d4fcSLoGin 
1707a29d4fcSLoGin         let paddr = PhysPageFrame::from_ppn(ppn).phys_address();
1717a29d4fcSLoGin 
1727a29d4fcSLoGin         return paddr;
1734fda81ceSLoGin     }
1744fda81ceSLoGin 
1757a29d4fcSLoGin     unsafe fn set_table(_table_kind: PageTableKind, table: PhysAddr) {
1767a29d4fcSLoGin         let ppn = PhysPageFrame::new(table).ppn();
1777a29d4fcSLoGin         riscv::asm::sfence_vma_all();
1787a29d4fcSLoGin         satp::set(satp::Mode::Sv39, 0, ppn);
1794fda81ceSLoGin     }
1804fda81ceSLoGin 
18170f159a3SLoGin     fn virt_is_valid(virt: VirtAddr) -> bool {
1827a29d4fcSLoGin         virt.is_canonical()
1834fda81ceSLoGin     }
1844fda81ceSLoGin 
18570f159a3SLoGin     fn initial_page_table() -> PhysAddr {
1864fda81ceSLoGin         todo!()
1874fda81ceSLoGin     }
1884fda81ceSLoGin 
18970f159a3SLoGin     fn setup_new_usermapper() -> Result<UserMapper, SystemError> {
19070f159a3SLoGin         let new_umapper: crate::mm::page::PageMapper<MMArch, LockedFrameAllocator> = unsafe {
19170f159a3SLoGin             PageMapper::create(PageTableKind::User, LockedFrameAllocator)
19270f159a3SLoGin                 .ok_or(SystemError::ENOMEM)?
19370f159a3SLoGin         };
19470f159a3SLoGin 
19570f159a3SLoGin         let current_ktable: KernelMapper = KernelMapper::lock();
19670f159a3SLoGin         let copy_mapping = |pml4_entry_no| unsafe {
19770f159a3SLoGin             let entry: PageEntry<RiscV64MMArch> = current_ktable
19870f159a3SLoGin                 .table()
19970f159a3SLoGin                 .entry(pml4_entry_no)
20070f159a3SLoGin                 .unwrap_or_else(|| panic!("entry {} not found", pml4_entry_no));
20170f159a3SLoGin             new_umapper.table().set_entry(pml4_entry_no, entry)
20270f159a3SLoGin         };
20370f159a3SLoGin 
20470f159a3SLoGin         // 复制内核的映射
20570f159a3SLoGin         for pml4_entry_no in KERNEL_TOP_PAGE_ENTRY_NO..512 {
20670f159a3SLoGin             copy_mapping(pml4_entry_no);
20770f159a3SLoGin         }
20870f159a3SLoGin 
20970f159a3SLoGin         return Ok(crate::mm::ucontext::UserMapper::new(new_umapper));
2104fda81ceSLoGin     }
2117a29d4fcSLoGin 
2127a29d4fcSLoGin     unsafe fn phys_2_virt(phys: PhysAddr) -> Option<VirtAddr> {
2137a29d4fcSLoGin         // riscv的内核文件所占用的空间,由于重定位而导致不满足线性偏移量的关系
2147a29d4fcSLoGin         // 因此这里需要特殊处理
2157a29d4fcSLoGin         if phys >= KERNEL_BEGIN_PA && phys < KERNEL_END_PA {
2167a29d4fcSLoGin             let r = KERNEL_BEGIN_VA + (phys - KERNEL_BEGIN_PA);
2177a29d4fcSLoGin             return Some(r);
2187a29d4fcSLoGin         }
2197a29d4fcSLoGin 
2207a29d4fcSLoGin         if let Some(vaddr) = phys.data().checked_add(Self::PHYS_OFFSET) {
2217a29d4fcSLoGin             return Some(VirtAddr::new(vaddr));
2227a29d4fcSLoGin         } else {
2237a29d4fcSLoGin             return None;
2247a29d4fcSLoGin         }
2257a29d4fcSLoGin     }
2267a29d4fcSLoGin 
2277a29d4fcSLoGin     unsafe fn virt_2_phys(virt: VirtAddr) -> Option<PhysAddr> {
2287a29d4fcSLoGin         if virt >= KERNEL_BEGIN_VA && virt < KERNEL_END_VA {
2297a29d4fcSLoGin             let r = KERNEL_BEGIN_PA + (virt - KERNEL_BEGIN_VA);
2307a29d4fcSLoGin             return Some(r);
2317a29d4fcSLoGin         }
2327a29d4fcSLoGin 
2337a29d4fcSLoGin         if let Some(paddr) = virt.data().checked_sub(Self::PHYS_OFFSET) {
2347a29d4fcSLoGin             let r = PhysAddr::new(paddr);
2357a29d4fcSLoGin             return Some(r);
2367a29d4fcSLoGin         } else {
2377a29d4fcSLoGin             return None;
2387a29d4fcSLoGin         }
2397a29d4fcSLoGin     }
2407a29d4fcSLoGin 
2417a29d4fcSLoGin     fn make_entry(paddr: PhysAddr, page_flags: usize) -> usize {
2427a29d4fcSLoGin         let ppn = PhysPageFrame::new(paddr).ppn();
243453452ccSLoGin         let r = ((ppn & ((1 << 54) - 1)) << 10) | page_flags;
2447a29d4fcSLoGin         return r;
2457a29d4fcSLoGin     }
246a17651b1SMemoryShore 
247a17651b1SMemoryShore     fn vma_access_permitted(
248a17651b1SMemoryShore         _vma: alloc::sync::Arc<crate::mm::ucontext::LockedVMA>,
249a17651b1SMemoryShore         _write: bool,
250a17651b1SMemoryShore         _execute: bool,
251a17651b1SMemoryShore         _foreign: bool,
252a17651b1SMemoryShore     ) -> bool {
253a17651b1SMemoryShore         true
254a17651b1SMemoryShore     }
2557a29d4fcSLoGin }
2567a29d4fcSLoGin 
2577a29d4fcSLoGin impl VirtAddr {
2587a29d4fcSLoGin     /// 判断虚拟地址是否合法
2597a29d4fcSLoGin     #[inline(always)]
2607a29d4fcSLoGin     pub fn is_canonical(self) -> bool {
2617a29d4fcSLoGin         let x = self.data() & RiscV64MMArch::PHYS_OFFSET;
2627a29d4fcSLoGin         // 如果x为0,说明虚拟地址的高位为0,是合法的用户地址
2637a29d4fcSLoGin         // 如果x为PHYS_OFFSET,说明虚拟地址的高位全为1,是合法的内核地址
2647a29d4fcSLoGin         return x == 0 || x == RiscV64MMArch::PHYS_OFFSET;
2657a29d4fcSLoGin     }
2664fda81ceSLoGin }
2674fda81ceSLoGin 
2684fda81ceSLoGin /// 获取内核地址默认的页面标志
269453452ccSLoGin pub unsafe fn kernel_page_flags<A: MemoryManagementArch>(_virt: VirtAddr) -> PageFlags<A> {
270453452ccSLoGin     PageFlags::from_data(RiscV64MMArch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE)
271453452ccSLoGin         .set_user(false)
272453452ccSLoGin         .set_execute(true)
2734fda81ceSLoGin }
2744fda81ceSLoGin 
2754fda81ceSLoGin /// 全局的页帧分配器
2764fda81ceSLoGin #[derive(Debug, Clone, Copy, Hash)]
2774fda81ceSLoGin pub struct LockedFrameAllocator;
2784fda81ceSLoGin 
2794fda81ceSLoGin impl FrameAllocator for LockedFrameAllocator {
2804fda81ceSLoGin     unsafe fn allocate(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> {
281453452ccSLoGin         if let Some(ref mut allocator) = *INNER_ALLOCATOR.lock_irqsave() {
282453452ccSLoGin             return allocator.allocate(count);
283453452ccSLoGin         } else {
284453452ccSLoGin             return None;
285453452ccSLoGin         }
2864fda81ceSLoGin     }
2874fda81ceSLoGin 
2884fda81ceSLoGin     unsafe fn free(&mut self, address: crate::mm::PhysAddr, count: PageFrameCount) {
2894fda81ceSLoGin         assert!(count.data().is_power_of_two());
290453452ccSLoGin         if let Some(ref mut allocator) = *INNER_ALLOCATOR.lock_irqsave() {
291453452ccSLoGin             return allocator.free(address, count);
292453452ccSLoGin         }
2934fda81ceSLoGin     }
2944fda81ceSLoGin 
2954fda81ceSLoGin     unsafe fn usage(&self) -> PageFrameUsage {
296453452ccSLoGin         if let Some(ref mut allocator) = *INNER_ALLOCATOR.lock_irqsave() {
297453452ccSLoGin             return allocator.usage();
298453452ccSLoGin         } else {
299453452ccSLoGin             panic!("usage error");
300453452ccSLoGin         }
3014fda81ceSLoGin     }
3024fda81ceSLoGin }
303