docs: arm64: Add layout and 52-bit info to memory document
authorSteve Capper <steve.capper@arm.com>
Wed, 7 Aug 2019 15:55:24 +0000 (16:55 +0100)
committerWill Deacon <will@kernel.org>
Fri, 9 Aug 2019 10:17:32 +0000 (11:17 +0100)
As the kernel no longer prints out the memory layout on boot, this patch
adds this information back to the memory document.

Also, as the 52-bit support introduces some subtle changes to the arm64
memory, the rationale behind these changes are also added to the memory
document.

Signed-off-by: Steve Capper <steve.capper@arm.com>
Reviewed-by: Catalin Marinas <catalin.marinas@arm.com>
Signed-off-by: Will Deacon <will@kernel.org>
Documentation/arm64/memory.rst

index 464b880fc4b7c2966a6c923241b3acb709caccff..b040909e45f81d7ab9108cfd1286338fdd0d1471 100644 (file)
@@ -14,6 +14,10 @@ with the 4KB page configuration, allowing 39-bit (512GB) or 48-bit
 64KB pages, only 2 levels of translation tables, allowing 42-bit (4TB)
 virtual address, are used but the memory layout is the same.
 
+ARMv8.2 adds optional support for Large Virtual Address space. This is
+only available when running with a 64KB page size and expands the
+number of descriptors in the first level of translation.
+
 User addresses have bits 63:48 set to 0 while the kernel addresses have
 the same bits set to 1. TTBRx selection is given by bit 63 of the
 virtual address. The swapper_pg_dir contains only kernel (global)
@@ -22,40 +26,43 @@ The swapper_pg_dir address is written to TTBR1 and never written to
 TTBR0.
 
 
-AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 3 levels::
-
-  Start                        End                     Size            Use
-  -----------------------------------------------------------------------
-  0000000000000000     0000007fffffffff         512GB          user
-  ffffff8000000000     ffffffffffffffff         512GB          kernel
-
-
-AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 4 levels::
+AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 4 levels (48-bit)::
 
   Start                        End                     Size            Use
   -----------------------------------------------------------------------
   0000000000000000     0000ffffffffffff         256TB          user
-  ffff000000000000     ffffffffffffffff         256TB          kernel
-
-
-AArch64 Linux memory layout with 64KB pages + 2 levels::
+  ffff000000000000     ffff7fffffffffff         128TB          kernel logical memory map
+  ffff800000000000     ffff9fffffffffff          32TB          kasan shadow region
+  ffffa00000000000     ffffa00007ffffff         128MB          bpf jit region
+  ffffa00008000000     ffffa0000fffffff         128MB          modules
+  ffffa00010000000     fffffdffbffeffff         ~93TB          vmalloc
+  fffffdffbfff0000     fffffdfffe5f8fff        ~998MB          [guard region]
+  fffffdfffe5f9000     fffffdfffe9fffff        4124KB          fixed mappings
+  fffffdfffea00000     fffffdfffebfffff           2MB          [guard region]
+  fffffdfffec00000     fffffdffffbfffff          16MB          PCI I/O space
+  fffffdffffc00000     fffffdffffdfffff           2MB          [guard region]
+  fffffdffffe00000     ffffffffffdfffff           2TB          vmemmap
+  ffffffffffe00000     ffffffffffffffff           2MB          [guard region]
+
+
+AArch64 Linux memory layout with 64KB pages + 3 levels (52-bit with HW support)::
 
   Start                        End                     Size            Use
   -----------------------------------------------------------------------
-  0000000000000000     000003ffffffffff           4TB          user
-  fffffc0000000000     ffffffffffffffff           4TB          kernel
-
-
-AArch64 Linux memory layout with 64KB pages + 3 levels::
-
-  Start                        End                     Size            Use
-  -----------------------------------------------------------------------
-  0000000000000000     0000ffffffffffff         256TB          user
-  ffff000000000000     ffffffffffffffff         256TB          kernel
-
-
-For details of the virtual kernel memory layout please see the kernel
-booting log.
+  0000000000000000     000fffffffffffff           4PB          user
+  fff0000000000000     fff7ffffffffffff           2PB          kernel logical memory map
+  fff8000000000000     fffd9fffffffffff        1440TB          [gap]
+  fffda00000000000     ffff9fffffffffff         512TB          kasan shadow region
+  ffffa00000000000     ffffa00007ffffff         128MB          bpf jit region
+  ffffa00008000000     ffffa0000fffffff         128MB          modules
+  ffffa00010000000     fffff81ffffeffff         ~88TB          vmalloc
+  fffff81fffff0000     fffffc1ffe58ffff          ~3TB          [guard region]
+  fffffc1ffe590000     fffffc1ffe9fffff        4544KB          fixed mappings
+  fffffc1ffea00000     fffffc1ffebfffff           2MB          [guard region]
+  fffffc1ffec00000     fffffc1fffbfffff          16MB          PCI I/O space
+  fffffc1fffc00000     fffffc1fffdfffff           2MB          [guard region]
+  fffffc1fffe00000     ffffffffffdfffff        3968GB          vmemmap
+  ffffffffffe00000     ffffffffffffffff           2MB          [guard region]
 
 
 Translation table lookup with 4KB pages::
@@ -83,7 +90,8 @@ Translation table lookup with 64KB pages::
    |                 |    |               |            [15:0]  in-page offset
    |                 |    |               +----------> [28:16] L3 index
    |                 |    +--------------------------> [41:29] L2 index
-   |                 +-------------------------------> [47:42] L1 index
+   |                 +-------------------------------> [47:42] L1 index (48-bit)
+   |                                                   [51:42] L1 index (52-bit)
    +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1
 
 
@@ -96,3 +104,62 @@ ARM64_HARDEN_EL2_VECTORS is selected for particular CPUs.
 
 When using KVM with the Virtualization Host Extensions, no additional
 mappings are created, since the host kernel runs directly in EL2.
+
+52-bit VA support in the kernel
+-------------------------------
+If the ARMv8.2-LVA optional feature is present, and we are running
+with a 64KB page size; then it is possible to use 52-bits of address
+space for both userspace and kernel addresses. However, any kernel
+binary that supports 52-bit must also be able to fall back to 48-bit
+at early boot time if the hardware feature is not present.
+
+This fallback mechanism necessitates the kernel .text to be in the
+higher addresses such that they are invariant to 48/52-bit VAs. Due
+to the kasan shadow being a fraction of the entire kernel VA space,
+the end of the kasan shadow must also be in the higher half of the
+kernel VA space for both 48/52-bit. (Switching from 48-bit to 52-bit,
+the end of the kasan shadow is invariant and dependent on ~0UL,
+whilst the start address will "grow" towards the lower addresses).
+
+In order to optimise phys_to_virt and virt_to_phys, the PAGE_OFFSET
+is kept constant at 0xFFF0000000000000 (corresponding to 52-bit),
+this obviates the need for an extra variable read. The physvirt
+offset and vmemmap offsets are computed at early boot to enable
+this logic.
+
+As a single binary will need to support both 48-bit and 52-bit VA
+spaces, the VMEMMAP must be sized large enough for 52-bit VAs and
+also must be sized large enought to accommodate a fixed PAGE_OFFSET.
+
+Most code in the kernel should not need to consider the VA_BITS, for
+code that does need to know the VA size the variables are
+defined as follows:
+
+VA_BITS                constant        the *maximum* VA space size
+
+VA_BITS_MIN    constant        the *minimum* VA space size
+
+vabits_actual  variable        the *actual* VA space size
+
+
+Maximum and minimum sizes can be useful to ensure that buffers are
+sized large enough or that addresses are positioned close enough for
+the "worst" case.
+
+52-bit userspace VAs
+--------------------
+To maintain compatibility with software that relies on the ARMv8.0
+VA space maximum size of 48-bits, the kernel will, by default,
+return virtual addresses to userspace from a 48-bit range.
+
+Software can "opt-in" to receiving VAs from a 52-bit space by
+specifying an mmap hint parameter that is larger than 48-bit.
+For example:
+    maybe_high_address = mmap(~0UL, size, prot, flags,...);
+
+It is also possible to build a debug kernel that returns addresses
+from a 52-bit space by enabling the following kernel config options:
+   CONFIG_EXPERT=y && CONFIG_ARM64_FORCE_52BIT=y
+
+Note that this option is only intended for debugging applications
+and should not be used in production.