geekos/src/geekos/mem.c

   1  /*
   2  * Physical memory allocation
   3  * Copyright (c) 2001,2003,2004 David H. Hovemeyer <daveho@cs.umd.edu>
   4  * Copyright (c) 2003, Jeffrey K. Hollingsworth <hollings@cs.umd.edu>
   5  * Copyright (c) 2008, Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
   6  * Copyright (c) 2008, The V3VEE Project <http://www.v3vee.org>
   7  * $Revision: 1.13 $
   8  *
   9  * This is free software.  You are permitted to use,
  10  * redistribute, and modify it as specified in the file "COPYING".
  11  */
  12
  13 #include <geekos/defs.h>
  14 #include <geekos/ktypes.h>
  15 #include <geekos/kassert.h>
  16 #include <geekos/bootinfo.h>
  17 #include <geekos/gdt.h>
  18 #include <geekos/screen.h>
  19 #include <geekos/int.h>
  20 #include <geekos/malloc.h>
  21 #include <geekos/string.h>
  22 #include <geekos/mem.h>
  23
  24 #include <geekos/serial.h>
  25 #include <geekos/debug.h>
  26
  27
  28 /* ----------------------------------------------------------------------
  29  * Global data
  30  * ---------------------------------------------------------------------- */
  31
  32 /*
  33  * List of Page structures representing each page of physical memory.
  34  */
  35 struct Page* g_pageList;
  36
  37 ulong_t g_ramdiskImage;
  38 ulong_t s_ramdiskSize;
  39
  40
  41 /*
  42  * Number of pages currently available on the freelist.
  43  */
  44 uint_t g_freePageCount = 0;
  45
  46
  47
  48 /*
  49  *  the disgusting way to get at the memory assigned to a VM
  50  */
  51 extern ulong_t vm_range_start;
  52 extern ulong_t vm_range_end;
  53 extern ulong_t guest_kernel_start;
  54 extern ulong_t guest_kernel_end;
  55
  56
  57
  58 /* ----------------------------------------------------------------------
  59  * Private data and functions
  60  * ---------------------------------------------------------------------- */
  61
  62 /*
  63  * Defined in paging.c
  64  */
  65 extern int debugFaults;
  66 #define Debug(args...) if (debugFaults) Print(args)
  67
  68 /*
  69  * List of pages available for allocation.
  70  */
  71 static struct Page_List s_freeList;
  72
  73 /*
  74  * Total number of physical pages.
  75  */
  76 int unsigned s_numPages;
  77
  78
  79
  80
  81 /*
  82  * Add a range of pages to the inventory of physical memory.
  83  */
  84 static void Add_Page_Range(ulong_t start, ulong_t end, int flags)
  85 {
  86     ulong_t addr;
  87
  88     PrintBoth("Start: %u (0x%x), End: %u(0x%x)  (Type=0x%.4x)\n", (unsigned int)start, start, (unsigned int)end, end, flags);
  89
  90     KASSERT(Is_Page_Multiple(start));
  91     KASSERT(Is_Page_Multiple(end));
  92     KASSERT(start < end);
  93
  94     //Print("Adding %lu pages\n", (end - start) / PAGE_SIZE);
  95
  96     for (addr = start; addr < end; addr += PAGE_SIZE) {
  97       //      Print("Adding Page at %u\n", (unsigned int)addr);
  98         struct Page *page = Get_Page(addr);
  99
 100         page->flags = flags;
 101
 102         if (flags == PAGE_AVAIL) {
 103             /* Add the page to the freelist */
 104             Add_To_Back_Of_Page_List(&s_freeList, page);
 105
 106             /* Update free page count */
 107             ++g_freePageCount;
 108         } else {
 109             Set_Next_In_Page_List(page, 0);
 110             Set_Prev_In_Page_List(page, 0);
 111         }
 112
 113     }
 114     //   Print("%d pages now in freelist\n", g_freePageCount);
 115
 116 }
 117
 118 /* ----------------------------------------------------------------------
 119  * Public functions
 120  * ---------------------------------------------------------------------- */
 121
 122 /*
 123  * The linker defines this symbol to indicate the end of
 124  * the executable image.
 125  */
 126 extern char end;
 127
 128 /*
 129  * Initialize memory management data structures.
 130  * Enables the use of Alloc_Page() and Free_Page() functions.
 131  */
 132 void Init_Mem(struct Boot_Info* bootInfo)
 133 {
 134     ulong_t numPages = bootInfo->memSizeKB >> 2;
 135     ulong_t endOfMem = numPages * PAGE_SIZE;
 136     unsigned numPageListBytes = sizeof(struct Page) * numPages;
 137     ulong_t pageListAddr;
 138     ulong_t pageListEnd;
 139     ulong_t kernEnd;
 140     ulong_t heapAddr;
 141     ulong_t heapEnd;
 142     ulong_t vmmMemEnd;
 143
 144
 145     g_ramdiskImage = bootInfo->ramdisk_image;
 146     s_ramdiskSize = bootInfo->ramdisk_size;
 147     ulong_t initrdAddr;
 148     ulong_t initrdEnd;
 149
 150
 151
 152     KASSERT(bootInfo->memSizeKB > 0);
 153
 154
 155     /*
 156      * Before we do anything, switch from setup.asm's temporary GDT
 157      * to the kernel's permanent GDT.
 158      */
 159     Init_GDT();
 160
 161
 162     PrintBoth("Total Memory Size: %u MBytes\n", bootInfo->memSizeKB/1024);
 163     PrintBoth("Page List (at 0x%x) Size: %u bytes\n", &s_freeList, numPageListBytes);
 164
 165
 166     /* Memory Layout:
 167      * bios area (1 page reserved)
 168      * kernel_thread_obj (1 page)
 169      * kernel_stack (1 page)
 170      * available space
 171      * available space
 172      * ISA_HOLE_START - ISA_HOLE_END: hardware
 173      * EXTENDED_MEMORY:
 174      *        start - end:       kernel
 175      *        VM Guest (variable pages)
 176      *        Heap (512 Pages)
 177      *        Page List (variable pages)
 178      *        Available Memory for VMM (4096 pages)
 179      *        Ramdisk //Zheng 08/03/2008
 180      *        VM Memory (everything else)
 181      */
 182
 183     //kernEnd = Round_Up_To_Page((ulong_t)&end);
 184     kernEnd = (ulong_t)&end;
 185
 186     PrintBoth("Kernel End=%lx\n", kernEnd);
 187
 188
 189     /* ************************************************************************************** */
 190     /* If we have dynamic loading of the guest kernel, we should put the relocation code here */
 191     /* ************************************************************************************** */
 192
 193     kernEnd = Round_Up_To_Page(kernEnd);
 194     heapAddr = kernEnd;
 195     heapEnd = Round_Up_To_Page(heapAddr + KERNEL_HEAP_SIZE);
 196     pageListAddr = heapEnd;
 197     pageListEnd = Round_Up_To_Page(pageListAddr + numPageListBytes);
 198     /* Global variables */
 199     // These must be set before we can call Add_Page_Range..
 200     g_pageList = (struct Page*) pageListAddr;
 201     s_numPages = numPages;
 202     /* ** */
 203     vmmMemEnd = Round_Up_To_Page(pageListEnd + VMM_AVAIL_MEM_SIZE);
 204
 205     /*
 206      * Zheng 08/03/2008
 207      * copy the ramdisk to this area
 208      */
 209
 210     initrdAddr = vmmMemEnd;
 211     initrdEnd = Round_Up_To_Page(initrdAddr + s_ramdiskSize);
 212     PrintBoth("mem.c(%d) Move ramdisk(%dB) from %x to %x", __LINE__, s_ramdiskSize, g_ramdiskImage, initrdAddr);
 213     memcpy((ulong_t *)initrdAddr, (ulong_t *)g_ramdiskImage, s_ramdiskSize);
 214     PrintBoth(" done\n");
 215     PrintBoth("mem.c(%d) Set 0 to unused bytes in the last ramdisk page from %x to %x", __LINE__, initrdAddr+s_ramdiskSize, initrdEnd);
 216     memset((ulong_t *)initrdAddr + s_ramdiskSize, 0, initrdEnd - (initrdAddr + s_ramdiskSize));
 217     PrintBoth(" done\n");
 218
 219
 220
 221     /*
 222      *  the disgusting way to get at the memory assigned to a VM
 223      */
 224
 225     //vm_range_start = vmmMemEnd;
 226     //vm_range_end = endOfMem;
 227     /*
 228      * Zheng 08/03/2008
 229      */
 230     vm_range_start = initrdEnd;
 231     vm_range_end = endOfMem;
 232
 233
 234     Add_Page_Range(0, PAGE_SIZE, PAGE_UNUSED);                        // BIOS area
 235     Add_Page_Range(PAGE_SIZE, PAGE_SIZE * 3, PAGE_ALLOCATED);         // Intial kernel thread obj + stack
 236     Add_Page_Range(PAGE_SIZE * 3, ISA_HOLE_START, PAGE_AVAIL);     // Available space
 237     Add_Page_Range(ISA_HOLE_START, ISA_HOLE_END, PAGE_HW);            // Hardware ROMs
 238     Add_Page_Range(KERNEL_START_ADDR, kernEnd, PAGE_KERN);            // VMM Kernel
 239     //    Add_Page_Range(guest_kernel_start, guestEnd, PAGE_VM);                  // Guest kernel location
 240     Add_Page_Range(heapAddr, heapEnd, PAGE_HEAP);                     // Heap
 241     Add_Page_Range(pageListAddr, pageListEnd, PAGE_KERN);             // Page List
 242     Add_Page_Range(pageListEnd, vmmMemEnd, PAGE_AVAIL);               // Available VMM memory
 243
 244 #ifdef RAMDISK_BOOT
 245     /*
 246      * Zheng 08/03/2008
 247      */
 248     Add_Page_Range(vmmMemEnd, initrdEnd, PAGE_ALLOCATED);              //Ramdisk memory area
 249     //    Add_Page_Range(vmmMemEnd, endOfMem, PAGE_VM);                // Memory allocated to the VM
 250     // Until we get a more intelligent memory allocator
 251     Add_Page_Range(initrdEnd, endOfMem, PAGE_AVAIL);                   // Memory allocated to the VM
 252 #else
 253     Add_Page_Range(vmmMemEnd, endOfMem, PAGE_AVAIL);                   // Memory allocated to the VM
 254 #endif
 255
 256     /* Initialize the kernel heap */
 257     Init_Heap(heapAddr, KERNEL_HEAP_SIZE);
 258
 259     PrintBoth("%uKB memory detected, %u pages in freelist, %d bytes in kernel heap\n",
 260         bootInfo->memSizeKB, g_freePageCount, KERNEL_HEAP_SIZE);
 261
 262     PrintBoth("Memory Layout:\n");
 263     PrintBoth("%x to %x - BIOS AREA\n", 0, PAGE_SIZE - 1);
 264     PrintBoth("%x to %x - KERNEL_THREAD_OBJ\n", PAGE_SIZE, PAGE_SIZE * 2 - 1);
 265     PrintBoth("%x to %x - KERNEL_STACK\n", PAGE_SIZE * 2, PAGE_SIZE * 3 - 1);
 266     PrintBoth("%lx to %x - FREE\n", PAGE_SIZE * 3, ISA_HOLE_START - 1);
 267     PrintBoth("%x to %x - ISA_HOLE\n", ISA_HOLE_START, ISA_HOLE_END - 1);
 268     PrintBoth("%x to %x - KERNEL CODE + VM_KERNEL\n", KERNEL_START_ADDR, kernEnd - 1);
 269     //    PrintBoth("%x to %x - VM_KERNEL\n", kernEnd, guestEnd - 1);
 270     PrintBoth("%x to %x - KERNEL HEAP\n", heapAddr, heapEnd - 1);
 271     PrintBoth("%lx to %lx - PAGE LIST\n", pageListAddr, pageListEnd - 1);
 272     PrintBoth("%lx to %x - FREE\n", pageListEnd, vmmMemEnd - 1);
 273
 274 #ifdef RAMDISK_BOOT
 275     /*
 276      * Zheng 08/03/2008
 277      */
 278     PrintBoth("%lx to %x - RAMDISK\n", vmmMemEnd, initrdEnd - 1);
 279
 280     PrintBoth("%lx to %x - GUEST_MEMORY (also free)\n", initrdEnd, endOfMem - 1);
 281 #else
 282     PrintBoth("%lx to %x - GUEST_MEMORY (also free)\n", vmmMemEnd, endOfMem - 1);
 283 #endif
 284 }
 285
 286 /*
 287  * Initialize the .bss section of the kernel executable image.
 288  */
 289 void Init_BSS(void)
 290 {
 291     extern char BSS_START, BSS_END;
 292
 293     /* Fill .bss with zeroes */
 294     memset(&BSS_START, '\0', &BSS_END - &BSS_START);
 295     // screen is not inited yet - PAD
 296     // PrintBoth("BSS Inited, BSS_START=%x, BSS_END=%x\n",BSS_START,BSS_END);
 297 }
 298
 299 /*
 300  * Allocate a page of physical memory.
 301  */
 302 void* Alloc_Page(void)
 303 {
 304     struct Page* page;
 305     void *result = 0;
 306
 307     bool iflag = Begin_Int_Atomic();
 308
 309     /* See if we have a free page */
 310     if (!Is_Page_List_Empty(&s_freeList)) {
 311         /* Remove the first page on the freelist. */
 312         page = Get_Front_Of_Page_List(&s_freeList);
 313         KASSERT((page->flags & PAGE_ALLOCATED) == 0);
 314         Remove_From_Front_Of_Page_List(&s_freeList);
 315
 316         /* Mark page as having been allocated. */
 317         page->flags |= PAGE_ALLOCATED;
 318         g_freePageCount--;
 319         result = (void*) Get_Page_Address(page);
 320     }
 321
 322     End_Int_Atomic(iflag);
 323
 324     return result;
 325 }
 326
 327 /*
 328  * Free a page of physical memory.
 329  */
 330 void Free_Page(void* pageAddr)
 331 {
 332     ulong_t addr = (ulong_t) pageAddr;
 333     struct Page* page;
 334     bool iflag;
 335
 336     iflag = Begin_Int_Atomic();
 337
 338     KASSERT(Is_Page_Multiple(addr));
 339
 340     /* Get the Page object for this page */
 341     page = Get_Page(addr);
 342     KASSERT((page->flags & PAGE_ALLOCATED) != 0);
 343
 344     /* Clear the allocation bit */
 345     page->flags &= ~(PAGE_ALLOCATED);
 346
 347     /* Put the page back on the freelist */
 348     Add_To_Back_Of_Page_List(&s_freeList, page);
 349     g_freePageCount++;
 350
 351     End_Int_Atomic(iflag);
 352 }