palacios/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  * $Revision: 1.2 $
   6  *
   7  * This is free software.  You are permitted to use,
   8  * redistribute, and modify it as specified in the file "COPYING".
   9  */
  10
  11 #include <geekos/defs.h>
  12 #include <geekos/ktypes.h>
  13 #include <geekos/kassert.h>
  14 #include <geekos/bootinfo.h>
  15 #include <geekos/gdt.h>
  16 #include <geekos/screen.h>
  17 #include <geekos/int.h>
  18 #include <geekos/malloc.h>
  19 #include <geekos/string.h>
  20 #include <geekos/mem.h>
  21
  22 #include <geekos/vmm_sizes.h>
  23 #include <geekos/serial.h>
  24
  25 /* ----------------------------------------------------------------------
  26  * Global data
  27  * ---------------------------------------------------------------------- */
  28
  29 /*
  30  * List of Page structures representing each page of physical memory.
  31  */
  32 struct Page* g_pageList;
  33
  34 /*
  35  * Number of pages currently available on the freelist.
  36  */
  37 uint_t g_freePageCount = 0;
  38
  39 /* ----------------------------------------------------------------------
  40  * Private data and functions
  41  * ---------------------------------------------------------------------- */
  42
  43 /*
  44  * Defined in paging.c
  45  */
  46 extern int debugFaults;
  47 #define Debug(args...) if (debugFaults) Print(args)
  48
  49 /*
  50  * List of pages available for allocation.
  51  */
  52 static struct Page_List s_freeList;
  53
  54 /*
  55  * Total number of physical pages.
  56  */
  57 int unsigned s_numPages;
  58
  59 /*
  60  * Add a range of pages to the inventory of physical memory.
  61  */
  62 static void Add_Page_Range(ulong_t start, ulong_t end, int flags)
  63 {
  64     ulong_t addr;
  65
  66     PrintBoth("Start: %u, End: %u\n", (unsigned int)start, (unsigned int)end);
  67
  68     KASSERT(Is_Page_Multiple(start));
  69     KASSERT(Is_Page_Multiple(end));
  70     KASSERT(start < end);
  71
  72     //Print("Adding %lu pages\n", (end - start) / PAGE_SIZE);
  73
  74     for (addr = start; addr < end; addr += PAGE_SIZE) {
  75       //      Print("Adding Page at %u\n", (unsigned int)addr);
  76         struct Page *page = Get_Page(addr);
  77
  78         page->flags = flags;
  79
  80         if (flags == PAGE_AVAIL) {
  81             /* Add the page to the freelist */
  82             Add_To_Back_Of_Page_List(&s_freeList, page);
  83
  84             /* Update free page count */
  85             ++g_freePageCount;
  86         } else {
  87             Set_Next_In_Page_List(page, 0);
  88             Set_Prev_In_Page_List(page, 0);
  89         }
  90
  91     }
  92     //   Print("%d pages now in freelist\n", g_freePageCount);
  93
  94 }
  95
  96 /* ----------------------------------------------------------------------
  97  * Public functions
  98  * ---------------------------------------------------------------------- */
  99
 100 /*
 101  * The linker defines this symbol to indicate the end of
 102  * the executable image.
 103  */
 104 extern char end;
 105
 106 /*
 107  * Initialize memory management data structures.
 108  * Enables the use of Alloc_Page() and Free_Page() functions.
 109  */
 110 void Init_Mem(struct Boot_Info* bootInfo)
 111 {
 112     ulong_t numPages = bootInfo->memSizeKB >> 2;
 113     //    ulong_t endOfMem = numPages * PAGE_SIZE;
 114     unsigned numPageListBytes = sizeof(struct Page) * numPages;
 115     ulong_t pageListAddr;
 116     ulong_t pageListEnd;
 117     ulong_t kernEnd;
 118
 119
 120     KASSERT(bootInfo->memSizeKB > 0);
 121
 122     if (bootInfo->memSizeKB != TOP_OF_MEM/1024) {
 123       PrintBoth("Kernel compiled for %d KB machine, but machine claims %d KB\n",TOP_OF_MEM/1024,bootInfo->memSizeKB);
 124       if (bootInfo->memSizeKB < TOP_OF_MEM/1024) {
 125         PrintBoth("Kernel compiled for more memory than machine has.  Panicking\n");
 126         KASSERT(0);
 127       }
 128     }
 129
 130     if (0) {
 131       // if there is not enough memory between START_OF_VM+VM_SIZE and TOP_OF_MEM
 132       // to store the kernel and kernel structures, we need to panick
 133       PrintBoth("Kernel is not compiled with sufficient memory above the VM to support the memory\n");
 134       KASSERT(0);
 135     }
 136
 137
 138     bootInfo->memSizeKB = TOP_OF_MEM / 1024;
 139
 140     /*
 141      * Before we do anything, switch from setup.asm's temporary GDT
 142      * to the kernel's permanent GDT.
 143      */
 144     Init_GDT();
 145
 146     /*
 147      * We'll put the list of Page objects right after the end
 148      * of the kernel, and mark it as "kernel".  This will bootstrap
 149      * us sufficiently that we can start allocating pages and
 150      * keeping track of them.
 151      */
 152
 153     // JRL: This is stupid...
 154     // with large mem sizes the page list overruns into the ISA
 155     // hole. By blind luck this causes an unrelated assertion failure, otherwise
 156     // I might never have caught it...
 157     // We fix it by moving the page list after the kernel heap...
 158     // For now we'll make our own stupid assumption that the mem size
 159     // is large enough to accomodate the list in high mem.
 160
 161     PrintBoth("Total Memory Size: %u MBytes\n", bootInfo->memSizeKB/1024);
 162     PrintBoth("VM Start: %x\n",START_OF_VM);
 163     PrintBoth("VM End: %x\n",START_OF_VM+VM_SIZE-1);
 164
 165
 166     PrintBoth("Page struct size: %u bytes\n", sizeof(struct Page));
 167     PrintBoth("Page List Size: %u bytes\n", numPageListBytes);
 168
 169
 170     //pageListAddr = Round_Up_To_Page((ulong_t) &end);
 171     //pageListAddr = Round_Up_To_Page(HIGHMEM_START + KERNEL_HEAP_SIZE);
 172
 173     // Note that this is now moved to be just above the kernel heap
 174     // see defs.h for layout
 175     pageListAddr=Round_Up_To_Page(KERNEL_PAGELIST);
 176
 177     pageListEnd = Round_Up_To_Page(pageListAddr + numPageListBytes);
 178
 179     g_pageList = (struct Page*) pageListAddr;
 180     //    kernEnd = Round_Up_To_Page(pageListAddr + numPageListBytes);
 181     //
 182     // PAD - Note: I am changing this so that everything through the end of
 183     // the VM boot package (bioses/vmxassist) is off limits
 184     //kernEnd = Round_Up_To_Page((ulong_t) &end);
 185     kernEnd = Round_Up_To_Page(VM_BOOT_PACKAGE_END);
 186     s_numPages = numPages;
 187
 188     PrintBoth("Pagelist addr: %p\n", g_pageList);
 189     PrintBoth("index: %p\n", &g_pageList[3]);
 190     PrintBoth("direct offset: %p\n", g_pageList + (sizeof(struct Page) * 2));
 191     //  PrintBoth("Kernel Size=%lx\n", (kernEnd - KERNEL_START_ADDR));
 192     // PrintBoth("Kernel Start=%x\n", KERNEL_START_ADDR);
 193     PrintBoth("Kernel End=%lx\n", kernEnd);
 194     //PrintBoth("end=%x\n", end);
 195     PrintBoth("VM Boot Package Start=%x\n", VM_BOOT_PACKAGE_START);
 196     PrintBoth("VM Boot Package End=%x\n", VM_BOOT_PACKAGE_END);
 197
 198     /*
 199      * The initial kernel thread and its stack are placed
 200      * just beyond the ISA hole.
 201      */
 202     // This is no longer true
 203     // KASSERT(ISA_HOLE_END == KERN_THREAD_OBJ);
 204     // instead,
 205     //KASSERT(KERN_THREAD_OBJ==(START_OF_VM+VM_SIZE));
 206     //KASSERT(KERN_STACK == KERN_THREAD_OBJ + PAGE_SIZE);
 207
 208     /*
 209      * Memory looks like this:
 210      * 0 - start: available (might want to preserve BIOS data area)
 211      * start - end: kernel
 212      * end - ISA_HOLE_START: available
 213      * ISA_HOLE_START - ISA_HOLE_END: used by hardware (and ROM BIOS?)
 214      * ISA_HOLE_END - HIGHMEM_START: used by initial kernel thread
 215      * HIGHMEM_START - end of memory: available
 216      *    (the kernel heap is located at HIGHMEM_START; any unused memory
 217      *    beyond that is added to the freelist)
 218      */
 219
 220     // The VM region... 0 .. VM size is out of bounds
 221     KASSERT(START_OF_VM==0);
 222
 223     Add_Page_Range(START_OF_VM, START_OF_VM+VM_SIZE, PAGE_VM);
 224     //PrintBoth("hello1\n");
 225     // The kernel is still in low memory at this point, in the VM region
 226     // Thus we will mark it as kernel use
 227     // Add_Page_Range(KERNEL_START_ADDR, kernEnd, PAGE_KERN);
 228
 229
 230     //Add_Page_Range(kernEnd, ISA_HOLE_START, PAGE_AVAIL);
 231     // ISA hole remains closed (no actual memory)
 232     // Add_Page_Range(ISA_HOLE_START, ISA_HOLE_END, PAGE_HW);
 233
 234     //Add_Page_Range(ISA_HOLE_END, HIGHMEM_START, PAGE_ALLOCATED);
 235     // Add_Page_Range(HIGHMEM_START, HIGHMEM_START + KERNEL_HEAP_SIZE, PAGE_HEAP);
 236     //Add_Page_Range(HIGHMEM_START + KERNEL_HEAP_SIZE, endOfMem, PAGE_AVAIL);
 237     /* JRL: move page list after kernel heap */
 238
 239     //Now, above the VM region...
 240
 241     // Kernel thread object
 242     Add_Page_Range(KERNEL_THREAD_OBJECT,KERNEL_THREAD_OBJECT+KERNEL_THREAD_OBJECT_SIZE,PAGE_ALLOCATED);
 243     // Kernel stack
 244     Add_Page_Range(KERNEL_STACK,KERNEL_STACK+KERNEL_STACK_SIZE,PAGE_ALLOCATED);
 245     // Kernel heap
 246     Add_Page_Range(KERNEL_HEAP,KERNEL_HEAP+KERNEL_HEAP_SIZE,PAGE_HEAP);
 247     // Kernel page list
 248     Add_Page_Range(pageListAddr, pageListEnd, PAGE_KERN);
 249     // Free space
 250     Add_Page_Range(pageListEnd,Round_Down_To_Page(FINAL_KERNEL_START), PAGE_AVAIL);
 251     // The kernel
 252     Add_Page_Range(Round_Down_To_Page(FINAL_KERNEL_START),Round_Up_To_Page(FINAL_VMBOOTEND+1),PAGE_KERN);
 253     // The vmbootpackage
 254     // IDT (this should be one page)
 255     Add_Page_Range(IDT_LOCATION,TSS_LOCATION,PAGE_KERN);
 256     // TSS (this should be one page)
 257     Add_Page_Range(TSS_LOCATION,GDT_LOCATION, PAGE_KERN);
 258     // GDT (this should be one page)
 259     Add_Page_Range(GDT_LOCATION,TOP_OF_MEM, PAGE_KERN);
 260
 261     /* Initialize the kernel heap */
 262     Init_Heap(KERNEL_HEAP, KERNEL_HEAP_SIZE);
 263
 264     PrintBoth("%uKB memory detected, %u pages in freelist, %d bytes in kernel heap\n",
 265         bootInfo->memSizeKB, g_freePageCount, KERNEL_HEAP_SIZE);
 266
 267     PrintBoth("Memory Layout:\n");
 268     PrintBoth("%x to %x - VM\n",START_OF_VM,START_OF_VM+VM_SIZE-1);
 269     PrintBoth("%x to %x - INITIAL THREAD\n",KERNEL_THREAD_OBJECT,KERNEL_THREAD_OBJECT+KERNEL_THREAD_OBJECT_SIZE-1);
 270     PrintBoth("%x to %x - KERNEL STACK\n",KERNEL_STACK,KERNEL_STACK+KERNEL_STACK_SIZE-1);
 271     PrintBoth("%x to %x - KERNEL HEAP\n",KERNEL_HEAP,KERNEL_HEAP+KERNEL_HEAP_SIZE-1);
 272     PrintBoth("%lx to %lx - PAGE LIST\n",pageListAddr,pageListEnd-1);
 273     PrintBoth("%lx to %x - FREE\n",pageListEnd,FINAL_KERNEL_START-1);
 274     PrintBoth("%x to %x - KERNEL CODE\n",FINAL_KERNEL_START,FINAL_KERNEL_END);
 275     PrintBoth("%x to %x - VM_KERNEL\n", FINAL_VM_KERNEL_START, FINAL_VM_KERNEL_END);
 276     PrintBoth("%x to %x - IDT\n",IDT_LOCATION,TSS_LOCATION-1);
 277     PrintBoth("%x to %x - TSS\n",TSS_LOCATION,GDT_LOCATION-1);
 278     PrintBoth("%x to %x - GDT\n",GDT_LOCATION,TOP_OF_MEM-1);
 279
 280
 281 }
 282
 283 /*
 284  * Initialize the .bss section of the kernel executable image.
 285  */
 286 void Init_BSS(void)
 287 {
 288     extern char BSS_START, BSS_END;
 289
 290     /* Fill .bss with zeroes */
 291     memset(&BSS_START, '\0', &BSS_END - &BSS_START);
 292     PrintBoth("BSS Inited, BSS_START=%x, BSS_END=%x\n",BSS_START,BSS_END);
 293 }
 294
 295 /*
 296  * Allocate a page of physical memory.
 297  */
 298 void* Alloc_Page(void)
 299 {
 300     struct Page* page;
 301     void *result = 0;
 302
 303     bool iflag = Begin_Int_Atomic();
 304
 305     /* See if we have a free page */
 306     if (!Is_Page_List_Empty(&s_freeList)) {
 307         /* Remove the first page on the freelist. */
 308         page = Get_Front_Of_Page_List(&s_freeList);
 309         KASSERT((page->flags & PAGE_ALLOCATED) == 0);
 310         Remove_From_Front_Of_Page_List(&s_freeList);
 311
 312         /* Mark page as having been allocated. */
 313         page->flags |= PAGE_ALLOCATED;
 314         g_freePageCount--;
 315         result = (void*) Get_Page_Address(page);
 316     }
 317
 318     End_Int_Atomic(iflag);
 319
 320     return result;
 321 }
 322
 323 /*
 324  * Free a page of physical memory.
 325  */
 326 void Free_Page(void* pageAddr)
 327 {
 328     ulong_t addr = (ulong_t) pageAddr;
 329     struct Page* page;
 330     bool iflag;
 331
 332     iflag = Begin_Int_Atomic();
 333
 334     KASSERT(Is_Page_Multiple(addr));
 335
 336     /* Get the Page object for this page */
 337     page = Get_Page(addr);
 338     KASSERT((page->flags & PAGE_ALLOCATED) != 0);
 339
 340     /* Clear the allocation bit */
 341     page->flags &= ~(PAGE_ALLOCATED);
 342
 343     /* Put the page back on the freelist */
 344     Add_To_Back_Of_Page_List(&s_freeList, page);
 345     g_freePageCount++;
 346
 347     End_Int_Atomic(iflag);
 348 }