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: 1.3 $
   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 #include <geekos/debug.h>
  25
  26 /* ----------------------------------------------------------------------
  27  * Global data
  28  * ---------------------------------------------------------------------- */
  29
  30 /*
  31  * List of Page structures representing each page of physical memory.
  32  */
  33 struct Page* g_pageList;
  34
  35 /*
  36  * Number of pages currently available on the freelist.
  37  */
  38 uint_t g_freePageCount = 0;
  39
  40 /* ----------------------------------------------------------------------
  41  * Private data and functions
  42  * ---------------------------------------------------------------------- */
  43
  44 /*
  45  * Defined in paging.c
  46  */
  47 extern int debugFaults;
  48 #define Debug(args...) if (debugFaults) Print(args)
  49
  50 /*
  51  * List of pages available for allocation.
  52  */
  53 static struct Page_List s_freeList;
  54
  55 /*
  56  * Total number of physical pages.
  57  */
  58 int unsigned s_numPages;
  59
  60 /*
  61  * Add a range of pages to the inventory of physical memory.
  62  */
  63 static void Add_Page_Range(ulong_t start, ulong_t end, int flags)
  64 {
  65     ulong_t addr;
  66
  67     PrintBoth("Start: %u, End: %u\n", (unsigned int)start, (unsigned int)end);
  68
  69     KASSERT(Is_Page_Multiple(start));
  70     KASSERT(Is_Page_Multiple(end));
  71     KASSERT(start < end);
  72
  73     //Print("Adding %lu pages\n", (end - start) / PAGE_SIZE);
  74
  75     for (addr = start; addr < end; addr += PAGE_SIZE) {
  76       //      Print("Adding Page at %u\n", (unsigned int)addr);
  77         struct Page *page = Get_Page(addr);
  78
  79         page->flags = flags;
  80
  81         if (flags == PAGE_AVAIL) {
  82             /* Add the page to the freelist */
  83             Add_To_Back_Of_Page_List(&s_freeList, page);
  84
  85             /* Update free page count */
  86             ++g_freePageCount;
  87         } else {
  88             Set_Next_In_Page_List(page, 0);
  89             Set_Prev_In_Page_List(page, 0);
  90         }
  91
  92     }
  93     //   Print("%d pages now in freelist\n", g_freePageCount);
  94
  95 }
  96
  97 /* ----------------------------------------------------------------------
  98  * Public functions
  99  * ---------------------------------------------------------------------- */
 100
 101 /*
 102  * The linker defines this symbol to indicate the end of
 103  * the executable image.
 104  */
 105 extern char end;
 106
 107 /*
 108  * Initialize memory management data structures.
 109  * Enables the use of Alloc_Page() and Free_Page() functions.
 110  */
 111 void Init_Mem(struct Boot_Info* bootInfo)
 112 {
 113     ulong_t numPages = bootInfo->memSizeKB >> 2;
 114     //    ulong_t endOfMem = numPages * PAGE_SIZE;
 115     unsigned numPageListBytes = sizeof(struct Page) * numPages;
 116     ulong_t pageListAddr;
 117     ulong_t pageListEnd;
 118     ulong_t kernEnd;
 119
 120
 121     KASSERT(bootInfo->memSizeKB > 0);
 122
 123     if (bootInfo->memSizeKB != TOP_OF_MEM/1024) {
 124       PrintBoth("Kernel compiled for %d KB machine, but machine claims %d KB\n",TOP_OF_MEM/1024,bootInfo->memSizeKB);
 125       if (bootInfo->memSizeKB < TOP_OF_MEM/1024) {
 126         PrintBoth("Kernel compiled for more memory than machine has.  Panicking\n");
 127         KASSERT(0);
 128       }
 129     }
 130
 131     if (0) {
 132       // if there is not enough memory between START_OF_VM+VM_SIZE and TOP_OF_MEM
 133       // to store the kernel and kernel structures, we need to panick
 134       PrintBoth("Kernel is not compiled with sufficient memory above the VM to support the memory\n");
 135       KASSERT(0);
 136     }
 137
 138
 139     bootInfo->memSizeKB = TOP_OF_MEM / 1024;
 140
 141     /*
 142      * Before we do anything, switch from setup.asm's temporary GDT
 143      * to the kernel's permanent GDT.
 144      */
 145     Init_GDT();
 146
 147     /*
 148      * We'll put the list of Page objects right after the end
 149      * of the kernel, and mark it as "kernel".  This will bootstrap
 150      * us sufficiently that we can start allocating pages and
 151      * keeping track of them.
 152      */
 153
 154     // JRL: This is stupid...
 155     // with large mem sizes the page list overruns into the ISA
 156     // hole. By blind luck this causes an unrelated assertion failure, otherwise
 157     // I might never have caught it...
 158     // We fix it by moving the page list after the kernel heap...
 159     // For now we'll make our own stupid assumption that the mem size
 160     // is large enough to accomodate the list in high mem.
 161
 162     PrintBoth("Total Memory Size: %u MBytes\n", bootInfo->memSizeKB/1024);
 163     PrintBoth("VM Start: %x\n",START_OF_VM);
 164     PrintBoth("VM End: %x\n",START_OF_VM+VM_SIZE-1);
 165
 166
 167     PrintBoth("Page struct size: %lu bytes\n", sizeof(struct Page));
 168     PrintBoth("Page List Size: %u bytes\n", numPageListBytes);
 169
 170
 171     //pageListAddr = Round_Up_To_Page((ulong_t) &end);
 172     //pageListAddr = Round_Up_To_Page(HIGHMEM_START + KERNEL_HEAP_SIZE);
 173
 174     // Note that this is now moved to be just above the kernel heap
 175     // see defs.h for layout
 176     pageListAddr=Round_Up_To_Page(KERNEL_PAGELIST);
 177
 178     pageListEnd = Round_Up_To_Page(pageListAddr + numPageListBytes);
 179
 180     g_pageList = (struct Page*) pageListAddr;
 181     //    kernEnd = Round_Up_To_Page(pageListAddr + numPageListBytes);
 182     //
 183     // PAD - Note: I am changing this so that everything through the end of
 184     // the VM boot package (bioses/vmxassist) is off limits
 185     //kernEnd = Round_Up_To_Page((ulong_t) &end);
 186     kernEnd = Round_Up_To_Page(VM_BOOT_PACKAGE_END);
 187     s_numPages = numPages;
 188
 189     PrintBoth("Pagelist addr: %p\n", g_pageList);
 190     PrintBoth("index: %p\n", &g_pageList[3]);
 191     PrintBoth("direct offset: %p\n", g_pageList + (sizeof(struct Page) * 2));
 192     //  PrintBoth("Kernel Size=%lx\n", (kernEnd - KERNEL_START_ADDR));
 193     // PrintBoth("Kernel Start=%x\n", KERNEL_START_ADDR);
 194     PrintBoth("Kernel End=%lx\n", kernEnd);
 195     //PrintBoth("end=%x\n", end);
 196     PrintBoth("VM Boot Package Start=%x\n", VM_BOOT_PACKAGE_START);
 197     PrintBoth("VM Boot Package End=%x\n", VM_BOOT_PACKAGE_END);
 198
 199     /*
 200      * The initial kernel thread and its stack are placed
 201      * just beyond the ISA hole.
 202      */
 203     // This is no longer true
 204     // KASSERT(ISA_HOLE_END == KERN_THREAD_OBJ);
 205     // instead,
 206     //KASSERT(KERN_THREAD_OBJ==(START_OF_VM+VM_SIZE));
 207     //KASSERT(KERN_STACK == KERN_THREAD_OBJ + PAGE_SIZE);
 208
 209     /*
 210      * Memory looks like this:
 211      * 0 - start: available (might want to preserve BIOS data area)
 212      * start - end: kernel
 213      * end - ISA_HOLE_START: available
 214      * ISA_HOLE_START - ISA_HOLE_END: used by hardware (and ROM BIOS?)
 215      * ISA_HOLE_END - HIGHMEM_START: used by initial kernel thread
 216      * HIGHMEM_START - end of memory: available
 217      *    (the kernel heap is located at HIGHMEM_START; any unused memory
 218      *    beyond that is added to the freelist)
 219      */
 220
 221     // The VM region... 0 .. VM size is out of bounds
 222     KASSERT(START_OF_VM==0);
 223
 224     Add_Page_Range(START_OF_VM, START_OF_VM+VM_SIZE, PAGE_VM);
 225     //PrintBoth("hello1\n");
 226     // The kernel is still in low memory at this point, in the VM region
 227     // Thus we will mark it as kernel use
 228     // Add_Page_Range(KERNEL_START_ADDR, kernEnd, PAGE_KERN);
 229
 230
 231     //Add_Page_Range(kernEnd, ISA_HOLE_START, PAGE_AVAIL);
 232     // ISA hole remains closed (no actual memory)
 233     // Add_Page_Range(ISA_HOLE_START, ISA_HOLE_END, PAGE_HW);
 234
 235     //Add_Page_Range(ISA_HOLE_END, HIGHMEM_START, PAGE_ALLOCATED);
 236     // Add_Page_Range(HIGHMEM_START, HIGHMEM_START + KERNEL_HEAP_SIZE, PAGE_HEAP);
 237     //Add_Page_Range(HIGHMEM_START + KERNEL_HEAP_SIZE, endOfMem, PAGE_AVAIL);
 238     /* JRL: move page list after kernel heap */
 239
 240     //Now, above the VM region...
 241
 242     // Kernel thread object
 243     Add_Page_Range(KERNEL_THREAD_OBJECT,KERNEL_THREAD_OBJECT+KERNEL_THREAD_OBJECT_SIZE,PAGE_ALLOCATED);
 244     // Kernel stack
 245     Add_Page_Range(KERNEL_STACK,KERNEL_STACK+KERNEL_STACK_SIZE,PAGE_ALLOCATED);
 246     // Kernel heap
 247     Add_Page_Range(KERNEL_HEAP,KERNEL_HEAP+KERNEL_HEAP_SIZE,PAGE_HEAP);
 248     // Kernel page list
 249     Add_Page_Range(pageListAddr, pageListEnd, PAGE_KERN);
 250     // Free space
 251     Add_Page_Range(pageListEnd,Round_Down_To_Page(FINAL_KERNEL_START), PAGE_AVAIL);
 252     // The kernel
 253     Add_Page_Range(Round_Down_To_Page(FINAL_KERNEL_START),Round_Up_To_Page(FINAL_VMBOOTEND+1),PAGE_KERN);
 254     // The vmbootpackage
 255     // IDT (this should be one page)
 256     Add_Page_Range(IDT_LOCATION,TSS_LOCATION,PAGE_KERN);
 257     // TSS (this should be one page)
 258     Add_Page_Range(TSS_LOCATION,GDT_LOCATION, PAGE_KERN);
 259     // GDT (this should be one page)
 260     Add_Page_Range(GDT_LOCATION,TOP_OF_MEM, PAGE_KERN);
 261
 262     /* Initialize the kernel heap */
 263     Init_Heap(KERNEL_HEAP, KERNEL_HEAP_SIZE);
 264
 265     PrintBoth("%uKB memory detected, %u pages in freelist, %d bytes in kernel heap\n",
 266         bootInfo->memSizeKB, g_freePageCount, KERNEL_HEAP_SIZE);
 267
 268     PrintBoth("Memory Layout:\n");
 269     PrintBoth("%x to %x - VM\n",START_OF_VM,START_OF_VM+VM_SIZE-1);
 270     PrintBoth("%x to %x - INITIAL THREAD\n",KERNEL_THREAD_OBJECT,KERNEL_THREAD_OBJECT+KERNEL_THREAD_OBJECT_SIZE-1);
 271     PrintBoth("%x to %x - KERNEL STACK\n",KERNEL_STACK,KERNEL_STACK+KERNEL_STACK_SIZE-1);
 272     PrintBoth("%x to %x - KERNEL HEAP\n",KERNEL_HEAP,KERNEL_HEAP+KERNEL_HEAP_SIZE-1);
 273     PrintBoth("%lx to %lx - PAGE LIST\n",pageListAddr,pageListEnd-1);
 274     PrintBoth("%lx to %x - FREE\n",pageListEnd,FINAL_KERNEL_START-1);
 275     PrintBoth("%x to %x - KERNEL CODE\n",FINAL_KERNEL_START,FINAL_KERNEL_END);
 276     PrintBoth("%x to %x - VM_KERNEL\n", FINAL_VM_KERNEL_START, FINAL_VM_KERNEL_END);
 277     PrintBoth("%x to %x - IDT\n",IDT_LOCATION,TSS_LOCATION-1);
 278     PrintBoth("%x to %x - TSS\n",TSS_LOCATION,GDT_LOCATION-1);
 279     PrintBoth("%x to %x - GDT\n",GDT_LOCATION,TOP_OF_MEM-1);
 280
 281
 282 }
 283
 284 /*
 285  * Initialize the .bss section of the kernel executable image.
 286  */
 287 void Init_BSS(void)
 288 {
 289     extern char BSS_START, BSS_END;
 290
 291     /* Fill .bss with zeroes */
 292     memset(&BSS_START, '\0', &BSS_END - &BSS_START);
 293     PrintBoth("BSS Inited, BSS_START=%x, BSS_END=%x\n",BSS_START,BSS_END);
 294 }
 295
 296 /*
 297  * Allocate a page of physical memory.
 298  */
 299 void* Alloc_Page(void)
 300 {
 301     struct Page* page;
 302     void *result = 0;
 303
 304     bool iflag = Begin_Int_Atomic();
 305
 306     /* See if we have a free page */
 307     if (!Is_Page_List_Empty(&s_freeList)) {
 308         /* Remove the first page on the freelist. */
 309         page = Get_Front_Of_Page_List(&s_freeList);
 310         KASSERT((page->flags & PAGE_ALLOCATED) == 0);
 311         Remove_From_Front_Of_Page_List(&s_freeList);
 312
 313         /* Mark page as having been allocated. */
 314         page->flags |= PAGE_ALLOCATED;
 315         g_freePageCount--;
 316         result = (void*) Get_Page_Address(page);
 317     }
 318
 319     End_Int_Atomic(iflag);
 320
 321     return result;
 322 }
 323
 324 /*
 325  * Free a page of physical memory.
 326  */
 327 void Free_Page(void* pageAddr)
 328 {
 329     ulong_t addr = (ulong_t) pageAddr;
 330     struct Page* page;
 331     bool iflag;
 332
 333     iflag = Begin_Int_Atomic();
 334
 335     KASSERT(Is_Page_Multiple(addr));
 336
 337     /* Get the Page object for this page */
 338     page = Get_Page(addr);
 339     KASSERT((page->flags & PAGE_ALLOCATED) != 0);
 340
 341     /* Clear the allocation bit */
 342     page->flags &= ~(PAGE_ALLOCATED);
 343
 344     /* Put the page back on the freelist */
 345     Add_To_Back_Of_Page_List(&s_freeList, page);
 346     g_freePageCount++;
 347
 348     End_Int_Atomic(iflag);
 349 }