src/cpu/x86/mtrr/mtrr.c

   1 /*
   2  * mtrr.c: setting MTRR to decent values for cache initialization on P6
   3  *
   4  * Derived from intel_set_mtrr in intel_subr.c and mtrr.c in linux kernel
   5  *
   6  * Copyright 2000 Silicon Integrated System Corporation
   7  *
   8  *      This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   9  *      it under the terms of the GNU General Public License as published by
  10  *      the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  11  *      (at your option) any later version.
  12  *
  13  *      This program is distributed in the hope that it will be useful,
  14  *      but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15  *      MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  16  *      GNU General Public License for more details.
  17  *
  18  *      You should have received a copy of the GNU General Public License
  19  *      along with this program; if not, write to the Free Software
  20  *      Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  21  *
  22  *
  23  * Reference: Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3: System Programming
  24  */
  25
  26 /*
  27         2005.1 yhlu add NC support to spare mtrrs for 64G memory above installed
  28         2005.6 Eric add address bit in x86_setup_mtrrs
  29         2005.6 yhlu split x86_setup_var_mtrrs and x86_setup_fixed_mtrrs,
  30                 for AMD, it will not use x86_setup_fixed_mtrrs
  31 */
  32
  33 #include <stddef.h>
  34 #include <console/console.h>
  35 #include <device/device.h>
  36 #include <cpu/x86/msr.h>
  37 #include <cpu/x86/mtrr.h>
  38 #include <cpu/x86/cache.h>
  39 #include <cpu/x86/lapic.h>
  40 #include <arch/cpu.h>
  41 #include <arch/acpi.h>
  42
  43 #if CONFIG_GFXUMA
  44 extern uint64_t uma_memory_base, uma_memory_size;
  45 #endif
  46
  47 static unsigned int mtrr_msr[] = {
  48         MTRRfix64K_00000_MSR, MTRRfix16K_80000_MSR, MTRRfix16K_A0000_MSR,
  49         MTRRfix4K_C0000_MSR, MTRRfix4K_C8000_MSR, MTRRfix4K_D0000_MSR, MTRRfix4K_D8000_MSR,
  50         MTRRfix4K_E0000_MSR, MTRRfix4K_E8000_MSR, MTRRfix4K_F0000_MSR, MTRRfix4K_F8000_MSR,
  51 };
  52
  53 void enable_fixed_mtrr(void)
  54 {
  55         msr_t msr;
  56
  57         msr = rdmsr(MTRRdefType_MSR);
  58         msr.lo |= 0xc00;
  59         wrmsr(MTRRdefType_MSR, msr);
  60 }
  61
  62 static void enable_var_mtrr(void)
  63 {
  64         msr_t msr;
  65
  66         msr = rdmsr(MTRRdefType_MSR);
  67         msr.lo |= MTRRdefTypeEn;
  68         wrmsr(MTRRdefType_MSR, msr);
  69 }
  70
  71 /* setting variable mtrr, comes from linux kernel source */
  72 static void set_var_mtrr(
  73         unsigned int reg, unsigned long basek, unsigned long sizek,
  74         unsigned char type, unsigned address_bits)
  75 {
  76         msr_t base, mask;
  77         unsigned address_mask_high;
  78
  79         if (reg >= 8)
  80                 return;
  81
  82         // it is recommended that we disable and enable cache when we
  83         // do this.
  84         if (sizek == 0) {
  85                 disable_cache();
  86
  87                 msr_t zero;
  88                 zero.lo = zero.hi = 0;
  89                 /* The invalid bit is kept in the mask, so we simply clear the
  90                    relevant mask register to disable a range. */
  91                 wrmsr (MTRRphysMask_MSR(reg), zero);
  92
  93                 enable_cache();
  94                 return;
  95         }
  96
  97
  98         address_mask_high = ((1u << (address_bits - 32u)) - 1u);
  99
 100         base.hi = basek >> 22;
 101         base.lo  = basek << 10;
 102
 103         printk(BIOS_SPEW, "ADDRESS_MASK_HIGH=%#x\n", address_mask_high);
 104
 105         if (sizek < 4*1024*1024) {
 106                 mask.hi = address_mask_high;
 107                 mask.lo = ~((sizek << 10) -1);
 108         }
 109         else {
 110                 mask.hi = address_mask_high & (~((sizek >> 22) -1));
 111                 mask.lo = 0;
 112         }
 113
 114         // it is recommended that we disable and enable cache when we
 115         // do this.
 116         disable_cache();
 117
 118         /* Bit 32-35 of MTRRphysMask should be set to 1 */
 119         base.lo |= type;
 120         mask.lo |= MTRRphysMaskValid;
 121         wrmsr (MTRRphysBase_MSR(reg), base);
 122         wrmsr (MTRRphysMask_MSR(reg), mask);
 123
 124         enable_cache();
 125 }
 126
 127 /* fms: find most sigificant bit set, stolen from Linux Kernel Source. */
 128 static inline unsigned int fms(unsigned int x)
 129 {
 130         int r;
 131
 132         __asm__("bsrl %1,%0\n\t"
 133                 "jnz 1f\n\t"
 134                 "movl $0,%0\n"
 135                 "1:" : "=r" (r) : "g" (x));
 136         return r;
 137 }
 138
 139 /* fls: find least sigificant bit set */
 140 static inline unsigned int fls(unsigned int x)
 141 {
 142         int r;
 143
 144         __asm__("bsfl %1,%0\n\t"
 145                 "jnz 1f\n\t"
 146                 "movl $32,%0\n"
 147                 "1:" : "=r" (r) : "g" (x));
 148         return r;
 149 }
 150
 151 /* setting up variable and fixed mtrr
 152  *
 153  * From Intel Vol. III Section 9.12.4, the Range Size and Base Alignment has some kind of requirement:
 154  *      1. The range size must be 2^N byte for N >= 12 (i.e 4KB minimum).
 155  *      2. The base address must be 2^N aligned, where the N here is equal to the N in previous
 156  *         requirement. So a 8K range must be 8K aligned not 4K aligned.
 157  *
 158  * These requirement is meet by "decompositing" the ramsize into Sum(Cn * 2^n, n = [0..N], Cn = [0, 1]).
 159  * For Cm = 1, there is a WB range of 2^m size at base address Sum(Cm * 2^m, m = [N..n]).
 160  * A 124MB (128MB - 4MB SMA) example:
 161  *      ramsize = 124MB == 64MB (at 0MB) + 32MB (at 64MB) + 16MB (at 96MB ) + 8MB (at 112MB) + 4MB (120MB).
 162  * But this wastes a lot of MTRR registers so we use another more "aggresive" way with Uncacheable Regions.
 163  *
 164  * In the Uncacheable Region scheme, we try to cover the whole ramsize by one WB region as possible,
 165  * If (an only if) this can not be done we will try to decomposite the ramesize, the mathematical formula
 166  * whould be ramsize = Sum(Cn * 2^n, n = [0..N], Cn = [-1, 0, 1]). For Cn = -1, a Uncachable Region is used.
 167  * The same 124MB example:
 168  *      ramsize = 124MB == 128MB WB (at 0MB) + 4MB UC (at 124MB)
 169  * or a 156MB (128MB + 32MB - 4MB SMA) example:
 170  *      ramsize = 156MB == 128MB WB (at 0MB) + 32MB WB (at 128MB) + 4MB UC (at 156MB)
 171  */
 172 /* 2 MTRRS are reserved for the operating system */
 173 #if 1
 174 #define BIOS_MTRRS 6
 175 #define OS_MTRRS   2
 176 #else
 177 #define BIOS_MTRRS 8
 178 #define OS_MTRRS   0
 179 #endif
 180 #define MTRRS        (BIOS_MTRRS + OS_MTRRS)
 181
 182 static int total_mtrrs = MTRRS;
 183 static int bios_mtrrs = BIOS_MTRRS;
 184
 185 static void detect_var_mtrrs(void)
 186 {
 187         msr_t msr;
 188
 189         msr = rdmsr(MTRRcap_MSR);
 190
 191         total_mtrrs = msr.lo & 0xff;
 192         bios_mtrrs = total_mtrrs - 2;
 193 }
 194
 195 static void set_fixed_mtrrs(unsigned int first, unsigned int last, unsigned char type)
 196 {
 197         unsigned int i;
 198         unsigned int fixed_msr = NUM_FIXED_RANGES >> 3;
 199         msr_t msr;
 200         msr.lo = msr.hi = 0; /* Shut up gcc */
 201         for(i = first; i < last; i++) {
 202                 /* When I switch to a new msr read it in */
 203                 if (fixed_msr != i >> 3) {
 204                         /* But first write out the old msr */
 205                         if (fixed_msr < (NUM_FIXED_RANGES >> 3)) {
 206                                 disable_cache();
 207                                 wrmsr(mtrr_msr[fixed_msr], msr);
 208                                 enable_cache();
 209                         }
 210                         fixed_msr = i>>3;
 211                         msr = rdmsr(mtrr_msr[fixed_msr]);
 212                 }
 213                 if ((i & 7) < 4) {
 214                         msr.lo &= ~(0xff << ((i&3)*8));
 215                         msr.lo |= type << ((i&3)*8);
 216                 } else {
 217                         msr.hi &= ~(0xff << ((i&3)*8));
 218                         msr.hi |= type << ((i&3)*8);
 219                 }
 220         }
 221         /* Write out the final msr */
 222         if (fixed_msr < (NUM_FIXED_RANGES >> 3)) {
 223                 disable_cache();
 224                 wrmsr(mtrr_msr[fixed_msr], msr);
 225                 enable_cache();
 226         }
 227 }
 228
 229 static unsigned fixed_mtrr_index(unsigned long addrk)
 230 {
 231         unsigned index;
 232         index = (addrk - 0) >> 6;
 233         if (index >= 8) {
 234                 index = ((addrk - 8*64) >> 4) + 8;
 235         }
 236         if (index >= 24) {
 237                 index = ((addrk - (8*64 + 16*16)) >> 2) + 24;
 238         }
 239         if (index > NUM_FIXED_RANGES) {
 240                 index = NUM_FIXED_RANGES;
 241         }
 242         return index;
 243 }
 244
 245 static unsigned int range_to_mtrr(unsigned int reg,
 246         unsigned long range_startk, unsigned long range_sizek,
 247         unsigned long next_range_startk, unsigned char type,
 248         unsigned int address_bits, unsigned int above4gb)
 249 {
 250         unsigned long hole_startk = 0, hole_sizek = 0;
 251
 252         if (!range_sizek) {
 253                 /* If there's no MTRR hole, this function will bail out
 254                  * here when called for the hole.
 255                  */
 256                 printk(BIOS_SPEW, "Zero-sized MTRR range @%ldKB\n", range_startk);
 257                 return reg;
 258         }
 259
 260         if (reg >= bios_mtrrs) {
 261                 printk(BIOS_ERR, "Warning: Out of MTRRs for base: %4ldMB, range: %ldMB, type %s\n",
 262                                 range_startk >>10, range_sizek >> 10,
 263                                 (type==MTRR_TYPE_UNCACHEABLE)?"UC":
 264                                    ((type==MTRR_TYPE_WRBACK)?"WB":"Other") );
 265                 return reg;
 266         }
 267
 268         if (above4gb == 2 && type == MTRR_TYPE_WRBACK && range_sizek % 0x4000) {
 269                 /*
 270                  * If this range is not divisible by 16MB then instead
 271                  * make a larger range and carve out an uncached hole.
 272                  */
 273                 hole_startk = range_startk + range_sizek;
 274                 hole_sizek = 0x4000 - (range_sizek % 0x4000);
 275                 range_sizek += hole_sizek;
 276         }
 277
 278         while(range_sizek) {
 279                 unsigned long max_align, align;
 280                 unsigned long sizek;
 281                 /* Compute the maximum size I can make a range */
 282                 max_align = fls(range_startk);
 283                 align = fms(range_sizek);
 284                 if (align > max_align) {
 285                         align = max_align;
 286                 }
 287                 sizek = 1 << align;
 288                 printk(BIOS_DEBUG, "Setting variable MTRR %d, base: %4ldMB, range: %4ldMB, type %s\n",
 289                         reg, range_startk >>10, sizek >> 10,
 290                         (type==MTRR_TYPE_UNCACHEABLE)?"UC":
 291                             ((type==MTRR_TYPE_WRBACK)?"WB":"Other")
 292                         );
 293
 294                 /* if range is above 4GB, MTRR is needed
 295                  * only if above4gb flag is set
 296                  */
 297                 if (range_startk < 0x100000000ull / 1024 || above4gb)
 298                         set_var_mtrr(reg++, range_startk, sizek, type, address_bits);
 299                 range_startk += sizek;
 300                 range_sizek -= sizek;
 301                 if (reg >= bios_mtrrs) {
 302                         printk(BIOS_ERR, "Running out of variable MTRRs!\n");
 303                         break;
 304                 }
 305         }
 306
 307         if (hole_sizek) {
 308                 printk(BIOS_DEBUG, "Adding hole at %ldMB-%ldMB\n",
 309                        hole_startk >> 10, (hole_startk + hole_sizek) >> 10);
 310                 reg = range_to_mtrr(reg, hole_startk, hole_sizek,
 311                               next_range_startk, MTRR_TYPE_UNCACHEABLE,
 312                               address_bits, above4gb);
 313         }
 314
 315         return reg;
 316 }
 317
 318 static unsigned long resk(uint64_t value)
 319 {
 320         unsigned long resultk;
 321         if (value < (1ULL << 42)) {
 322                 resultk = value >> 10;
 323         }
 324         else {
 325                 resultk = 0xffffffff;
 326         }
 327         return resultk;
 328 }
 329
 330 static void set_fixed_mtrr_resource(void *gp, struct device *dev, struct resource *res)
 331 {
 332         unsigned int start_mtrr;
 333         unsigned int last_mtrr;
 334         start_mtrr = fixed_mtrr_index(resk(res->base));
 335         last_mtrr  = fixed_mtrr_index(resk((res->base + res->size)));
 336         if (start_mtrr >= NUM_FIXED_RANGES) {
 337                 return;
 338         }
 339         printk(BIOS_DEBUG, "Setting fixed MTRRs(%d-%d) Type: WB\n",
 340                 start_mtrr, last_mtrr);
 341         set_fixed_mtrrs(start_mtrr, last_mtrr, MTRR_TYPE_WRBACK);
 342
 343 }
 344
 345 #ifndef CONFIG_VAR_MTRR_HOLE
 346 #define CONFIG_VAR_MTRR_HOLE 1
 347 #endif
 348
 349 struct var_mtrr_state {
 350         unsigned long range_startk, range_sizek;
 351         unsigned int reg;
 352         unsigned long hole_startk, hole_sizek;
 353         unsigned int address_bits;
 354         unsigned int above4gb; /* Set if MTRRs are needed for DRAM above 4GB */
 355 };
 356
 357 void set_var_mtrr_resource(void *gp, struct device *dev, struct resource *res)
 358 {
 359         struct var_mtrr_state *state = gp;
 360         unsigned long basek, sizek;
 361         if (state->reg >= bios_mtrrs)
 362                 return;
 363         basek = resk(res->base);
 364         sizek = resk(res->size);
 365         /* See if I can merge with the last range
 366          * Either I am below 1M and the fixed mtrrs handle it, or
 367          * the ranges touch.
 368          */
 369         if ((basek <= 1024) || (state->range_startk + state->range_sizek == basek)) {
 370                 unsigned long endk = basek + sizek;
 371                 state->range_sizek = endk - state->range_startk;
 372                 return;
 373         }
 374         /* Write the range mtrrs */
 375         if (state->range_sizek != 0) {
 376 #if CONFIG_VAR_MTRR_HOLE
 377                 if (state->hole_sizek == 0 && state->above4gb != 2) {
 378                         /* We need to put that on to hole */
 379                         unsigned long endk = basek + sizek;
 380                         state->hole_startk = state->range_startk + state->range_sizek;
 381                         state->hole_sizek  = basek - state->hole_startk;
 382                         state->range_sizek = endk - state->range_startk;
 383                         return;
 384                 }
 385 #endif
 386                 state->reg = range_to_mtrr(state->reg, state->range_startk,
 387                         state->range_sizek, basek, MTRR_TYPE_WRBACK,
 388                         state->address_bits, state->above4gb);
 389 #if CONFIG_VAR_MTRR_HOLE
 390                 state->reg = range_to_mtrr(state->reg, state->hole_startk,
 391                         state->hole_sizek, basek, MTRR_TYPE_UNCACHEABLE,
 392                         state->address_bits, state->above4gb);
 393 #endif
 394                 state->range_startk = 0;
 395                 state->range_sizek = 0;
 396                 state->hole_startk = 0;
 397                 state->hole_sizek = 0;
 398         }
 399         /* Allocate an msr */
 400         printk(BIOS_SPEW, " Allocate an msr - basek = %08lx, sizek = %08lx,\n", basek, sizek);
 401         state->range_startk = basek;
 402         state->range_sizek  = sizek;
 403 }
 404
 405 void x86_setup_fixed_mtrrs(void)
 406 {
 407         /* Try this the simple way of incrementally adding together
 408          * mtrrs.  If this doesn't work out we can get smart again
 409          * and clear out the mtrrs.
 410          */
 411
 412         printk(BIOS_DEBUG, "\n");
 413         /* Initialized the fixed_mtrrs to uncached */
 414         printk(BIOS_DEBUG, "Setting fixed MTRRs(%d-%d) Type: UC\n",
 415                 0, NUM_FIXED_RANGES);
 416         set_fixed_mtrrs(0, NUM_FIXED_RANGES, MTRR_TYPE_UNCACHEABLE);
 417
 418         /* Now see which of the fixed mtrrs cover ram.
 419                  */
 420         search_global_resources(
 421                 IORESOURCE_MEM | IORESOURCE_CACHEABLE, IORESOURCE_MEM | IORESOURCE_CACHEABLE,
 422                 set_fixed_mtrr_resource, NULL);
 423         printk(BIOS_DEBUG, "DONE fixed MTRRs\n");
 424
 425         /* enable fixed MTRR */
 426         printk(BIOS_SPEW, "call enable_fixed_mtrr()\n");
 427         enable_fixed_mtrr();
 428
 429 }
 430
 431 void x86_setup_var_mtrrs(unsigned int address_bits, unsigned int above4gb)
 432 /* this routine needs to know how many address bits a given processor
 433  * supports.  CPUs get grumpy when you set too many bits in
 434  * their mtrr registers :(  I would generically call cpuid here
 435  * and find out how many physically supported but some cpus are
 436  * buggy, and report more bits then they actually support.
 437  * If above4gb flag is set, variable MTRR ranges must be used to
 438  * set cacheability of DRAM above 4GB. If above4gb flag is clear,
 439  * some other mechanism is controlling cacheability of DRAM above 4GB.
 440  */
 441 {
 442         /* Try this the simple way of incrementally adding together
 443          * mtrrs.  If this doesn't work out we can get smart again
 444          * and clear out the mtrrs.
 445          */
 446         struct var_mtrr_state var_state;
 447
 448         /* Cache as many memory areas as possible */
 449         /* FIXME is there an algorithm for computing the optimal set of mtrrs?
 450          * In some cases it is definitely possible to do better.
 451          */
 452         var_state.range_startk = 0;
 453         var_state.range_sizek = 0;
 454         var_state.hole_startk = 0;
 455         var_state.hole_sizek = 0;
 456         var_state.reg = 0;
 457         var_state.address_bits = address_bits;
 458         var_state.above4gb = above4gb;
 459
 460         /* Detect number of variable MTRRs */
 461         if (above4gb == 2)
 462                 detect_var_mtrrs();
 463
 464         search_global_resources(
 465                 IORESOURCE_MEM | IORESOURCE_CACHEABLE, IORESOURCE_MEM | IORESOURCE_CACHEABLE,
 466                 set_var_mtrr_resource, &var_state);
 467
 468 #if (CONFIG_GFXUMA == 1) /* UMA or SP. */
 469         /* For now we assume the UMA space is at the end of memory below 4GB */
 470         if (var_state.hole_startk || var_state.hole_sizek) {
 471                 printk(BIOS_DEBUG, "Warning: Can't set up MTRR hole for UMA due to pre-existing MTRR hole.\n");
 472         } else {
 473 #if CONFIG_VAR_MTRR_HOLE
 474                 // Increase the base range and set up UMA as an UC hole instead
 475                 if (above4gb != 2)
 476                         var_state.range_sizek += (uma_memory_size >> 10);
 477
 478                 var_state.hole_startk = (uma_memory_base >> 10);
 479                 var_state.hole_sizek = (uma_memory_size >> 10);
 480 #endif
 481         }
 482 #endif
 483         /* Write the last range */
 484         var_state.reg = range_to_mtrr(var_state.reg, var_state.range_startk,
 485                 var_state.range_sizek, 0, MTRR_TYPE_WRBACK,
 486                 var_state.address_bits, var_state.above4gb);
 487 #if CONFIG_VAR_MTRR_HOLE
 488         var_state.reg = range_to_mtrr(var_state.reg, var_state.hole_startk,
 489                 var_state.hole_sizek, 0, MTRR_TYPE_UNCACHEABLE,
 490                 var_state.address_bits, var_state.above4gb);
 491 #endif
 492         printk(BIOS_DEBUG, "DONE variable MTRRs\n");
 493         printk(BIOS_DEBUG, "Clear out the extra MTRR's\n");
 494         /* Clear out the extra MTRR's */
 495         while(var_state.reg < total_mtrrs) {
 496                 set_var_mtrr(var_state.reg++, 0, 0, 0, var_state.address_bits);
 497         }
 498
 499 #if CONFIG_CACHE_ROM
 500         /* Enable Caching and speculative Reads for the
 501          * complete ROM now that we actually have RAM.
 502          */
 503         if (boot_cpu() && (acpi_slp_type != 3)) {
 504                 set_var_mtrr(total_mtrrs-1, (4096-4)*1024, 4*1024,
 505                         MTRR_TYPE_WRPROT, address_bits);
 506         }
 507 #endif
 508
 509         printk(BIOS_SPEW, "call enable_var_mtrr()\n");
 510         enable_var_mtrr();
 511         printk(BIOS_SPEW, "Leave %s\n", __func__);
 512         post_code(0x6A);
 513 }
 514
 515
 516 void x86_setup_mtrrs(void)
 517 {
 518         int address_size;
 519         x86_setup_fixed_mtrrs();
 520         address_size = cpu_phys_address_size();
 521         printk(BIOS_DEBUG, "CPU physical address size: %d bits\n", address_size);
 522         x86_setup_var_mtrrs(address_size, 1);
 523 }
 524
 525
 526 int x86_mtrr_check(void)
 527 {
 528         /* Only Pentium Pro and later have MTRR */
 529         msr_t msr;
 530         printk(BIOS_DEBUG, "\nMTRR check\n");
 531
 532         msr = rdmsr(0x2ff);
 533         msr.lo >>= 10;
 534
 535         printk(BIOS_DEBUG, "Fixed MTRRs   : ");
 536         if (msr.lo & 0x01)
 537                 printk(BIOS_DEBUG, "Enabled\n");
 538         else
 539                 printk(BIOS_DEBUG, "Disabled\n");
 540
 541         printk(BIOS_DEBUG, "Variable MTRRs: ");
 542         if (msr.lo & 0x02)
 543                 printk(BIOS_DEBUG, "Enabled\n");
 544         else
 545                 printk(BIOS_DEBUG, "Disabled\n");
 546
 547         printk(BIOS_DEBUG, "\n");
 548
 549         post_code(0x93);
 550         return ((int) msr.lo);
 551 }