malloc (untested)
[bootcensus] / src / mem.c
1 /*
2 pcboot - bootable PC demo/game kernel
3 Copyright (C) 2018  John Tsiombikas <nuclear@member.fsf.org>
4
5 This program is free software: you can redistribute it and/or modify
6 it under the terms of the GNU General Public License as published by
7 the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
8 (at your option) any later version.
9
10 This program is distributed in the hope that it will be useful,
11 but WITHOUT ANY WARRANTY, without even the implied warranty of
12 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
13 GNU General Public License for more details.
14
15 You should have received a copy of the GNU General Public License
16 along with this program.  If not, see <https://www.gnu.org/licenses/>.
17 */
18 #include <stdio.h>
19 #include <string.h>
20 #include "panic.h"
21 #include "mem.h"
22 #include "intr.h"
23
24 #define FREE            0
25 #define USED            1
26
27 #define BM_IDX(pg)      ((pg) / 32)
28 #define BM_BIT(pg)      ((pg) & 0x1f)
29
30 #define IS_FREE(pg) ((bitmap[BM_IDX(pg)] & (1 << BM_BIT(pg))) == 0)
31
32 #define MEM_START       ((uint32_t)&_mem_start)
33
34
35 struct mem_range {
36         uint32_t start;
37         uint32_t size;
38 };
39
40 static void mark_page(int pg, int used);
41 static void add_memory(uint32_t start, size_t size);
42
43 #define MAX_MAP_SIZE    16
44 extern struct mem_range boot_mem_map[MAX_MAP_SIZE];
45 extern int boot_mem_map_size;
46
47 /* linker supplied symbol, points to the end of the kernel image */
48 extern uint32_t _mem_start;
49
50
51 /* A bitmap is used to track which physical memory pages are used, and which
52  * are available for allocation by alloc_ppage.
53  *
54  * last_alloc_idx keeps track of the last 32bit element in the bitmap array
55  * where a free page was found. It's guaranteed that all the elements before
56  * this have no free pages, but it doesn't imply that there will be another
57  * free page there. So it's used as a starting point for the search.
58  */
59 static uint32_t *bitmap;
60 static int bmsize, last_alloc_idx;
61
62
63
64 void init_mem(void)
65 {
66         int i, pg, max_pg = 0;
67         uint32_t used_end, start, end, sz, total = 0, rem;
68         const char *suffix[] = {"bytes", "KB", "MB", "GB"};
69
70         last_alloc_idx = 0;
71
72         /* the allocation bitmap starts right at the end of the kernel image */
73         bitmap = (uint32_t*)&_mem_start;
74
75         /* start by marking all posible pages (2**20) as used. We do not "reserve"
76          * all this space. Pages beyond the end of the useful bitmap area
77          * ((char*)bitmap + bmsize), which will be determined after we traverse the
78          * memory map, are going to be marked as available for allocation.
79          */
80         memset(bitmap, 0xff, 1024 * 1024 / 8);
81
82
83         if(boot_mem_map_size <= 0 || boot_mem_map_size > MAX_MAP_SIZE) {
84                 panic("invalid memory map size reported by the boot loader: %d\n", boot_mem_map_size);
85         }
86
87         printf("Memory map:\n");
88         for(i=0; i<boot_mem_map_size; i++) {
89                 printf(" start: %08x - size: %08x\n", (unsigned int)boot_mem_map[i].start,
90                                 (unsigned int)boot_mem_map[i].size);
91
92                 start = boot_mem_map[i].start;
93                 sz = boot_mem_map[i].size & 0xfffffffc;
94                 end = start + sz;
95                 if(end < sz) {
96                         end = 0xfffffffc;
97                         sz = end - start;
98                 }
99
100                 /* ignore any memory ranges which end before the end of the kernel image */
101                 if(end < MEM_START) continue;
102                 if(start < MEM_START) {
103                         start = MEM_START;
104                 }
105
106                 add_memory(start, sz);
107                 total += sz;
108
109                 pg = ADDR_TO_PAGE(end);
110                 if(max_pg < pg) {
111                         max_pg = pg;
112                 }
113         }
114
115         i = 0;
116         while(total > 1024) {
117                 rem = total & 0x3ff;
118                 total >>= 10;
119                 ++i;
120         }
121         printf("Total usable RAM: %u.%u %s\n", total, 100 * rem / 1024, suffix[i]);
122
123         bmsize = max_pg / 8;    /* size of the useful bitmap in bytes */
124
125         /* mark all pages occupied by the bitmap as usef */
126         used_end = (uint32_t)bitmap + bmsize - 1;
127
128         printf("marking pages up to %x (page: %d) as used\n", used_end, ADDR_TO_PAGE(used_end));
129
130         for(i=0; i<=used_end; i++) {
131                 mark_page(i, USED);
132         }
133 }
134
135 int alloc_ppage(void)
136 {
137         return alloc_ppages(1);
138 }
139
140 /* free_ppage marks the physical page, free in the allocation bitmap.
141  *
142  * CAUTION: no checks are done that this page should actually be freed or not.
143  * If you call free_ppage with the address of some part of memory that was
144  * originally reserved due to it being in a memory hole or part of the kernel
145  * image or whatever, it will be subsequently allocatable by alloc_ppage.
146  */
147 void free_ppage(int pg)
148 {
149         int bmidx = BM_IDX(pg);
150
151         int intr_state = get_intr_flag();
152         disable_intr();
153
154         if(IS_FREE(pg)) {
155                 panic("free_ppage(%d): I thought that was already free!\n", pg);
156         }
157
158         mark_page(pg, FREE);
159         if(bmidx < last_alloc_idx) {
160                 last_alloc_idx = bmidx;
161         }
162
163         set_intr_flag(intr_state);
164 }
165
166
167 int alloc_ppages(int count)
168 {
169         int i, pg, idx, max, intr_state, found_free = 0;
170
171         intr_state = get_intr_flag();
172         disable_intr();
173
174         idx = last_alloc_idx;
175         max = bmsize / 4;
176
177         while(idx <= max) {
178                 /* if at least one bit is 0 then we have at least
179                  * one free page. find it and try to allocate a range starting from there
180                  */
181                 if(bitmap[idx] != 0xffffffff) {
182                         for(i=0; i<32; i++) {
183                                 pg = idx * 32 + i;
184
185                                 if(IS_FREE(pg)) {
186                                         if(!found_free) {
187                                                 last_alloc_idx = idx;
188                                                 found_free = 1;
189                                         }
190
191                                         if(alloc_ppage_range(pg, count) != -1) {
192                                                 set_intr_flag(intr_state);
193                                                 return pg;
194                                         }
195                                 }
196                         }
197                 }
198                 idx++;
199         }
200
201         set_intr_flag(intr_state);
202         return -1;
203 }
204
205 void free_ppages(int pg0, int count)
206 {
207         int i;
208
209         for(i=0; i<count; i++) {
210                 free_ppage(pg0++);
211         }
212 }
213
214 int alloc_ppage_range(int start, int size)
215 {
216         int i, pg = start;
217         int intr_state;
218
219         intr_state = get_intr_flag();
220         disable_intr();
221
222         /* first validate that no page in the requested range is allocated */
223         for(i=0; i<size; i++) {
224                 if(!IS_FREE(pg)) {
225                         return -1;
226                 }
227                 ++pg;
228         }
229
230         /* all is well, mark them as used */
231         pg = start;
232         for(i=0; i<size; i++) {
233                 mark_page(pg++, USED);
234         }
235
236         set_intr_flag(intr_state);
237         return 0;
238 }
239
240 int free_ppage_range(int start, int size)
241 {
242         int i, pg = start;
243
244         for(i=0; i<size; i++) {
245                 free_ppage(pg++);
246         }
247         return 0;
248 }
249
250 /* adds a range of physical memory to the available pool. used during init_mem
251  * when traversing the memory map.
252  */
253 static void add_memory(uint32_t start, size_t sz)
254 {
255         int i, szpg, pg;
256
257         szpg = ADDR_TO_PAGE(sz + 4095);
258         pg = ADDR_TO_PAGE(start);
259
260         for(i=0; i<szpg; i++) {
261                 mark_page(pg++, FREE);
262         }
263 }
264
265 /* maps a page as used or free in the allocation bitmap */
266 static void mark_page(int pg, int used)
267 {
268         int idx = BM_IDX(pg);
269         int bit = BM_BIT(pg);
270
271         if(used) {
272                 bitmap[idx] |= 1 << bit;
273         } else {
274                 bitmap[idx] &= ~(1 << bit);
275         }
276 }
277