arch/x86/kernel/head_64.S

   1 /*
   2  *  linux/arch/x86/kernel/head_64.S -- start in 32bit and switch to 64bit
   3  *
   4  *  Copyright (C) 2000 Andrea Arcangeli <andrea@suse.de> SuSE
   5  *  Copyright (C) 2000 Pavel Machek <pavel@suse.cz>
   6  *  Copyright (C) 2000 Karsten Keil <kkeil@suse.de>
   7  *  Copyright (C) 2001,2002 Andi Kleen <ak@suse.de>
   8  *  Copyright (C) 2005 Eric Biederman <ebiederm@xmission.com>
   9  */
  10
  11
  12 #include <linux/linkage.h>
  13 #include <linux/threads.h>
  14 #include <linux/init.h>
  15 #include <asm/segment.h>
  16 #include <asm/pgtable.h>
  17 #include <asm/page.h>
  18 #include <asm/msr.h>
  19 #include <asm/cache.h>
  20 #include <asm/processor-flags.h>
  21 #include <asm/percpu.h>
  22 #include <asm/nops.h>
  23
  24 #ifdef CONFIG_PARAVIRT
  25 #include <asm/asm-offsets.h>
  26 #include <asm/paravirt.h>
  27 #define GET_CR2_INTO(reg) GET_CR2_INTO_RAX ; movq %rax, reg
  28 #else
  29 #define GET_CR2_INTO(reg) movq %cr2, reg
  30 #define INTERRUPT_RETURN iretq
  31 #endif
  32
  33 /* we are not able to switch in one step to the final KERNEL ADDRESS SPACE
  34  * because we need identity-mapped pages.
  35  *
  36  */
  37
  38 #define pud_index(x)    (((x) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD-1))
  39
  40 L4_PAGE_OFFSET = pgd_index(__PAGE_OFFSET)
  41 L3_PAGE_OFFSET = pud_index(__PAGE_OFFSET)
  42 L4_START_KERNEL = pgd_index(__START_KERNEL_map)
  43 L3_START_KERNEL = pud_index(__START_KERNEL_map)
  44
  45         .text
  46         __HEAD
  47         .code64
  48         .globl startup_64
  49 startup_64:
  50         /*
  51          * At this point the CPU runs in 64bit mode CS.L = 1 CS.D = 0,
  52          * and someone has loaded an identity mapped page table
  53          * for us.  These identity mapped page tables map all of the
  54          * kernel pages and possibly all of memory.
  55          *
  56          * %rsi holds a physical pointer to real_mode_data.
  57          *
  58          * We come here either directly from a 64bit bootloader, or from
  59          * arch/x86/boot/compressed/head_64.S.
  60          *
  61          * We only come here initially at boot nothing else comes here.
  62          *
  63          * Since we may be loaded at an address different from what we were
  64          * compiled to run at we first fixup the physical addresses in our page
  65          * tables and then reload them.
  66          */
  67
  68         /* Sanitize CPU configuration */
  69         call verify_cpu
  70
  71         /*
  72          * Compute the delta between the address I am compiled to run at and the
  73          * address I am actually running at.
  74          */
  75         leaq    _text(%rip), %rbp
  76         subq    $_text - __START_KERNEL_map, %rbp
  77
  78         /* Is the address not 2M aligned? */
  79         testl   $~PMD_PAGE_MASK, %ebp
  80         jnz     bad_address
  81
  82         /*
  83          * Is the address too large?
  84          */
  85         leaq    _text(%rip), %rax
  86         shrq    $MAX_PHYSMEM_BITS, %rax
  87         jnz     bad_address
  88
  89         /*
  90          * Fixup the physical addresses in the page table
  91          */
  92         addq    %rbp, early_level4_pgt + (L4_START_KERNEL*8)(%rip)
  93
  94         addq    %rbp, level3_kernel_pgt + (510*8)(%rip)
  95         addq    %rbp, level3_kernel_pgt + (511*8)(%rip)
  96
  97         addq    %rbp, level2_fixmap_pgt + (506*8)(%rip)
  98
  99         /*
 100          * Set up the identity mapping for the switchover.  These
 101          * entries should *NOT* have the global bit set!  This also
 102          * creates a bunch of nonsense entries but that is fine --
 103          * it avoids problems around wraparound.
 104          */
 105         leaq    _text(%rip), %rdi
 106         leaq    early_level4_pgt(%rip), %rbx
 107
 108         movq    %rdi, %rax
 109         shrq    $PGDIR_SHIFT, %rax
 110
 111         leaq    (4096 + _KERNPG_TABLE)(%rbx), %rdx
 112         movq    %rdx, 0(%rbx,%rax,8)
 113         movq    %rdx, 8(%rbx,%rax,8)
 114
 115         addq    $4096, %rdx
 116         movq    %rdi, %rax
 117         shrq    $PUD_SHIFT, %rax
 118         andl    $(PTRS_PER_PUD-1), %eax
 119         movq    %rdx, 4096(%rbx,%rax,8)
 120         incl    %eax
 121         andl    $(PTRS_PER_PUD-1), %eax
 122         movq    %rdx, 4096(%rbx,%rax,8)
 123
 124         addq    $8192, %rbx
 125         movq    %rdi, %rax
 126         shrq    $PMD_SHIFT, %rdi
 127         addq    $(__PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC & ~_PAGE_GLOBAL), %rax
 128         leaq    (_end - 1)(%rip), %rcx
 129         shrq    $PMD_SHIFT, %rcx
 130         subq    %rdi, %rcx
 131         incl    %ecx
 132
 133 1:
 134         andq    $(PTRS_PER_PMD - 1), %rdi
 135         movq    %rax, (%rbx,%rdi,8)
 136         incq    %rdi
 137         addq    $PMD_SIZE, %rax
 138         decl    %ecx
 139         jnz     1b
 140
 141         /*
 142          * Fixup the kernel text+data virtual addresses. Note that
 143          * we might write invalid pmds, when the kernel is relocated
 144          * cleanup_highmap() fixes this up along with the mappings
 145          * beyond _end.
 146          */
 147         leaq    level2_kernel_pgt(%rip), %rdi
 148         leaq    4096(%rdi), %r8
 149         /* See if it is a valid page table entry */
 150 1:      testb   $1, 0(%rdi)
 151         jz      2f
 152         addq    %rbp, 0(%rdi)
 153         /* Go to the next page */
 154 2:      addq    $8, %rdi
 155         cmp     %r8, %rdi
 156         jne     1b
 157
 158         /* Fixup phys_base */
 159         addq    %rbp, phys_base(%rip)
 160
 161         movq    $(early_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
 162         jmp 1f
 163 ENTRY(secondary_startup_64)
 164         /*
 165          * At this point the CPU runs in 64bit mode CS.L = 1 CS.D = 0,
 166          * and someone has loaded a mapped page table.
 167          *
 168          * %rsi holds a physical pointer to real_mode_data.
 169          *
 170          * We come here either from startup_64 (using physical addresses)
 171          * or from trampoline.S (using virtual addresses).
 172          *
 173          * Using virtual addresses from trampoline.S removes the need
 174          * to have any identity mapped pages in the kernel page table
 175          * after the boot processor executes this code.
 176          */
 177
 178         /* Sanitize CPU configuration */
 179         call verify_cpu
 180
 181         movq    $(init_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
 182 1:
 183
 184         /* Enable PAE and PSE, but defer PGE until kaiser_enabled is decided */
 185         movl    $(X86_CR4_PAE | X86_CR4_PSE), %ecx
 186         movq    %rcx, %cr4
 187
 188         /* Setup early boot stage 4 level pagetables. */
 189         addq    phys_base(%rip), %rax
 190         movq    %rax, %cr3
 191
 192         /* Ensure I am executing from virtual addresses */
 193         movq    $1f, %rax
 194         jmp     *%rax
 195 1:
 196
 197         /* Check if nx is implemented */
 198         movl    $0x80000001, %eax
 199         cpuid
 200         movl    %edx,%edi
 201
 202         /* Setup EFER (Extended Feature Enable Register) */
 203         movl    $MSR_EFER, %ecx
 204         rdmsr
 205         btsl    $_EFER_SCE, %eax        /* Enable System Call */
 206         btl     $20,%edi                /* No Execute supported? */
 207         jnc     1f
 208         btsl    $_EFER_NX, %eax
 209         btsq    $_PAGE_BIT_NX,early_pmd_flags(%rip)
 210 1:      wrmsr                           /* Make changes effective */
 211
 212         /* Setup cr0 */
 213 #define CR0_STATE       (X86_CR0_PE | X86_CR0_MP | X86_CR0_ET | \
 214                          X86_CR0_NE | X86_CR0_WP | X86_CR0_AM | \
 215                          X86_CR0_PG)
 216         movl    $CR0_STATE, %eax
 217         /* Make changes effective */
 218         movq    %rax, %cr0
 219
 220         /* Setup a boot time stack */
 221         movq stack_start(%rip), %rsp
 222
 223         /* zero EFLAGS after setting rsp */
 224         pushq $0
 225         popfq
 226
 227         /*
 228          * We must switch to a new descriptor in kernel space for the GDT
 229          * because soon the kernel won't have access anymore to the userspace
 230          * addresses where we're currently running on. We have to do that here
 231          * because in 32bit we couldn't load a 64bit linear address.
 232          */
 233         lgdt    early_gdt_descr(%rip)
 234
 235         /* set up data segments */
 236         xorl %eax,%eax
 237         movl %eax,%ds
 238         movl %eax,%ss
 239         movl %eax,%es
 240
 241         /*
 242          * We don't really need to load %fs or %gs, but load them anyway
 243          * to kill any stale realmode selectors.  This allows execution
 244          * under VT hardware.
 245          */
 246         movl %eax,%fs
 247         movl %eax,%gs
 248
 249         /* Set up %gs.
 250          *
 251          * The base of %gs always points to the bottom of the irqstack
 252          * union.  If the stack protector canary is enabled, it is
 253          * located at %gs:40.  Note that, on SMP, the boot cpu uses
 254          * init data section till per cpu areas are set up.
 255          */
 256         movl    $MSR_GS_BASE,%ecx
 257         movl    initial_gs(%rip),%eax
 258         movl    initial_gs+4(%rip),%edx
 259         wrmsr
 260
 261         /* rsi is pointer to real mode structure with interesting info.
 262            pass it to C */
 263         movq    %rsi, %rdi
 264
 265         /* Finally jump to run C code and to be on real kernel address
 266          * Since we are running on identity-mapped space we have to jump
 267          * to the full 64bit address, this is only possible as indirect
 268          * jump.  In addition we need to ensure %cs is set so we make this
 269          * a far return.
 270          *
 271          * Note: do not change to far jump indirect with 64bit offset.
 272          *
 273          * AMD does not support far jump indirect with 64bit offset.
 274          * AMD64 Architecture Programmer's Manual, Volume 3: states only
 275          *      JMP FAR mem16:16 FF /5 Far jump indirect,
 276          *              with the target specified by a far pointer in memory.
 277          *      JMP FAR mem16:32 FF /5 Far jump indirect,
 278          *              with the target specified by a far pointer in memory.
 279          *
 280          * Intel64 does support 64bit offset.
 281          * Software Developer Manual Vol 2: states:
 282          *      FF /5 JMP m16:16 Jump far, absolute indirect,
 283          *              address given in m16:16
 284          *      FF /5 JMP m16:32 Jump far, absolute indirect,
 285          *              address given in m16:32.
 286          *      REX.W + FF /5 JMP m16:64 Jump far, absolute indirect,
 287          *              address given in m16:64.
 288          */
 289         movq    initial_code(%rip),%rax
 290         pushq   $0              # fake return address to stop unwinder
 291         pushq   $__KERNEL_CS    # set correct cs
 292         pushq   %rax            # target address in negative space
 293         lretq
 294
 295 #include "verify_cpu.S"
 296
 297 #ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
 298 /*
 299  * Boot CPU0 entry point. It's called from play_dead(). Everything has been set
 300  * up already except stack. We just set up stack here. Then call
 301  * start_secondary().
 302  */
 303 ENTRY(start_cpu0)
 304         movq stack_start(%rip),%rsp
 305         movq    initial_code(%rip),%rax
 306         pushq   $0              # fake return address to stop unwinder
 307         pushq   $__KERNEL_CS    # set correct cs
 308         pushq   %rax            # target address in negative space
 309         lretq
 310 ENDPROC(start_cpu0)
 311 #endif
 312
 313         /* SMP bootup changes these two */
 314         __REFDATA
 315         .balign 8
 316         GLOBAL(initial_code)
 317         .quad   x86_64_start_kernel
 318         GLOBAL(initial_gs)
 319         .quad   INIT_PER_CPU_VAR(irq_stack_union)
 320
 321         GLOBAL(stack_start)
 322         .quad  init_thread_union+THREAD_SIZE-8
 323         .word  0
 324         __FINITDATA
 325
 326 bad_address:
 327         jmp bad_address
 328
 329         __INIT
 330 ENTRY(early_idt_handler_array)
 331         # 104(%rsp) %rflags
 332         #  96(%rsp) %cs
 333         #  88(%rsp) %rip
 334         #  80(%rsp) error code
 335         i = 0
 336         .rept NUM_EXCEPTION_VECTORS
 337         .ifeq (EXCEPTION_ERRCODE_MASK >> i) & 1
 338         pushq $0                # Dummy error code, to make stack frame uniform
 339         .endif
 340         pushq $i                # 72(%rsp) Vector number
 341         jmp early_idt_handler_common
 342         i = i + 1
 343         .fill early_idt_handler_array + i*EARLY_IDT_HANDLER_SIZE - ., 1, 0xcc
 344         .endr
 345 ENDPROC(early_idt_handler_array)
 346
 347 early_idt_handler_common:
 348         /*
 349          * The stack is the hardware frame, an error code or zero, and the
 350          * vector number.
 351          */
 352         cld
 353
 354         cmpl $2,(%rsp)          # X86_TRAP_NMI
 355         je .Lis_nmi             # Ignore NMI
 356
 357         cmpl $2,early_recursion_flag(%rip)
 358         jz  1f
 359         incl early_recursion_flag(%rip)
 360
 361         pushq %rax              # 64(%rsp)
 362         pushq %rcx              # 56(%rsp)
 363         pushq %rdx              # 48(%rsp)
 364         pushq %rsi              # 40(%rsp)
 365         pushq %rdi              # 32(%rsp)
 366         pushq %r8               # 24(%rsp)
 367         pushq %r9               # 16(%rsp)
 368         pushq %r10              #  8(%rsp)
 369         pushq %r11              #  0(%rsp)
 370
 371         cmpl $__KERNEL_CS,96(%rsp)
 372         jne 11f
 373
 374         cmpl $14,72(%rsp)       # Page fault?
 375         jnz 10f
 376         GET_CR2_INTO(%rdi)      # can clobber any volatile register if pv
 377         call early_make_pgtable
 378         andl %eax,%eax
 379         jz 20f                  # All good
 380
 381 10:
 382         leaq 88(%rsp),%rdi      # Pointer to %rip
 383         call early_fixup_exception
 384         andl %eax,%eax
 385         jnz 20f                 # Found an exception entry
 386
 387 11:
 388 #ifdef CONFIG_EARLY_PRINTK
 389         GET_CR2_INTO(%r9)       # can clobber any volatile register if pv
 390         movl 80(%rsp),%r8d      # error code
 391         movl 72(%rsp),%esi      # vector number
 392         movl 96(%rsp),%edx      # %cs
 393         movq 88(%rsp),%rcx      # %rip
 394         xorl %eax,%eax
 395         leaq early_idt_msg(%rip),%rdi
 396         call early_printk
 397         cmpl $2,early_recursion_flag(%rip)
 398         jz  1f
 399         call dump_stack
 400 #ifdef CONFIG_KALLSYMS
 401         leaq early_idt_ripmsg(%rip),%rdi
 402         movq 40(%rsp),%rsi      # %rip again
 403         call __print_symbol
 404 #endif
 405 #endif /* EARLY_PRINTK */
 406 1:      hlt
 407         jmp 1b
 408
 409 20:     # Exception table entry found or page table generated
 410         popq %r11
 411         popq %r10
 412         popq %r9
 413         popq %r8
 414         popq %rdi
 415         popq %rsi
 416         popq %rdx
 417         popq %rcx
 418         popq %rax
 419         decl early_recursion_flag(%rip)
 420 .Lis_nmi:
 421         addq $16,%rsp           # drop vector number and error code
 422         INTERRUPT_RETURN
 423 ENDPROC(early_idt_handler_common)
 424
 425         __INITDATA
 426
 427         .balign 4
 428 early_recursion_flag:
 429         .long 0
 430
 431 #ifdef CONFIG_EARLY_PRINTK
 432 early_idt_msg:
 433         .asciz "PANIC: early exception %02lx rip %lx:%lx error %lx cr2 %lx\n"
 434 early_idt_ripmsg:
 435         .asciz "RIP %s\n"
 436 #endif /* CONFIG_EARLY_PRINTK */
 437
 438 #define NEXT_PAGE(name) \
 439         .balign PAGE_SIZE; \
 440 GLOBAL(name)
 441
 442 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
 443 /*
 444  * Each PGD needs to be 8k long and 8k aligned.  We do not
 445  * ever go out to userspace with these, so we do not
 446  * strictly *need* the second page, but this allows us to
 447  * have a single set_pgd() implementation that does not
 448  * need to worry about whether it has 4k or 8k to work
 449  * with.
 450  *
 451  * This ensures PGDs are 8k long:
 452  */
 453 #define KAISER_USER_PGD_FILL    512
 454 /* This ensures they are 8k-aligned: */
 455 #define NEXT_PGD_PAGE(name) \
 456         .balign 2 * PAGE_SIZE; \
 457 GLOBAL(name)
 458 #else
 459 #define NEXT_PGD_PAGE(name) NEXT_PAGE(name)
 460 #define KAISER_USER_PGD_FILL    0
 461 #endif
 462
 463 /* Automate the creation of 1 to 1 mapping pmd entries */
 464 #define PMDS(START, PERM, COUNT)                        \
 465         i = 0 ;                                         \
 466         .rept (COUNT) ;                                 \
 467         .quad   (START) + (i << PMD_SHIFT) + (PERM) ;   \
 468         i = i + 1 ;                                     \
 469         .endr
 470
 471         __INITDATA
 472 NEXT_PGD_PAGE(early_level4_pgt)
 473         .fill   511,8,0
 474         .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 475         .fill   KAISER_USER_PGD_FILL,8,0
 476
 477 NEXT_PAGE(early_dynamic_pgts)
 478         .fill   512*EARLY_DYNAMIC_PAGE_TABLES,8,0
 479
 480         .data
 481
 482 #ifndef CONFIG_XEN
 483 NEXT_PGD_PAGE(init_level4_pgt)
 484         .fill   512,8,0
 485         .fill   KAISER_USER_PGD_FILL,8,0
 486 #else
 487 NEXT_PGD_PAGE(init_level4_pgt)
 488         .quad   level3_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 489         .org    init_level4_pgt + L4_PAGE_OFFSET*8, 0
 490         .quad   level3_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 491         .org    init_level4_pgt + L4_START_KERNEL*8, 0
 492         /* (2^48-(2*1024*1024*1024))/(2^39) = 511 */
 493         .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 494         .fill   KAISER_USER_PGD_FILL,8,0
 495
 496 NEXT_PAGE(level3_ident_pgt)
 497         .quad   level2_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 498         .fill   511, 8, 0
 499 NEXT_PAGE(level2_ident_pgt)
 500         /* Since I easily can, map the first 1G.
 501          * Don't set NX because code runs from these pages.
 502          */
 503         PMDS(0, __PAGE_KERNEL_IDENT_LARGE_EXEC, PTRS_PER_PMD)
 504 #endif
 505         .fill   KAISER_USER_PGD_FILL,8,0
 506
 507 NEXT_PAGE(level3_kernel_pgt)
 508         .fill   L3_START_KERNEL,8,0
 509         /* (2^48-(2*1024*1024*1024)-((2^39)*511))/(2^30) = 510 */
 510         .quad   level2_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 511         .quad   level2_fixmap_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 512
 513 NEXT_PAGE(level2_kernel_pgt)
 514         /*
 515          * 512 MB kernel mapping. We spend a full page on this pagetable
 516          * anyway.
 517          *
 518          * The kernel code+data+bss must not be bigger than that.
 519          *
 520          * (NOTE: at +512MB starts the module area, see MODULES_VADDR.
 521          *  If you want to increase this then increase MODULES_VADDR
 522          *  too.)
 523          */
 524         PMDS(0, __PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC,
 525                 KERNEL_IMAGE_SIZE/PMD_SIZE)
 526
 527 NEXT_PAGE(level2_fixmap_pgt)
 528         .fill   506,8,0
 529         .quad   level1_fixmap_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 530         /* 8MB reserved for vsyscalls + a 2MB hole = 4 + 1 entries */
 531         .fill   5,8,0
 532
 533 NEXT_PAGE(level1_fixmap_pgt)
 534         .fill   512,8,0
 535
 536 #undef PMDS
 537
 538         .data
 539         .align 16
 540         .globl early_gdt_descr
 541 early_gdt_descr:
 542         .word   GDT_ENTRIES*8-1
 543 early_gdt_descr_base:
 544         .quad   INIT_PER_CPU_VAR(gdt_page)
 545
 546 ENTRY(phys_base)
 547         /* This must match the first entry in level2_kernel_pgt */
 548         .quad   0x0000000000000000
 549
 550 #include "../../x86/xen/xen-head.S"
 551
 552         __PAGE_ALIGNED_BSS
 553 NEXT_PAGE(empty_zero_page)
 554         .skip PAGE_SIZE
 555