arch/x86/kernel/head_64.S

   1 /*
   2  *  linux/arch/x86_64/kernel/head.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_64/boot/compressed/head.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         /*
  69          * Compute the delta between the address I am compiled to run at and the
  70          * address I am actually running at.
  71          */
  72         leaq    _text(%rip), %rbp
  73         subq    $_text - __START_KERNEL_map, %rbp
  74
  75         /* Is the address not 2M aligned? */
  76         movq    %rbp, %rax
  77         andl    $~PMD_PAGE_MASK, %eax
  78         testl   %eax, %eax
  79         jnz     bad_address
  80
  81         /*
  82          * Is the address too large?
  83          */
  84         leaq    _text(%rip), %rax
  85         shrq    $MAX_PHYSMEM_BITS, %rax
  86         jnz     bad_address
  87
  88         /*
  89          * Fixup the physical addresses in the page table
  90          */
  91         addq    %rbp, early_level4_pgt + (L4_START_KERNEL*8)(%rip)
  92
  93         addq    %rbp, level3_kernel_pgt + (510*8)(%rip)
  94         addq    %rbp, level3_kernel_pgt + (511*8)(%rip)
  95
  96         addq    %rbp, level2_fixmap_pgt + (506*8)(%rip)
  97
  98         /*
  99          * Set up the identity mapping for the switchover.  These
 100          * entries should *NOT* have the global bit set!  This also
 101          * creates a bunch of nonsense entries but that is fine --
 102          * it avoids problems around wraparound.
 103          */
 104         leaq    _text(%rip), %rdi
 105         leaq    early_level4_pgt(%rip), %rbx
 106
 107         movq    %rdi, %rax
 108         shrq    $PGDIR_SHIFT, %rax
 109
 110         leaq    (4096 + _KERNPG_TABLE)(%rbx), %rdx
 111         movq    %rdx, 0(%rbx,%rax,8)
 112         movq    %rdx, 8(%rbx,%rax,8)
 113
 114         addq    $4096, %rdx
 115         movq    %rdi, %rax
 116         shrq    $PUD_SHIFT, %rax
 117         andl    $(PTRS_PER_PUD-1), %eax
 118         movq    %rdx, (4096+0)(%rbx,%rax,8)
 119         movq    %rdx, (4096+8)(%rbx,%rax,8)
 120
 121         addq    $8192, %rbx
 122         movq    %rdi, %rax
 123         shrq    $PMD_SHIFT, %rdi
 124         addq    $(__PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC & ~_PAGE_GLOBAL), %rax
 125         leaq    (_end - 1)(%rip), %rcx
 126         shrq    $PMD_SHIFT, %rcx
 127         subq    %rdi, %rcx
 128         incl    %ecx
 129
 130 1:
 131         andq    $(PTRS_PER_PMD - 1), %rdi
 132         movq    %rax, (%rbx,%rdi,8)
 133         incq    %rdi
 134         addq    $PMD_SIZE, %rax
 135         decl    %ecx
 136         jnz     1b
 137
 138         /*
 139          * Fixup the kernel text+data virtual addresses. Note that
 140          * we might write invalid pmds, when the kernel is relocated
 141          * cleanup_highmap() fixes this up along with the mappings
 142          * beyond _end.
 143          */
 144         leaq    level2_kernel_pgt(%rip), %rdi
 145         leaq    4096(%rdi), %r8
 146         /* See if it is a valid page table entry */
 147 1:      testq   $1, 0(%rdi)
 148         jz      2f
 149         addq    %rbp, 0(%rdi)
 150         /* Go to the next page */
 151 2:      addq    $8, %rdi
 152         cmp     %r8, %rdi
 153         jne     1b
 154
 155         /* Fixup phys_base */
 156         addq    %rbp, phys_base(%rip)
 157
 158         movq    $(early_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
 159         jmp 1f
 160 ENTRY(secondary_startup_64)
 161         /*
 162          * At this point the CPU runs in 64bit mode CS.L = 1 CS.D = 0,
 163          * and someone has loaded a mapped page table.
 164          *
 165          * %rsi holds a physical pointer to real_mode_data.
 166          *
 167          * We come here either from startup_64 (using physical addresses)
 168          * or from trampoline.S (using virtual addresses).
 169          *
 170          * Using virtual addresses from trampoline.S removes the need
 171          * to have any identity mapped pages in the kernel page table
 172          * after the boot processor executes this code.
 173          */
 174
 175         movq    $(init_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
 176 1:
 177
 178         /* Enable PAE mode and PGE */
 179         movl    $(X86_CR4_PAE | X86_CR4_PGE), %ecx
 180         movq    %rcx, %cr4
 181
 182         /* Setup early boot stage 4 level pagetables. */
 183         addq    phys_base(%rip), %rax
 184         movq    %rax, %cr3
 185
 186         /* Ensure I am executing from virtual addresses */
 187         movq    $1f, %rax
 188         jmp     *%rax
 189 1:
 190
 191         /* Check if nx is implemented */
 192         movl    $0x80000001, %eax
 193         cpuid
 194         movl    %edx,%edi
 195
 196         /* Setup EFER (Extended Feature Enable Register) */
 197         movl    $MSR_EFER, %ecx
 198         rdmsr
 199         btsl    $_EFER_SCE, %eax        /* Enable System Call */
 200         btl     $20,%edi                /* No Execute supported? */
 201         jnc     1f
 202         btsl    $_EFER_NX, %eax
 203 1:      wrmsr                           /* Make changes effective */
 204
 205         /* Setup cr0 */
 206 #define CR0_STATE       (X86_CR0_PE | X86_CR0_MP | X86_CR0_ET | \
 207                          X86_CR0_NE | X86_CR0_WP | X86_CR0_AM | \
 208                          X86_CR0_PG)
 209         movl    $CR0_STATE, %eax
 210         /* Make changes effective */
 211         movq    %rax, %cr0
 212
 213         /* Setup a boot time stack */
 214         movq stack_start(%rip), %rsp
 215
 216         /* zero EFLAGS after setting rsp */
 217         pushq $0
 218         popfq
 219
 220         /*
 221          * We must switch to a new descriptor in kernel space for the GDT
 222          * because soon the kernel won't have access anymore to the userspace
 223          * addresses where we're currently running on. We have to do that here
 224          * because in 32bit we couldn't load a 64bit linear address.
 225          */
 226         lgdt    early_gdt_descr(%rip)
 227
 228         /* set up data segments */
 229         xorl %eax,%eax
 230         movl %eax,%ds
 231         movl %eax,%ss
 232         movl %eax,%es
 233
 234         /*
 235          * We don't really need to load %fs or %gs, but load them anyway
 236          * to kill any stale realmode selectors.  This allows execution
 237          * under VT hardware.
 238          */
 239         movl %eax,%fs
 240         movl %eax,%gs
 241
 242         /* Set up %gs.
 243          *
 244          * The base of %gs always points to the bottom of the irqstack
 245          * union.  If the stack protector canary is enabled, it is
 246          * located at %gs:40.  Note that, on SMP, the boot cpu uses
 247          * init data section till per cpu areas are set up.
 248          */
 249         movl    $MSR_GS_BASE,%ecx
 250         movl    initial_gs(%rip),%eax
 251         movl    initial_gs+4(%rip),%edx
 252         wrmsr
 253
 254         /* rsi is pointer to real mode structure with interesting info.
 255            pass it to C */
 256         movq    %rsi, %rdi
 257
 258         /* Finally jump to run C code and to be on real kernel address
 259          * Since we are running on identity-mapped space we have to jump
 260          * to the full 64bit address, this is only possible as indirect
 261          * jump.  In addition we need to ensure %cs is set so we make this
 262          * a far return.
 263          *
 264          * Note: do not change to far jump indirect with 64bit offset.
 265          *
 266          * AMD does not support far jump indirect with 64bit offset.
 267          * AMD64 Architecture Programmer's Manual, Volume 3: states only
 268          *      JMP FAR mem16:16 FF /5 Far jump indirect,
 269          *              with the target specified by a far pointer in memory.
 270          *      JMP FAR mem16:32 FF /5 Far jump indirect,
 271          *              with the target specified by a far pointer in memory.
 272          *
 273          * Intel64 does support 64bit offset.
 274          * Software Developer Manual Vol 2: states:
 275          *      FF /5 JMP m16:16 Jump far, absolute indirect,
 276          *              address given in m16:16
 277          *      FF /5 JMP m16:32 Jump far, absolute indirect,
 278          *              address given in m16:32.
 279          *      REX.W + FF /5 JMP m16:64 Jump far, absolute indirect,
 280          *              address given in m16:64.
 281          */
 282         movq    initial_code(%rip),%rax
 283         pushq   $0              # fake return address to stop unwinder
 284         pushq   $__KERNEL_CS    # set correct cs
 285         pushq   %rax            # target address in negative space
 286         lretq
 287
 288 #ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
 289 /*
 290  * Boot CPU0 entry point. It's called from play_dead(). Everything has been set
 291  * up already except stack. We just set up stack here. Then call
 292  * start_secondary().
 293  */
 294 ENTRY(start_cpu0)
 295         movq stack_start(%rip),%rsp
 296         movq    initial_code(%rip),%rax
 297         pushq   $0              # fake return address to stop unwinder
 298         pushq   $__KERNEL_CS    # set correct cs
 299         pushq   %rax            # target address in negative space
 300         lretq
 301 ENDPROC(start_cpu0)
 302 #endif
 303
 304         /* SMP bootup changes these two */
 305         __REFDATA
 306         .balign 8
 307         GLOBAL(initial_code)
 308         .quad   x86_64_start_kernel
 309         GLOBAL(initial_gs)
 310         .quad   INIT_PER_CPU_VAR(irq_stack_union)
 311
 312         GLOBAL(stack_start)
 313         .quad  init_thread_union+THREAD_SIZE-8
 314         .word  0
 315         __FINITDATA
 316
 317 bad_address:
 318         jmp bad_address
 319
 320         __INIT
 321         .globl early_idt_handlers
 322 early_idt_handlers:
 323         # 104(%rsp) %rflags
 324         #  96(%rsp) %cs
 325         #  88(%rsp) %rip
 326         #  80(%rsp) error code
 327         i = 0
 328         .rept NUM_EXCEPTION_VECTORS
 329         .if (EXCEPTION_ERRCODE_MASK >> i) & 1
 330         ASM_NOP2
 331         .else
 332         pushq $0                # Dummy error code, to make stack frame uniform
 333         .endif
 334         pushq $i                # 72(%rsp) Vector number
 335         jmp early_idt_handler
 336         i = i + 1
 337         .endr
 338
 339 /* This is global to keep gas from relaxing the jumps */
 340 ENTRY(early_idt_handler)
 341         cld
 342
 343         cmpl $2,early_recursion_flag(%rip)
 344         jz  1f
 345         incl early_recursion_flag(%rip)
 346
 347         pushq %rax              # 64(%rsp)
 348         pushq %rcx              # 56(%rsp)
 349         pushq %rdx              # 48(%rsp)
 350         pushq %rsi              # 40(%rsp)
 351         pushq %rdi              # 32(%rsp)
 352         pushq %r8               # 24(%rsp)
 353         pushq %r9               # 16(%rsp)
 354         pushq %r10              #  8(%rsp)
 355         pushq %r11              #  0(%rsp)
 356
 357         cmpl $__KERNEL_CS,96(%rsp)
 358         jne 11f
 359
 360         cmpl $14,72(%rsp)       # Page fault?
 361         jnz 10f
 362         GET_CR2_INTO(%rdi)      # can clobber any volatile register if pv
 363         call early_make_pgtable
 364         andl %eax,%eax
 365         jz 20f                  # All good
 366
 367 10:
 368         leaq 88(%rsp),%rdi      # Pointer to %rip
 369         call early_fixup_exception
 370         andl %eax,%eax
 371         jnz 20f                 # Found an exception entry
 372
 373 11:
 374 #ifdef CONFIG_EARLY_PRINTK
 375         GET_CR2_INTO(%r9)       # can clobber any volatile register if pv
 376         movl 80(%rsp),%r8d      # error code
 377         movl 72(%rsp),%esi      # vector number
 378         movl 96(%rsp),%edx      # %cs
 379         movq 88(%rsp),%rcx      # %rip
 380         xorl %eax,%eax
 381         leaq early_idt_msg(%rip),%rdi
 382         call early_printk
 383         cmpl $2,early_recursion_flag(%rip)
 384         jz  1f
 385         call dump_stack
 386 #ifdef CONFIG_KALLSYMS
 387         leaq early_idt_ripmsg(%rip),%rdi
 388         movq 40(%rsp),%rsi      # %rip again
 389         call __print_symbol
 390 #endif
 391 #endif /* EARLY_PRINTK */
 392 1:      hlt
 393         jmp 1b
 394
 395 20:     # Exception table entry found or page table generated
 396         popq %r11
 397         popq %r10
 398         popq %r9
 399         popq %r8
 400         popq %rdi
 401         popq %rsi
 402         popq %rdx
 403         popq %rcx
 404         popq %rax
 405         addq $16,%rsp           # drop vector number and error code
 406         decl early_recursion_flag(%rip)
 407         INTERRUPT_RETURN
 408 ENDPROC(early_idt_handler)
 409
 410         __INITDATA
 411
 412         .balign 4
 413 early_recursion_flag:
 414         .long 0
 415
 416 #ifdef CONFIG_EARLY_PRINTK
 417 early_idt_msg:
 418         .asciz "PANIC: early exception %02lx rip %lx:%lx error %lx cr2 %lx\n"
 419 early_idt_ripmsg:
 420         .asciz "RIP %s\n"
 421 #endif /* CONFIG_EARLY_PRINTK */
 422
 423 #define NEXT_PAGE(name) \
 424         .balign PAGE_SIZE; \
 425 GLOBAL(name)
 426
 427 /* Automate the creation of 1 to 1 mapping pmd entries */
 428 #define PMDS(START, PERM, COUNT)                        \
 429         i = 0 ;                                         \
 430         .rept (COUNT) ;                                 \
 431         .quad   (START) + (i << PMD_SHIFT) + (PERM) ;   \
 432         i = i + 1 ;                                     \
 433         .endr
 434
 435         __INITDATA
 436 NEXT_PAGE(early_level4_pgt)
 437         .fill   511,8,0
 438         .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 439
 440 NEXT_PAGE(early_dynamic_pgts)
 441         .fill   512*EARLY_DYNAMIC_PAGE_TABLES,8,0
 442
 443         .data
 444
 445 #ifndef CONFIG_XEN
 446 NEXT_PAGE(init_level4_pgt)
 447         .fill   512,8,0
 448 #else
 449 NEXT_PAGE(init_level4_pgt)
 450         .quad   level3_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 451         .org    init_level4_pgt + L4_PAGE_OFFSET*8, 0
 452         .quad   level3_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 453         .org    init_level4_pgt + L4_START_KERNEL*8, 0
 454         /* (2^48-(2*1024*1024*1024))/(2^39) = 511 */
 455         .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 456
 457 NEXT_PAGE(level3_ident_pgt)
 458         .quad   level2_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 459         .fill   511, 8, 0
 460 NEXT_PAGE(level2_ident_pgt)
 461         /* Since I easily can, map the first 1G.
 462          * Don't set NX because code runs from these pages.
 463          */
 464         PMDS(0, __PAGE_KERNEL_IDENT_LARGE_EXEC, PTRS_PER_PMD)
 465 #endif
 466
 467 NEXT_PAGE(level3_kernel_pgt)
 468         .fill   L3_START_KERNEL,8,0
 469         /* (2^48-(2*1024*1024*1024)-((2^39)*511))/(2^30) = 510 */
 470         .quad   level2_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
 471         .quad   level2_fixmap_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 472
 473 NEXT_PAGE(level2_kernel_pgt)
 474         /*
 475          * 512 MB kernel mapping. We spend a full page on this pagetable
 476          * anyway.
 477          *
 478          * The kernel code+data+bss must not be bigger than that.
 479          *
 480          * (NOTE: at +512MB starts the module area, see MODULES_VADDR.
 481          *  If you want to increase this then increase MODULES_VADDR
 482          *  too.)
 483          */
 484         PMDS(0, __PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC,
 485                 KERNEL_IMAGE_SIZE/PMD_SIZE)
 486
 487 NEXT_PAGE(level2_fixmap_pgt)
 488         .fill   506,8,0
 489         .quad   level1_fixmap_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE
 490         /* 8MB reserved for vsyscalls + a 2MB hole = 4 + 1 entries */
 491         .fill   5,8,0
 492
 493 NEXT_PAGE(level1_fixmap_pgt)
 494         .fill   512,8,0
 495
 496 #undef PMDS
 497
 498         .data
 499         .align 16
 500         .globl early_gdt_descr
 501 early_gdt_descr:
 502         .word   GDT_ENTRIES*8-1
 503 early_gdt_descr_base:
 504         .quad   INIT_PER_CPU_VAR(gdt_page)
 505
 506 ENTRY(phys_base)
 507         /* This must match the first entry in level2_kernel_pgt */
 508         .quad   0x0000000000000000
 509
 510 #include "../../x86/xen/xen-head.S"
 511
 512         .section .bss, "aw", @nobits
 513         .align L1_CACHE_BYTES
 514 ENTRY(idt_table)
 515         .skip IDT_ENTRIES * 16
 516
 517         .align L1_CACHE_BYTES
 518 ENTRY(nmi_idt_table)
 519         .skip IDT_ENTRIES * 16
 520
 521         __PAGE_ALIGNED_BSS
 522 NEXT_PAGE(empty_zero_page)
 523         .skip PAGE_SIZE