arch/x86/kernel/head_64.S

   1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
   2 /*
   3  *  linux/arch/x86/kernel/head_64.S -- start in 32bit and switch to 64bit
   4  *
   5  *  Copyright (C) 2000 Andrea Arcangeli <andrea@suse.de> SuSE
   6  *  Copyright (C) 2000 Pavel Machek <pavel@suse.cz>
   7  *  Copyright (C) 2000 Karsten Keil <kkeil@suse.de>
   8  *  Copyright (C) 2001,2002 Andi Kleen <ak@suse.de>
   9  *  Copyright (C) 2005 Eric Biederman <ebiederm@xmission.com>
  10  */
  11
  12
  13 #include <linux/linkage.h>
  14 #include <linux/threads.h>
  15 #include <linux/init.h>
  16 #include <linux/pgtable.h>
  17 #include <asm/segment.h>
  18 #include <asm/page.h>
  19 #include <asm/msr.h>
  20 #include <asm/cache.h>
  21 #include <asm/processor-flags.h>
  22 #include <asm/percpu.h>
  23 #include <asm/nops.h>
  24 #include "../entry/calling.h"
  25 #include <asm/export.h>
  26 #include <asm/nospec-branch.h>
  27 #include <asm/fixmap.h>
  28
  29 #ifdef CONFIG_PARAVIRT_XXL
  30 #include <asm/asm-offsets.h>
  31 #include <asm/paravirt.h>
  32 #define GET_CR2_INTO(reg) GET_CR2_INTO_AX ; _ASM_MOV %_ASM_AX, reg
  33 #else
  34 #define INTERRUPT_RETURN iretq
  35 #define GET_CR2_INTO(reg) _ASM_MOV %cr2, reg
  36 #endif
  37
  38 /*
  39  * We are not able to switch in one step to the final KERNEL ADDRESS SPACE
  40  * because we need identity-mapped pages.
  41  */
  42 #define l4_index(x)     (((x) >> 39) & 511)
  43 #define pud_index(x)    (((x) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD-1))
  44
  45 L4_PAGE_OFFSET = l4_index(__PAGE_OFFSET_BASE_L4)
  46 L4_START_KERNEL = l4_index(__START_KERNEL_map)
  47
  48 L3_START_KERNEL = pud_index(__START_KERNEL_map)
  49
  50         .text
  51         __HEAD
  52         .code64
  53 SYM_CODE_START_NOALIGN(startup_64)
  54         UNWIND_HINT_EMPTY
  55         /*
  56          * At this point the CPU runs in 64bit mode CS.L = 1 CS.D = 0,
  57          * and someone has loaded an identity mapped page table
  58          * for us.  These identity mapped page tables map all of the
  59          * kernel pages and possibly all of memory.
  60          *
  61          * %rsi holds a physical pointer to real_mode_data.
  62          *
  63          * We come here either directly from a 64bit bootloader, or from
  64          * arch/x86/boot/compressed/head_64.S.
  65          *
  66          * We only come here initially at boot nothing else comes here.
  67          *
  68          * Since we may be loaded at an address different from what we were
  69          * compiled to run at we first fixup the physical addresses in our page
  70          * tables and then reload them.
  71          */
  72
  73         /* Set up the stack for verify_cpu(), similar to initial_stack below */
  74         leaq    (__end_init_task - SIZEOF_PTREGS)(%rip), %rsp
  75
  76         /* Sanitize CPU configuration */
  77         call verify_cpu
  78
  79         /*
  80          * Perform pagetable fixups. Additionally, if SME is active, encrypt
  81          * the kernel and retrieve the modifier (SME encryption mask if SME
  82          * is active) to be added to the initial pgdir entry that will be
  83          * programmed into CR3.
  84          */
  85         leaq    _text(%rip), %rdi
  86         pushq   %rsi
  87         call    __startup_64
  88         popq    %rsi
  89
  90         /* Form the CR3 value being sure to include the CR3 modifier */
  91         addq    $(early_top_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
  92         jmp 1f
  93 SYM_CODE_END(startup_64)
  94
  95 SYM_CODE_START(secondary_startup_64)
  96         UNWIND_HINT_EMPTY
  97         /*
  98          * At this point the CPU runs in 64bit mode CS.L = 1 CS.D = 0,
  99          * and someone has loaded a mapped page table.
 100          *
 101          * %rsi holds a physical pointer to real_mode_data.
 102          *
 103          * We come here either from startup_64 (using physical addresses)
 104          * or from trampoline.S (using virtual addresses).
 105          *
 106          * Using virtual addresses from trampoline.S removes the need
 107          * to have any identity mapped pages in the kernel page table
 108          * after the boot processor executes this code.
 109          */
 110
 111         /* Sanitize CPU configuration */
 112         call verify_cpu
 113
 114         /*
 115          * Retrieve the modifier (SME encryption mask if SME is active) to be
 116          * added to the initial pgdir entry that will be programmed into CR3.
 117          */
 118         pushq   %rsi
 119         call    __startup_secondary_64
 120         popq    %rsi
 121
 122         /* Form the CR3 value being sure to include the CR3 modifier */
 123         addq    $(init_top_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
 124 1:
 125
 126         /* Enable PAE mode, PGE and LA57 */
 127         movl    $(X86_CR4_PAE | X86_CR4_PGE), %ecx
 128 #ifdef CONFIG_X86_5LEVEL
 129         testl   $1, __pgtable_l5_enabled(%rip)
 130         jz      1f
 131         orl     $X86_CR4_LA57, %ecx
 132 1:
 133 #endif
 134         movq    %rcx, %cr4
 135
 136         /* Setup early boot stage 4-/5-level pagetables. */
 137         addq    phys_base(%rip), %rax
 138         movq    %rax, %cr3
 139
 140         /* Ensure I am executing from virtual addresses */
 141         movq    $1f, %rax
 142         ANNOTATE_RETPOLINE_SAFE
 143         jmp     *%rax
 144 1:
 145         UNWIND_HINT_EMPTY
 146
 147         /* Check if nx is implemented */
 148         movl    $0x80000001, %eax
 149         cpuid
 150         movl    %edx,%edi
 151
 152         /* Setup EFER (Extended Feature Enable Register) */
 153         movl    $MSR_EFER, %ecx
 154         rdmsr
 155         btsl    $_EFER_SCE, %eax        /* Enable System Call */
 156         btl     $20,%edi                /* No Execute supported? */
 157         jnc     1f
 158         btsl    $_EFER_NX, %eax
 159         btsq    $_PAGE_BIT_NX,early_pmd_flags(%rip)
 160 1:      wrmsr                           /* Make changes effective */
 161
 162         /* Setup cr0 */
 163         movl    $CR0_STATE, %eax
 164         /* Make changes effective */
 165         movq    %rax, %cr0
 166
 167         /* Setup a boot time stack */
 168         movq initial_stack(%rip), %rsp
 169
 170         /* zero EFLAGS after setting rsp */
 171         pushq $0
 172         popfq
 173
 174         /*
 175          * We must switch to a new descriptor in kernel space for the GDT
 176          * because soon the kernel won't have access anymore to the userspace
 177          * addresses where we're currently running on. We have to do that here
 178          * because in 32bit we couldn't load a 64bit linear address.
 179          */
 180         lgdt    early_gdt_descr(%rip)
 181
 182         /* set up data segments */
 183         xorl %eax,%eax
 184         movl %eax,%ds
 185         movl %eax,%ss
 186         movl %eax,%es
 187
 188         /*
 189          * We don't really need to load %fs or %gs, but load them anyway
 190          * to kill any stale realmode selectors.  This allows execution
 191          * under VT hardware.
 192          */
 193         movl %eax,%fs
 194         movl %eax,%gs
 195
 196         /* Set up %gs.
 197          *
 198          * The base of %gs always points to fixed_percpu_data. If the
 199          * stack protector canary is enabled, it is located at %gs:40.
 200          * Note that, on SMP, the boot cpu uses init data section until
 201          * the per cpu areas are set up.
 202          */
 203         movl    $MSR_GS_BASE,%ecx
 204         movl    initial_gs(%rip),%eax
 205         movl    initial_gs+4(%rip),%edx
 206         wrmsr
 207
 208         /* rsi is pointer to real mode structure with interesting info.
 209            pass it to C */
 210         movq    %rsi, %rdi
 211
 212 .Ljump_to_C_code:
 213         /*
 214          * Jump to run C code and to be on a real kernel address.
 215          * Since we are running on identity-mapped space we have to jump
 216          * to the full 64bit address, this is only possible as indirect
 217          * jump.  In addition we need to ensure %cs is set so we make this
 218          * a far return.
 219          *
 220          * Note: do not change to far jump indirect with 64bit offset.
 221          *
 222          * AMD does not support far jump indirect with 64bit offset.
 223          * AMD64 Architecture Programmer's Manual, Volume 3: states only
 224          *      JMP FAR mem16:16 FF /5 Far jump indirect,
 225          *              with the target specified by a far pointer in memory.
 226          *      JMP FAR mem16:32 FF /5 Far jump indirect,
 227          *              with the target specified by a far pointer in memory.
 228          *
 229          * Intel64 does support 64bit offset.
 230          * Software Developer Manual Vol 2: states:
 231          *      FF /5 JMP m16:16 Jump far, absolute indirect,
 232          *              address given in m16:16
 233          *      FF /5 JMP m16:32 Jump far, absolute indirect,
 234          *              address given in m16:32.
 235          *      REX.W + FF /5 JMP m16:64 Jump far, absolute indirect,
 236          *              address given in m16:64.
 237          */
 238         pushq   $.Lafter_lret   # put return address on stack for unwinder
 239         xorl    %ebp, %ebp      # clear frame pointer
 240         movq    initial_code(%rip), %rax
 241         pushq   $__KERNEL_CS    # set correct cs
 242         pushq   %rax            # target address in negative space
 243         lretq
 244 .Lafter_lret:
 245 SYM_CODE_END(secondary_startup_64)
 246
 247 #include "verify_cpu.S"
 248
 249 #ifdef CONFIG_HOTPLUG_CPU
 250 /*
 251  * Boot CPU0 entry point. It's called from play_dead(). Everything has been set
 252  * up already except stack. We just set up stack here. Then call
 253  * start_secondary() via .Ljump_to_C_code.
 254  */
 255 SYM_CODE_START(start_cpu0)
 256         UNWIND_HINT_EMPTY
 257         movq    initial_stack(%rip), %rsp
 258         jmp     .Ljump_to_C_code
 259 SYM_CODE_END(start_cpu0)
 260 #endif
 261
 262         /* Both SMP bootup and ACPI suspend change these variables */
 263         __REFDATA
 264         .balign 8
 265 SYM_DATA(initial_code,  .quad x86_64_start_kernel)
 266 SYM_DATA(initial_gs,    .quad INIT_PER_CPU_VAR(fixed_percpu_data))
 267
 268 /*
 269  * The SIZEOF_PTREGS gap is a convention which helps the in-kernel unwinder
 270  * reliably detect the end of the stack.
 271  */
 272 SYM_DATA(initial_stack, .quad init_thread_union + THREAD_SIZE - SIZEOF_PTREGS)
 273         __FINITDATA
 274
 275         __INIT
 276 SYM_CODE_START(early_idt_handler_array)
 277         i = 0
 278         .rept NUM_EXCEPTION_VECTORS
 279         .if ((EXCEPTION_ERRCODE_MASK >> i) & 1) == 0
 280                 UNWIND_HINT_IRET_REGS
 281                 pushq $0        # Dummy error code, to make stack frame uniform
 282         .else
 283                 UNWIND_HINT_IRET_REGS offset=8
 284         .endif
 285         pushq $i                # 72(%rsp) Vector number
 286         jmp early_idt_handler_common
 287         UNWIND_HINT_IRET_REGS
 288         i = i + 1
 289         .fill early_idt_handler_array + i*EARLY_IDT_HANDLER_SIZE - ., 1, 0xcc
 290         .endr
 291         UNWIND_HINT_IRET_REGS offset=16
 292 SYM_CODE_END(early_idt_handler_array)
 293
 294 SYM_CODE_START_LOCAL(early_idt_handler_common)
 295         /*
 296          * The stack is the hardware frame, an error code or zero, and the
 297          * vector number.
 298          */
 299         cld
 300
 301         incl early_recursion_flag(%rip)
 302
 303         /* The vector number is currently in the pt_regs->di slot. */
 304         pushq %rsi                              /* pt_regs->si */
 305         movq 8(%rsp), %rsi                      /* RSI = vector number */
 306         movq %rdi, 8(%rsp)                      /* pt_regs->di = RDI */
 307         pushq %rdx                              /* pt_regs->dx */
 308         pushq %rcx                              /* pt_regs->cx */
 309         pushq %rax                              /* pt_regs->ax */
 310         pushq %r8                               /* pt_regs->r8 */
 311         pushq %r9                               /* pt_regs->r9 */
 312         pushq %r10                              /* pt_regs->r10 */
 313         pushq %r11                              /* pt_regs->r11 */
 314         pushq %rbx                              /* pt_regs->bx */
 315         pushq %rbp                              /* pt_regs->bp */
 316         pushq %r12                              /* pt_regs->r12 */
 317         pushq %r13                              /* pt_regs->r13 */
 318         pushq %r14                              /* pt_regs->r14 */
 319         pushq %r15                              /* pt_regs->r15 */
 320         UNWIND_HINT_REGS
 321
 322         cmpq $14,%rsi           /* Page fault? */
 323         jnz 10f
 324         GET_CR2_INTO(%rdi)      /* can clobber %rax if pv */
 325         call early_make_pgtable
 326         andl %eax,%eax
 327         jz 20f                  /* All good */
 328
 329 10:
 330         movq %rsp,%rdi          /* RDI = pt_regs; RSI is already trapnr */
 331         call early_fixup_exception
 332
 333 20:
 334         decl early_recursion_flag(%rip)
 335         jmp restore_regs_and_return_to_kernel
 336 SYM_CODE_END(early_idt_handler_common)
 337
 338
 339 #define SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(name)                       \
 340         SYM_START(name, SYM_L_GLOBAL, .balign PAGE_SIZE)
 341
 342 #ifdef CONFIG_PAGE_TABLE_ISOLATION
 343 /*
 344  * Each PGD needs to be 8k long and 8k aligned.  We do not
 345  * ever go out to userspace with these, so we do not
 346  * strictly *need* the second page, but this allows us to
 347  * have a single set_pgd() implementation that does not
 348  * need to worry about whether it has 4k or 8k to work
 349  * with.
 350  *
 351  * This ensures PGDs are 8k long:
 352  */
 353 #define PTI_USER_PGD_FILL       512
 354 /* This ensures they are 8k-aligned: */
 355 #define SYM_DATA_START_PTI_ALIGNED(name) \
 356         SYM_START(name, SYM_L_GLOBAL, .balign 2 * PAGE_SIZE)
 357 #else
 358 #define SYM_DATA_START_PTI_ALIGNED(name) \
 359         SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(name)
 360 #define PTI_USER_PGD_FILL       0
 361 #endif
 362
 363 /* Automate the creation of 1 to 1 mapping pmd entries */
 364 #define PMDS(START, PERM, COUNT)                        \
 365         i = 0 ;                                         \
 366         .rept (COUNT) ;                                 \
 367         .quad   (START) + (i << PMD_SHIFT) + (PERM) ;   \
 368         i = i + 1 ;                                     \
 369         .endr
 370
 371         __INITDATA
 372         .balign 4
 373
 374 SYM_DATA_START_PTI_ALIGNED(early_top_pgt)
 375         .fill   512,8,0
 376         .fill   PTI_USER_PGD_FILL,8,0
 377 SYM_DATA_END(early_top_pgt)
 378
 379 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(early_dynamic_pgts)
 380         .fill   512*EARLY_DYNAMIC_PAGE_TABLES,8,0
 381 SYM_DATA_END(early_dynamic_pgts)
 382
 383 SYM_DATA(early_recursion_flag, .long 0)
 384
 385         .data
 386
 387 #if defined(CONFIG_XEN_PV) || defined(CONFIG_PVH)
 388 SYM_DATA_START_PTI_ALIGNED(init_top_pgt)
 389         .quad   level3_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE_NOENC
 390         .org    init_top_pgt + L4_PAGE_OFFSET*8, 0
 391         .quad   level3_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE_NOENC
 392         .org    init_top_pgt + L4_START_KERNEL*8, 0
 393         /* (2^48-(2*1024*1024*1024))/(2^39) = 511 */
 394         .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE_NOENC
 395         .fill   PTI_USER_PGD_FILL,8,0
 396 SYM_DATA_END(init_top_pgt)
 397
 398 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level3_ident_pgt)
 399         .quad   level2_ident_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE_NOENC
 400         .fill   511, 8, 0
 401 SYM_DATA_END(level3_ident_pgt)
 402 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level2_ident_pgt)
 403         /*
 404          * Since I easily can, map the first 1G.
 405          * Don't set NX because code runs from these pages.
 406          *
 407          * Note: This sets _PAGE_GLOBAL despite whether
 408          * the CPU supports it or it is enabled.  But,
 409          * the CPU should ignore the bit.
 410          */
 411         PMDS(0, __PAGE_KERNEL_IDENT_LARGE_EXEC, PTRS_PER_PMD)
 412 SYM_DATA_END(level2_ident_pgt)
 413 #else
 414 SYM_DATA_START_PTI_ALIGNED(init_top_pgt)
 415         .fill   512,8,0
 416         .fill   PTI_USER_PGD_FILL,8,0
 417 SYM_DATA_END(init_top_pgt)
 418 #endif
 419
 420 #ifdef CONFIG_X86_5LEVEL
 421 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level4_kernel_pgt)
 422         .fill   511,8,0
 423         .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE_NOENC
 424 SYM_DATA_END(level4_kernel_pgt)
 425 #endif
 426
 427 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level3_kernel_pgt)
 428         .fill   L3_START_KERNEL,8,0
 429         /* (2^48-(2*1024*1024*1024)-((2^39)*511))/(2^30) = 510 */
 430         .quad   level2_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE_NOENC
 431         .quad   level2_fixmap_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE_NOENC
 432 SYM_DATA_END(level3_kernel_pgt)
 433
 434 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level2_kernel_pgt)
 435         /*
 436          * 512 MB kernel mapping. We spend a full page on this pagetable
 437          * anyway.
 438          *
 439          * The kernel code+data+bss must not be bigger than that.
 440          *
 441          * (NOTE: at +512MB starts the module area, see MODULES_VADDR.
 442          *  If you want to increase this then increase MODULES_VADDR
 443          *  too.)
 444          *
 445          *  This table is eventually used by the kernel during normal
 446          *  runtime.  Care must be taken to clear out undesired bits
 447          *  later, like _PAGE_RW or _PAGE_GLOBAL in some cases.
 448          */
 449         PMDS(0, __PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC,
 450                 KERNEL_IMAGE_SIZE/PMD_SIZE)
 451 SYM_DATA_END(level2_kernel_pgt)
 452
 453 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level2_fixmap_pgt)
 454         .fill   (512 - 4 - FIXMAP_PMD_NUM),8,0
 455         pgtno = 0
 456         .rept (FIXMAP_PMD_NUM)
 457         .quad level1_fixmap_pgt + (pgtno << PAGE_SHIFT) - __START_KERNEL_map \
 458                 + _PAGE_TABLE_NOENC;
 459         pgtno = pgtno + 1
 460         .endr
 461         /* 6 MB reserved space + a 2MB hole */
 462         .fill   4,8,0
 463 SYM_DATA_END(level2_fixmap_pgt)
 464
 465 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(level1_fixmap_pgt)
 466         .rept (FIXMAP_PMD_NUM)
 467         .fill   512,8,0
 468         .endr
 469 SYM_DATA_END(level1_fixmap_pgt)
 470
 471 #undef PMDS
 472
 473         .data
 474         .align 16
 475
 476 SYM_DATA(early_gdt_descr,               .word GDT_ENTRIES*8-1)
 477 SYM_DATA_LOCAL(early_gdt_descr_base,    .quad INIT_PER_CPU_VAR(gdt_page))
 478
 479         .align 16
 480 /* This must match the first entry in level2_kernel_pgt */
 481 SYM_DATA(phys_base, .quad 0x0)
 482 EXPORT_SYMBOL(phys_base)
 483
 484 #include "../../x86/xen/xen-head.S"
 485
 486         __PAGE_ALIGNED_BSS
 487 SYM_DATA_START_PAGE_ALIGNED(empty_zero_page)
 488         .skip PAGE_SIZE
 489 SYM_DATA_END(empty_zero_page)
 490 EXPORT_SYMBOL(empty_zero_page)
 491