Merge branch 'for-5.11' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jlawall...
[linux-2.6-microblaze.git] / arch / x86 / mm / pti.c
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 /*
3  * Copyright(c) 2017 Intel Corporation. All rights reserved.
4  *
5  * This code is based in part on work published here:
6  *
7  *      https://github.com/IAIK/KAISER
8  *
9  * The original work was written by and and signed off by for the Linux
10  * kernel by:
11  *
12  *   Signed-off-by: Richard Fellner <richard.fellner@student.tugraz.at>
13  *   Signed-off-by: Moritz Lipp <moritz.lipp@iaik.tugraz.at>
14  *   Signed-off-by: Daniel Gruss <daniel.gruss@iaik.tugraz.at>
15  *   Signed-off-by: Michael Schwarz <michael.schwarz@iaik.tugraz.at>
16  *
17  * Major changes to the original code by: Dave Hansen <dave.hansen@intel.com>
18  * Mostly rewritten by Thomas Gleixner <tglx@linutronix.de> and
19  *                     Andy Lutomirsky <luto@amacapital.net>
20  */
21 #include <linux/kernel.h>
22 #include <linux/errno.h>
23 #include <linux/string.h>
24 #include <linux/types.h>
25 #include <linux/bug.h>
26 #include <linux/init.h>
27 #include <linux/spinlock.h>
28 #include <linux/mm.h>
29 #include <linux/uaccess.h>
30 #include <linux/cpu.h>
31
32 #include <asm/cpufeature.h>
33 #include <asm/hypervisor.h>
34 #include <asm/vsyscall.h>
35 #include <asm/cmdline.h>
36 #include <asm/pti.h>
37 #include <asm/tlbflush.h>
38 #include <asm/desc.h>
39 #include <asm/sections.h>
40 #include <asm/set_memory.h>
41
42 #undef pr_fmt
43 #define pr_fmt(fmt)     "Kernel/User page tables isolation: " fmt
44
45 /* Backporting helper */
46 #ifndef __GFP_NOTRACK
47 #define __GFP_NOTRACK   0
48 #endif
49
50 /*
51  * Define the page-table levels we clone for user-space on 32
52  * and 64 bit.
53  */
54 #ifdef CONFIG_X86_64
55 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PMD
56 #else
57 #define PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE  PTI_CLONE_PTE
58 #endif
59
60 static void __init pti_print_if_insecure(const char *reason)
61 {
62         if (boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
63                 pr_info("%s\n", reason);
64 }
65
66 static void __init pti_print_if_secure(const char *reason)
67 {
68         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
69                 pr_info("%s\n", reason);
70 }
71
72 static enum pti_mode {
73         PTI_AUTO = 0,
74         PTI_FORCE_OFF,
75         PTI_FORCE_ON
76 } pti_mode;
77
78 void __init pti_check_boottime_disable(void)
79 {
80         char arg[5];
81         int ret;
82
83         /* Assume mode is auto unless overridden. */
84         pti_mode = PTI_AUTO;
85
86         if (hypervisor_is_type(X86_HYPER_XEN_PV)) {
87                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
88                 pti_print_if_insecure("disabled on XEN PV.");
89                 return;
90         }
91
92         ret = cmdline_find_option(boot_command_line, "pti", arg, sizeof(arg));
93         if (ret > 0)  {
94                 if (ret == 3 && !strncmp(arg, "off", 3)) {
95                         pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
96                         pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
97                         return;
98                 }
99                 if (ret == 2 && !strncmp(arg, "on", 2)) {
100                         pti_mode = PTI_FORCE_ON;
101                         pti_print_if_secure("force enabled on command line.");
102                         goto enable;
103                 }
104                 if (ret == 4 && !strncmp(arg, "auto", 4)) {
105                         pti_mode = PTI_AUTO;
106                         goto autosel;
107                 }
108         }
109
110         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "nopti") ||
111             cpu_mitigations_off()) {
112                 pti_mode = PTI_FORCE_OFF;
113                 pti_print_if_insecure("disabled on command line.");
114                 return;
115         }
116
117 autosel:
118         if (!boot_cpu_has_bug(X86_BUG_CPU_MELTDOWN))
119                 return;
120 enable:
121         setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_PTI);
122 }
123
124 pgd_t __pti_set_user_pgtbl(pgd_t *pgdp, pgd_t pgd)
125 {
126         /*
127          * Changes to the high (kernel) portion of the kernelmode page
128          * tables are not automatically propagated to the usermode tables.
129          *
130          * Users should keep in mind that, unlike the kernelmode tables,
131          * there is no vmalloc_fault equivalent for the usermode tables.
132          * Top-level entries added to init_mm's usermode pgd after boot
133          * will not be automatically propagated to other mms.
134          */
135         if (!pgdp_maps_userspace(pgdp))
136                 return pgd;
137
138         /*
139          * The user page tables get the full PGD, accessible from
140          * userspace:
141          */
142         kernel_to_user_pgdp(pgdp)->pgd = pgd.pgd;
143
144         /*
145          * If this is normal user memory, make it NX in the kernel
146          * pagetables so that, if we somehow screw up and return to
147          * usermode with the kernel CR3 loaded, we'll get a page fault
148          * instead of allowing user code to execute with the wrong CR3.
149          *
150          * As exceptions, we don't set NX if:
151          *  - _PAGE_USER is not set.  This could be an executable
152          *     EFI runtime mapping or something similar, and the kernel
153          *     may execute from it
154          *  - we don't have NX support
155          *  - we're clearing the PGD (i.e. the new pgd is not present).
156          */
157         if ((pgd.pgd & (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT)) == (_PAGE_USER|_PAGE_PRESENT) &&
158             (__supported_pte_mask & _PAGE_NX))
159                 pgd.pgd |= _PAGE_NX;
160
161         /* return the copy of the PGD we want the kernel to use: */
162         return pgd;
163 }
164
165 /*
166  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
167  * page table pages on the way down.
168  *
169  * Returns a pointer to a P4D on success, or NULL on failure.
170  */
171 static p4d_t *pti_user_pagetable_walk_p4d(unsigned long address)
172 {
173         pgd_t *pgd = kernel_to_user_pgdp(pgd_offset_k(address));
174         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
175
176         if (address < PAGE_OFFSET) {
177                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk user address\n");
178                 return NULL;
179         }
180
181         if (pgd_none(*pgd)) {
182                 unsigned long new_p4d_page = __get_free_page(gfp);
183                 if (WARN_ON_ONCE(!new_p4d_page))
184                         return NULL;
185
186                 set_pgd(pgd, __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_p4d_page)));
187         }
188         BUILD_BUG_ON(pgd_large(*pgd) != 0);
189
190         return p4d_offset(pgd, address);
191 }
192
193 /*
194  * Walk the user copy of the page tables (optionally) trying to allocate
195  * page table pages on the way down.
196  *
197  * Returns a pointer to a PMD on success, or NULL on failure.
198  */
199 static pmd_t *pti_user_pagetable_walk_pmd(unsigned long address)
200 {
201         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
202         p4d_t *p4d;
203         pud_t *pud;
204
205         p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(address);
206         if (!p4d)
207                 return NULL;
208
209         BUILD_BUG_ON(p4d_large(*p4d) != 0);
210         if (p4d_none(*p4d)) {
211                 unsigned long new_pud_page = __get_free_page(gfp);
212                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pud_page))
213                         return NULL;
214
215                 set_p4d(p4d, __p4d(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pud_page)));
216         }
217
218         pud = pud_offset(p4d, address);
219         /* The user page tables do not use large mappings: */
220         if (pud_large(*pud)) {
221                 WARN_ON(1);
222                 return NULL;
223         }
224         if (pud_none(*pud)) {
225                 unsigned long new_pmd_page = __get_free_page(gfp);
226                 if (WARN_ON_ONCE(!new_pmd_page))
227                         return NULL;
228
229                 set_pud(pud, __pud(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pmd_page)));
230         }
231
232         return pmd_offset(pud, address);
233 }
234
235 /*
236  * Walk the shadow copy of the page tables (optionally) trying to allocate
237  * page table pages on the way down.  Does not support large pages.
238  *
239  * Note: this is only used when mapping *new* kernel data into the
240  * user/shadow page tables.  It is never used for userspace data.
241  *
242  * Returns a pointer to a PTE on success, or NULL on failure.
243  */
244 static pte_t *pti_user_pagetable_walk_pte(unsigned long address)
245 {
246         gfp_t gfp = (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_ZERO);
247         pmd_t *pmd;
248         pte_t *pte;
249
250         pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(address);
251         if (!pmd)
252                 return NULL;
253
254         /* We can't do anything sensible if we hit a large mapping. */
255         if (pmd_large(*pmd)) {
256                 WARN_ON(1);
257                 return NULL;
258         }
259
260         if (pmd_none(*pmd)) {
261                 unsigned long new_pte_page = __get_free_page(gfp);
262                 if (!new_pte_page)
263                         return NULL;
264
265                 set_pmd(pmd, __pmd(_KERNPG_TABLE | __pa(new_pte_page)));
266         }
267
268         pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
269         if (pte_flags(*pte) & _PAGE_USER) {
270                 WARN_ONCE(1, "attempt to walk to user pte\n");
271                 return NULL;
272         }
273         return pte;
274 }
275
276 #ifdef CONFIG_X86_VSYSCALL_EMULATION
277 static void __init pti_setup_vsyscall(void)
278 {
279         pte_t *pte, *target_pte;
280         unsigned int level;
281
282         pte = lookup_address(VSYSCALL_ADDR, &level);
283         if (!pte || WARN_ON(level != PG_LEVEL_4K) || pte_none(*pte))
284                 return;
285
286         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(VSYSCALL_ADDR);
287         if (WARN_ON(!target_pte))
288                 return;
289
290         *target_pte = *pte;
291         set_vsyscall_pgtable_user_bits(kernel_to_user_pgdp(swapper_pg_dir));
292 }
293 #else
294 static void __init pti_setup_vsyscall(void) { }
295 #endif
296
297 enum pti_clone_level {
298         PTI_CLONE_PMD,
299         PTI_CLONE_PTE,
300 };
301
302 static void
303 pti_clone_pgtable(unsigned long start, unsigned long end,
304                   enum pti_clone_level level)
305 {
306         unsigned long addr;
307
308         /*
309          * Clone the populated PMDs which cover start to end. These PMD areas
310          * can have holes.
311          */
312         for (addr = start; addr < end;) {
313                 pte_t *pte, *target_pte;
314                 pmd_t *pmd, *target_pmd;
315                 pgd_t *pgd;
316                 p4d_t *p4d;
317                 pud_t *pud;
318
319                 /* Overflow check */
320                 if (addr < start)
321                         break;
322
323                 pgd = pgd_offset_k(addr);
324                 if (WARN_ON(pgd_none(*pgd)))
325                         return;
326                 p4d = p4d_offset(pgd, addr);
327                 if (WARN_ON(p4d_none(*p4d)))
328                         return;
329
330                 pud = pud_offset(p4d, addr);
331                 if (pud_none(*pud)) {
332                         WARN_ON_ONCE(addr & ~PUD_MASK);
333                         addr = round_up(addr + 1, PUD_SIZE);
334                         continue;
335                 }
336
337                 pmd = pmd_offset(pud, addr);
338                 if (pmd_none(*pmd)) {
339                         WARN_ON_ONCE(addr & ~PMD_MASK);
340                         addr = round_up(addr + 1, PMD_SIZE);
341                         continue;
342                 }
343
344                 if (pmd_large(*pmd) || level == PTI_CLONE_PMD) {
345                         target_pmd = pti_user_pagetable_walk_pmd(addr);
346                         if (WARN_ON(!target_pmd))
347                                 return;
348
349                         /*
350                          * Only clone present PMDs.  This ensures only setting
351                          * _PAGE_GLOBAL on present PMDs.  This should only be
352                          * called on well-known addresses anyway, so a non-
353                          * present PMD would be a surprise.
354                          */
355                         if (WARN_ON(!(pmd_flags(*pmd) & _PAGE_PRESENT)))
356                                 return;
357
358                         /*
359                          * Setting 'target_pmd' below creates a mapping in both
360                          * the user and kernel page tables.  It is effectively
361                          * global, so set it as global in both copies.  Note:
362                          * the X86_FEATURE_PGE check is not _required_ because
363                          * the CPU ignores _PAGE_GLOBAL when PGE is not
364                          * supported.  The check keeps consistentency with
365                          * code that only set this bit when supported.
366                          */
367                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
368                                 *pmd = pmd_set_flags(*pmd, _PAGE_GLOBAL);
369
370                         /*
371                          * Copy the PMD.  That is, the kernelmode and usermode
372                          * tables will share the last-level page tables of this
373                          * address range
374                          */
375                         *target_pmd = *pmd;
376
377                         addr += PMD_SIZE;
378
379                 } else if (level == PTI_CLONE_PTE) {
380
381                         /* Walk the page-table down to the pte level */
382                         pte = pte_offset_kernel(pmd, addr);
383                         if (pte_none(*pte)) {
384                                 addr += PAGE_SIZE;
385                                 continue;
386                         }
387
388                         /* Only clone present PTEs */
389                         if (WARN_ON(!(pte_flags(*pte) & _PAGE_PRESENT)))
390                                 return;
391
392                         /* Allocate PTE in the user page-table */
393                         target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(addr);
394                         if (WARN_ON(!target_pte))
395                                 return;
396
397                         /* Set GLOBAL bit in both PTEs */
398                         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_PGE))
399                                 *pte = pte_set_flags(*pte, _PAGE_GLOBAL);
400
401                         /* Clone the PTE */
402                         *target_pte = *pte;
403
404                         addr += PAGE_SIZE;
405
406                 } else {
407                         BUG();
408                 }
409         }
410 }
411
412 #ifdef CONFIG_X86_64
413 /*
414  * Clone a single p4d (i.e. a top-level entry on 4-level systems and a
415  * next-level entry on 5-level systems.
416  */
417 static void __init pti_clone_p4d(unsigned long addr)
418 {
419         p4d_t *kernel_p4d, *user_p4d;
420         pgd_t *kernel_pgd;
421
422         user_p4d = pti_user_pagetable_walk_p4d(addr);
423         if (!user_p4d)
424                 return;
425
426         kernel_pgd = pgd_offset_k(addr);
427         kernel_p4d = p4d_offset(kernel_pgd, addr);
428         *user_p4d = *kernel_p4d;
429 }
430
431 /*
432  * Clone the CPU_ENTRY_AREA and associated data into the user space visible
433  * page table.
434  */
435 static void __init pti_clone_user_shared(void)
436 {
437         unsigned int cpu;
438
439         pti_clone_p4d(CPU_ENTRY_AREA_BASE);
440
441         for_each_possible_cpu(cpu) {
442                 /*
443                  * The SYSCALL64 entry code needs to be able to find the
444                  * thread stack and needs one word of scratch space in which
445                  * to spill a register.  All of this lives in the TSS, in
446                  * the sp1 and sp2 slots.
447                  *
448                  * This is done for all possible CPUs during boot to ensure
449                  * that it's propagated to all mms.
450                  */
451
452                 unsigned long va = (unsigned long)&per_cpu(cpu_tss_rw, cpu);
453                 phys_addr_t pa = per_cpu_ptr_to_phys((void *)va);
454                 pte_t *target_pte;
455
456                 target_pte = pti_user_pagetable_walk_pte(va);
457                 if (WARN_ON(!target_pte))
458                         return;
459
460                 *target_pte = pfn_pte(pa >> PAGE_SHIFT, PAGE_KERNEL);
461         }
462 }
463
464 #else /* CONFIG_X86_64 */
465
466 /*
467  * On 32 bit PAE systems with 1GB of Kernel address space there is only
468  * one pgd/p4d for the whole kernel. Cloning that would map the whole
469  * address space into the user page-tables, making PTI useless. So clone
470  * the page-table on the PMD level to prevent that.
471  */
472 static void __init pti_clone_user_shared(void)
473 {
474         unsigned long start, end;
475
476         start = CPU_ENTRY_AREA_BASE;
477         end   = start + (PAGE_SIZE * CPU_ENTRY_AREA_PAGES);
478
479         pti_clone_pgtable(start, end, PTI_CLONE_PMD);
480 }
481 #endif /* CONFIG_X86_64 */
482
483 /*
484  * Clone the ESPFIX P4D into the user space visible page table
485  */
486 static void __init pti_setup_espfix64(void)
487 {
488 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX64
489         pti_clone_p4d(ESPFIX_BASE_ADDR);
490 #endif
491 }
492
493 /*
494  * Clone the populated PMDs of the entry text and force it RO.
495  */
496 static void pti_clone_entry_text(void)
497 {
498         pti_clone_pgtable((unsigned long) __entry_text_start,
499                           (unsigned long) __entry_text_end,
500                           PTI_CLONE_PMD);
501 }
502
503 /*
504  * Global pages and PCIDs are both ways to make kernel TLB entries
505  * live longer, reduce TLB misses and improve kernel performance.
506  * But, leaving all kernel text Global makes it potentially accessible
507  * to Meltdown-style attacks which make it trivial to find gadgets or
508  * defeat KASLR.
509  *
510  * Only use global pages when it is really worth it.
511  */
512 static inline bool pti_kernel_image_global_ok(void)
513 {
514         /*
515          * Systems with PCIDs get litlle benefit from global
516          * kernel text and are not worth the downsides.
517          */
518         if (cpu_feature_enabled(X86_FEATURE_PCID))
519                 return false;
520
521         /*
522          * Only do global kernel image for pti=auto.  Do the most
523          * secure thing (not global) if pti=on specified.
524          */
525         if (pti_mode != PTI_AUTO)
526                 return false;
527
528         /*
529          * K8 may not tolerate the cleared _PAGE_RW on the userspace
530          * global kernel image pages.  Do the safe thing (disable
531          * global kernel image).  This is unlikely to ever be
532          * noticed because PTI is disabled by default on AMD CPUs.
533          */
534         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_K8))
535                 return false;
536
537         /*
538          * RANDSTRUCT derives its hardening benefits from the
539          * attacker's lack of knowledge about the layout of kernel
540          * data structures.  Keep the kernel image non-global in
541          * cases where RANDSTRUCT is in use to help keep the layout a
542          * secret.
543          */
544         if (IS_ENABLED(CONFIG_GCC_PLUGIN_RANDSTRUCT))
545                 return false;
546
547         return true;
548 }
549
550 /*
551  * For some configurations, map all of kernel text into the user page
552  * tables.  This reduces TLB misses, especially on non-PCID systems.
553  */
554 static void pti_clone_kernel_text(void)
555 {
556         /*
557          * rodata is part of the kernel image and is normally
558          * readable on the filesystem or on the web.  But, do not
559          * clone the areas past rodata, they might contain secrets.
560          */
561         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
562         unsigned long end_clone  = (unsigned long)__end_rodata_aligned;
563         unsigned long end_global = PFN_ALIGN((unsigned long)_etext);
564
565         if (!pti_kernel_image_global_ok())
566                 return;
567
568         pr_debug("mapping partial kernel image into user address space\n");
569
570         /*
571          * Note that this will undo _some_ of the work that
572          * pti_set_kernel_image_nonglobal() did to clear the
573          * global bit.
574          */
575         pti_clone_pgtable(start, end_clone, PTI_LEVEL_KERNEL_IMAGE);
576
577         /*
578          * pti_clone_pgtable() will set the global bit in any PMDs
579          * that it clones, but we also need to get any PTEs in
580          * the last level for areas that are not huge-page-aligned.
581          */
582
583         /* Set the global bit for normal non-__init kernel text: */
584         set_memory_global(start, (end_global - start) >> PAGE_SHIFT);
585 }
586
587 static void pti_set_kernel_image_nonglobal(void)
588 {
589         /*
590          * The identity map is created with PMDs, regardless of the
591          * actual length of the kernel.  We need to clear
592          * _PAGE_GLOBAL up to a PMD boundary, not just to the end
593          * of the image.
594          */
595         unsigned long start = PFN_ALIGN(_text);
596         unsigned long end = ALIGN((unsigned long)_end, PMD_PAGE_SIZE);
597
598         /*
599          * This clears _PAGE_GLOBAL from the entire kernel image.
600          * pti_clone_kernel_text() map put _PAGE_GLOBAL back for
601          * areas that are mapped to userspace.
602          */
603         set_memory_nonglobal(start, (end - start) >> PAGE_SHIFT);
604 }
605
606 /*
607  * Initialize kernel page table isolation
608  */
609 void __init pti_init(void)
610 {
611         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
612                 return;
613
614         pr_info("enabled\n");
615
616 #ifdef CONFIG_X86_32
617         /*
618          * We check for X86_FEATURE_PCID here. But the init-code will
619          * clear the feature flag on 32 bit because the feature is not
620          * supported on 32 bit anyway. To print the warning we need to
621          * check with cpuid directly again.
622          */
623         if (cpuid_ecx(0x1) & BIT(17)) {
624                 /* Use printk to work around pr_fmt() */
625                 printk(KERN_WARNING "\n");
626                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
627                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
628                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
629                 printk(KERN_WARNING "** You are using 32-bit PTI on a 64-bit PCID-capable CPU. **\n");
630                 printk(KERN_WARNING "** Your performance will increase dramatically if you     **\n");
631                 printk(KERN_WARNING "** switch to a 64-bit kernel!                             **\n");
632                 printk(KERN_WARNING "**                                                        **\n");
633                 printk(KERN_WARNING "** WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING! WARNING!  **\n");
634                 printk(KERN_WARNING "************************************************************\n");
635         }
636 #endif
637
638         pti_clone_user_shared();
639
640         /* Undo all global bits from the init pagetables in head_64.S: */
641         pti_set_kernel_image_nonglobal();
642         /* Replace some of the global bits just for shared entry text: */
643         pti_clone_entry_text();
644         pti_setup_espfix64();
645         pti_setup_vsyscall();
646 }
647
648 /*
649  * Finalize the kernel mappings in the userspace page-table. Some of the
650  * mappings for the kernel image might have changed since pti_init()
651  * cloned them. This is because parts of the kernel image have been
652  * mapped RO and/or NX.  These changes need to be cloned again to the
653  * userspace page-table.
654  */
655 void pti_finalize(void)
656 {
657         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_PTI))
658                 return;
659         /*
660          * We need to clone everything (again) that maps parts of the
661          * kernel image.
662          */
663         pti_clone_entry_text();
664         pti_clone_kernel_text();
665
666         debug_checkwx_user();
667 }