sys/amd64/amd64/mp_machdep.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c) 1996, by Steve Passe
   5  * Copyright (c) 2003, by Peter Wemm
   6  * All rights reserved.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. The name of the developer may NOT be used to endorse or promote products
  14  *    derived from this software without specific prior written permission.
  15  *
  16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  17  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  18  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  19  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  20  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  21  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  22  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  23  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  24  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  25  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  26  * SUCH DAMAGE.
  27  */
  28
  29 #include <sys/cdefs.h>
  30 __FBSDID("$FreeBSD$");
  31
  32 #include "opt_cpu.h"
  33 #include "opt_ddb.h"
  34 #include "opt_kstack_pages.h"
  35 #include "opt_sched.h"
  36 #include "opt_smp.h"
  37
  38 #include <sys/param.h>
  39 #include <sys/systm.h>
  40 #include <sys/bus.h>
  41 #include <sys/cpuset.h>
  42 #ifdef GPROF
  43 #include <sys/gmon.h>
  44 #endif
  45 #include <sys/kernel.h>
  46 #include <sys/ktr.h>
  47 #include <sys/lock.h>
  48 #include <sys/malloc.h>
  49 #include <sys/memrange.h>
  50 #include <sys/mutex.h>
  51 #include <sys/pcpu.h>
  52 #include <sys/proc.h>
  53 #include <sys/sched.h>
  54 #include <sys/smp.h>
  55 #include <sys/sysctl.h>
  56
  57 #include <vm/vm.h>
  58 #include <vm/vm_param.h>
  59 #include <vm/pmap.h>
  60 #include <vm/vm_kern.h>
  61 #include <vm/vm_extern.h>
  62
  63 #include <x86/apicreg.h>
  64 #include <machine/clock.h>
  65 #include <machine/cputypes.h>
  66 #include <machine/cpufunc.h>
  67 #include <x86/mca.h>
  68 #include <machine/md_var.h>
  69 #include <machine/pcb.h>
  70 #include <machine/psl.h>
  71 #include <machine/smp.h>
  72 #include <machine/specialreg.h>
  73 #include <machine/tss.h>
  74 #include <machine/cpu.h>
  75 #include <x86/init.h>
  76
  77 #define WARMBOOT_TARGET         0
  78 #define WARMBOOT_OFF            (KERNBASE + 0x0467)
  79 #define WARMBOOT_SEG            (KERNBASE + 0x0469)
  80
  81 #define CMOS_REG                (0x70)
  82 #define CMOS_DATA               (0x71)
  83 #define BIOS_RESET              (0x0f)
  84 #define BIOS_WARM               (0x0a)
  85
  86 extern  struct pcpu __pcpu[];
  87
  88 /* Temporary variables for init_secondary()  */
  89 char *doublefault_stack;
  90 char *nmi_stack;
  91
  92 extern inthand_t IDTVEC(fast_syscall), IDTVEC(fast_syscall32);
  93
  94 /*
  95  * Local data and functions.
  96  */
  97
  98 static int      start_ap(int apic_id);
  99
 100 static u_int    bootMP_size;
 101 static u_int    boot_address;
 102
 103 /*
 104  * Calculate usable address in base memory for AP trampoline code.
 105  */
 106 u_int
 107 mp_bootaddress(u_int basemem)
 108 {
 109
 110         bootMP_size = mptramp_end - mptramp_start;
 111         boot_address = trunc_page(basemem * 1024); /* round down to 4k boundary */
 112         if (((basemem * 1024) - boot_address) < bootMP_size)
 113                 boot_address -= PAGE_SIZE;      /* not enough, lower by 4k */
 114         /* 3 levels of page table pages */
 115         mptramp_pagetables = boot_address - (PAGE_SIZE * 3);
 116
 117         return mptramp_pagetables;
 118 }
 119
 120 /*
 121  * Initialize the IPI handlers and start up the AP's.
 122  */
 123 void
 124 cpu_mp_start(void)
 125 {
 126         int i;
 127
 128         /* Initialize the logical ID to APIC ID table. */
 129         for (i = 0; i < MAXCPU; i++) {
 130                 cpu_apic_ids[i] = -1;
 131                 cpu_ipi_pending[i] = 0;
 132         }
 133
 134         /* Install an inter-CPU IPI for TLB invalidation */
 135         if (pmap_pcid_enabled) {
 136                 if (invpcid_works) {
 137                         setidt(IPI_INVLTLB, IDTVEC(invltlb_invpcid),
 138                             SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 139                 } else {
 140                         setidt(IPI_INVLTLB, IDTVEC(invltlb_pcid), SDT_SYSIGT,
 141                             SEL_KPL, 0);
 142                 }
 143         } else {
 144                 setidt(IPI_INVLTLB, IDTVEC(invltlb), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 145         }
 146         setidt(IPI_INVLPG, IDTVEC(invlpg), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 147         setidt(IPI_INVLRNG, IDTVEC(invlrng), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 148
 149         /* Install an inter-CPU IPI for cache invalidation. */
 150         setidt(IPI_INVLCACHE, IDTVEC(invlcache), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 151
 152         /* Install an inter-CPU IPI for all-CPU rendezvous */
 153         setidt(IPI_RENDEZVOUS, IDTVEC(rendezvous), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 154
 155         /* Install generic inter-CPU IPI handler */
 156         setidt(IPI_BITMAP_VECTOR, IDTVEC(ipi_intr_bitmap_handler),
 157                SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 158
 159         /* Install an inter-CPU IPI for CPU stop/restart */
 160         setidt(IPI_STOP, IDTVEC(cpustop), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 161
 162         /* Install an inter-CPU IPI for CPU suspend/resume */
 163         setidt(IPI_SUSPEND, IDTVEC(cpususpend), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 164
 165         /* Set boot_cpu_id if needed. */
 166         if (boot_cpu_id == -1) {
 167                 boot_cpu_id = PCPU_GET(apic_id);
 168                 cpu_info[boot_cpu_id].cpu_bsp = 1;
 169         } else
 170                 KASSERT(boot_cpu_id == PCPU_GET(apic_id),
 171                     ("BSP's APIC ID doesn't match boot_cpu_id"));
 172
 173         /* Probe logical/physical core configuration. */
 174         topo_probe();
 175
 176         assign_cpu_ids();
 177
 178         /* Start each Application Processor */
 179         init_ops.start_all_aps();
 180
 181         set_interrupt_apic_ids();
 182 }
 183
 184
 185 /*
 186  * AP CPU's call this to initialize themselves.
 187  */
 188 void
 189 init_secondary(void)
 190 {
 191         struct pcpu *pc;
 192         struct nmi_pcpu *np;
 193         u_int64_t msr, cr0;
 194         int cpu, gsel_tss, x;
 195         struct region_descriptor ap_gdt;
 196
 197         /* Set by the startup code for us to use */
 198         cpu = bootAP;
 199
 200         /* Init tss */
 201         common_tss[cpu] = common_tss[0];
 202         common_tss[cpu].tss_rsp0 = 0;   /* not used until after switch */
 203         common_tss[cpu].tss_iobase = sizeof(struct amd64tss) +
 204             IOPERM_BITMAP_SIZE;
 205         common_tss[cpu].tss_ist1 = (long)&doublefault_stack[PAGE_SIZE];
 206
 207         /* The NMI stack runs on IST2. */
 208         np = ((struct nmi_pcpu *) &nmi_stack[PAGE_SIZE]) - 1;
 209         common_tss[cpu].tss_ist2 = (long) np;
 210
 211         /* Prepare private GDT */
 212         gdt_segs[GPROC0_SEL].ssd_base = (long) &common_tss[cpu];
 213         for (x = 0; x < NGDT; x++) {
 214                 if (x != GPROC0_SEL && x != (GPROC0_SEL + 1) &&
 215                     x != GUSERLDT_SEL && x != (GUSERLDT_SEL + 1))
 216                         ssdtosd(&gdt_segs[x], &gdt[NGDT * cpu + x]);
 217         }
 218         ssdtosyssd(&gdt_segs[GPROC0_SEL],
 219             (struct system_segment_descriptor *)&gdt[NGDT * cpu + GPROC0_SEL]);
 220         ap_gdt.rd_limit = NGDT * sizeof(gdt[0]) - 1;
 221         ap_gdt.rd_base =  (long) &gdt[NGDT * cpu];
 222         lgdt(&ap_gdt);                  /* does magic intra-segment return */
 223
 224         /* Get per-cpu data */
 225         pc = &__pcpu[cpu];
 226
 227         /* prime data page for it to use */
 228         pcpu_init(pc, cpu, sizeof(struct pcpu));
 229         dpcpu_init(dpcpu, cpu);
 230         pc->pc_apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 231         pc->pc_prvspace = pc;
 232         pc->pc_curthread = 0;
 233         pc->pc_tssp = &common_tss[cpu];
 234         pc->pc_commontssp = &common_tss[cpu];
 235         pc->pc_rsp0 = 0;
 236         pc->pc_tss = (struct system_segment_descriptor *)&gdt[NGDT * cpu +
 237             GPROC0_SEL];
 238         pc->pc_fs32p = &gdt[NGDT * cpu + GUFS32_SEL];
 239         pc->pc_gs32p = &gdt[NGDT * cpu + GUGS32_SEL];
 240         pc->pc_ldt = (struct system_segment_descriptor *)&gdt[NGDT * cpu +
 241             GUSERLDT_SEL];
 242         pc->pc_curpmap = kernel_pmap;
 243         pc->pc_pcid_gen = 1;
 244         pc->pc_pcid_next = PMAP_PCID_KERN + 1;
 245
 246         /* Save the per-cpu pointer for use by the NMI handler. */
 247         np->np_pcpu = (register_t) pc;
 248
 249         wrmsr(MSR_FSBASE, 0);           /* User value */
 250         wrmsr(MSR_GSBASE, (u_int64_t)pc);
 251         wrmsr(MSR_KGSBASE, (u_int64_t)pc);      /* XXX User value while we're in the kernel */
 252         fix_cpuid();
 253
 254         lidt(&r_idt);
 255
 256         gsel_tss = GSEL(GPROC0_SEL, SEL_KPL);
 257         ltr(gsel_tss);
 258
 259         /*
 260          * Set to a known state:
 261          * Set by mpboot.s: CR0_PG, CR0_PE
 262          * Set by cpu_setregs: CR0_NE, CR0_MP, CR0_TS, CR0_WP, CR0_AM
 263          */
 264         cr0 = rcr0();
 265         cr0 &= ~(CR0_CD | CR0_NW | CR0_EM);
 266         load_cr0(cr0);
 267
 268         /* Set up the fast syscall stuff */
 269         msr = rdmsr(MSR_EFER) | EFER_SCE;
 270         wrmsr(MSR_EFER, msr);
 271         wrmsr(MSR_LSTAR, (u_int64_t)IDTVEC(fast_syscall));
 272         wrmsr(MSR_CSTAR, (u_int64_t)IDTVEC(fast_syscall32));
 273         msr = ((u_int64_t)GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL) << 32) |
 274               ((u_int64_t)GSEL(GUCODE32_SEL, SEL_UPL) << 48);
 275         wrmsr(MSR_STAR, msr);
 276         wrmsr(MSR_SF_MASK, PSL_NT|PSL_T|PSL_I|PSL_C|PSL_D);
 277
 278         /* signal our startup to the BSP. */
 279         mp_naps++;
 280
 281         /* Spin until the BSP releases the AP's. */
 282         while (atomic_load_acq_int(&aps_ready) == 0)
 283                 ia32_pause();
 284
 285         init_secondary_tail();
 286 }
 287
 288 /*******************************************************************
 289  * local functions and data
 290  */
 291
 292 /*
 293  * start each AP in our list
 294  */
 295 int
 296 native_start_all_aps(void)
 297 {
 298         vm_offset_t va = boot_address + KERNBASE;
 299         u_int64_t *pt4, *pt3, *pt2;
 300         u_int32_t mpbioswarmvec;
 301         int apic_id, cpu, i;
 302         u_char mpbiosreason;
 303
 304         mtx_init(&ap_boot_mtx, "ap boot", NULL, MTX_SPIN);
 305
 306         /* install the AP 1st level boot code */
 307         pmap_kenter(va, boot_address);
 308         pmap_invalidate_page(kernel_pmap, va);
 309         bcopy(mptramp_start, (void *)va, bootMP_size);
 310
 311         /* Locate the page tables, they'll be below the trampoline */
 312         pt4 = (u_int64_t *)(uintptr_t)(mptramp_pagetables + KERNBASE);
 313         pt3 = pt4 + (PAGE_SIZE) / sizeof(u_int64_t);
 314         pt2 = pt3 + (PAGE_SIZE) / sizeof(u_int64_t);
 315
 316         /* Create the initial 1GB replicated page tables */
 317         for (i = 0; i < 512; i++) {
 318                 /* Each slot of the level 4 pages points to the same level 3 page */
 319                 pt4[i] = (u_int64_t)(uintptr_t)(mptramp_pagetables + PAGE_SIZE);
 320                 pt4[i] |= PG_V | PG_RW | PG_U;
 321
 322                 /* Each slot of the level 3 pages points to the same level 2 page */
 323                 pt3[i] = (u_int64_t)(uintptr_t)(mptramp_pagetables + (2 * PAGE_SIZE));
 324                 pt3[i] |= PG_V | PG_RW | PG_U;
 325
 326                 /* The level 2 page slots are mapped with 2MB pages for 1GB. */
 327                 pt2[i] = i * (2 * 1024 * 1024);
 328                 pt2[i] |= PG_V | PG_RW | PG_PS | PG_U;
 329         }
 330
 331         /* save the current value of the warm-start vector */
 332         mpbioswarmvec = *((u_int32_t *) WARMBOOT_OFF);
 333         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 334         mpbiosreason = inb(CMOS_DATA);
 335
 336         /* setup a vector to our boot code */
 337         *((volatile u_short *) WARMBOOT_OFF) = WARMBOOT_TARGET;
 338         *((volatile u_short *) WARMBOOT_SEG) = (boot_address >> 4);
 339         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 340         outb(CMOS_DATA, BIOS_WARM);     /* 'warm-start' */
 341
 342         /* start each AP */
 343         for (cpu = 1; cpu < mp_ncpus; cpu++) {
 344                 apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 345
 346                 /* allocate and set up an idle stack data page */
 347                 bootstacks[cpu] = (void *)kmem_malloc(kernel_arena,
 348                     kstack_pages * PAGE_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 349                 doublefault_stack = (char *)kmem_malloc(kernel_arena,
 350                     PAGE_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 351                 nmi_stack = (char *)kmem_malloc(kernel_arena, PAGE_SIZE,
 352                     M_WAITOK | M_ZERO);
 353                 dpcpu = (void *)kmem_malloc(kernel_arena, DPCPU_SIZE,
 354                     M_WAITOK | M_ZERO);
 355
 356                 bootSTK = (char *)bootstacks[cpu] + kstack_pages * PAGE_SIZE - 8;
 357                 bootAP = cpu;
 358
 359                 /* attempt to start the Application Processor */
 360                 if (!start_ap(apic_id)) {
 361                         /* restore the warmstart vector */
 362                         *(u_int32_t *) WARMBOOT_OFF = mpbioswarmvec;
 363                         panic("AP #%d (PHY# %d) failed!", cpu, apic_id);
 364                 }
 365
 366                 CPU_SET(cpu, &all_cpus);        /* record AP in CPU map */
 367         }
 368
 369         /* restore the warmstart vector */
 370         *(u_int32_t *) WARMBOOT_OFF = mpbioswarmvec;
 371
 372         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 373         outb(CMOS_DATA, mpbiosreason);
 374
 375         /* number of APs actually started */
 376         return mp_naps;
 377 }
 378
 379
 380 /*
 381  * This function starts the AP (application processor) identified
 382  * by the APIC ID 'physicalCpu'.  It does quite a "song and dance"
 383  * to accomplish this.  This is necessary because of the nuances
 384  * of the different hardware we might encounter.  It isn't pretty,
 385  * but it seems to work.
 386  */
 387 static int
 388 start_ap(int apic_id)
 389 {
 390         int vector, ms;
 391         int cpus;
 392
 393         /* calculate the vector */
 394         vector = (boot_address >> 12) & 0xff;
 395
 396         /* used as a watchpoint to signal AP startup */
 397         cpus = mp_naps;
 398
 399         ipi_startup(apic_id, vector);
 400
 401         /* Wait up to 5 seconds for it to start. */
 402         for (ms = 0; ms < 5000; ms++) {
 403                 if (mp_naps > cpus)
 404                         return 1;       /* return SUCCESS */
 405                 DELAY(1000);
 406         }
 407         return 0;               /* return FAILURE */
 408 }
 409
 410 void
 411 invltlb_invpcid_handler(void)
 412 {
 413         struct invpcid_descr d;
 414         uint32_t generation;
 415
 416 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 417         xhits_gbl[PCPU_GET(cpuid)]++;
 418 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 419 #ifdef COUNT_IPIS
 420         (*ipi_invltlb_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 421 #endif /* COUNT_IPIS */
 422
 423         generation = smp_tlb_generation;
 424         d.pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid;
 425         d.pad = 0;
 426         d.addr = 0;
 427         invpcid(&d, smp_tlb_pmap == kernel_pmap ? INVPCID_CTXGLOB :
 428             INVPCID_CTX);
 429         PCPU_SET(smp_tlb_done, generation);
 430 }
 431
 432 void
 433 invltlb_pcid_handler(void)
 434 {
 435         uint32_t generation;
 436
 437 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 438         xhits_gbl[PCPU_GET(cpuid)]++;
 439 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 440 #ifdef COUNT_IPIS
 441         (*ipi_invltlb_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 442 #endif /* COUNT_IPIS */
 443
 444         generation = smp_tlb_generation;        /* Overlap with serialization */
 445         if (smp_tlb_pmap == kernel_pmap) {
 446                 invltlb_glob();
 447         } else {
 448                 /*
 449                  * The current pmap might not be equal to
 450                  * smp_tlb_pmap.  The clearing of the pm_gen in
 451                  * pmap_invalidate_all() takes care of TLB
 452                  * invalidation when switching to the pmap on this
 453                  * CPU.
 454                  */
 455                 if (PCPU_GET(curpmap) == smp_tlb_pmap) {
 456                         load_cr3(smp_tlb_pmap->pm_cr3 |
 457                             smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid);
 458                 }
 459         }
 460         PCPU_SET(smp_tlb_done, generation);
 461 }