sys/amd64/amd64/mp_machdep.c

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