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_acpi.h"
  33 #include "opt_cpu.h"
  34 #include "opt_ddb.h"
  35 #include "opt_kstack_pages.h"
  36 #include "opt_sched.h"
  37 #include "opt_smp.h"
  38
  39 #include <sys/param.h>
  40 #include <sys/systm.h>
  41 #include <sys/bus.h>
  42 #include <sys/cpuset.h>
  43 #include <sys/domainset.h>
  44 #ifdef GPROF
  45 #include <sys/gmon.h>
  46 #endif
  47 #include <sys/kdb.h>
  48 #include <sys/kernel.h>
  49 #include <sys/ktr.h>
  50 #include <sys/lock.h>
  51 #include <sys/malloc.h>
  52 #include <sys/memrange.h>
  53 #include <sys/mutex.h>
  54 #include <sys/pcpu.h>
  55 #include <sys/proc.h>
  56 #include <sys/sched.h>
  57 #include <sys/smp.h>
  58 #include <sys/sysctl.h>
  59
  60 #include <vm/vm.h>
  61 #include <vm/vm_param.h>
  62 #include <vm/pmap.h>
  63 #include <vm/vm_kern.h>
  64 #include <vm/vm_extern.h>
  65 #include <vm/vm_page.h>
  66 #include <vm/vm_phys.h>
  67
  68 #include <x86/apicreg.h>
  69 #include <machine/clock.h>
  70 #include <machine/cputypes.h>
  71 #include <machine/cpufunc.h>
  72 #include <x86/mca.h>
  73 #include <machine/md_var.h>
  74 #include <machine/pcb.h>
  75 #include <machine/psl.h>
  76 #include <machine/smp.h>
  77 #include <machine/specialreg.h>
  78 #include <machine/tss.h>
  79 #include <x86/ucode.h>
  80 #include <machine/cpu.h>
  81 #include <x86/init.h>
  82
  83 #ifdef DEV_ACPI
  84 #include <contrib/dev/acpica/include/acpi.h>
  85 #include <dev/acpica/acpivar.h>
  86 #endif
  87
  88 #define WARMBOOT_TARGET         0
  89 #define WARMBOOT_OFF            (KERNBASE + 0x0467)
  90 #define WARMBOOT_SEG            (KERNBASE + 0x0469)
  91
  92 #define CMOS_REG                (0x70)
  93 #define CMOS_DATA               (0x71)
  94 #define BIOS_RESET              (0x0f)
  95 #define BIOS_WARM               (0x0a)
  96
  97 #define GiB(v)                  (v ## ULL << 30)
  98
  99 #define AP_BOOTPT_SZ            (PAGE_SIZE * 3)
 100
 101 /* Temporary variables for init_secondary()  */
 102 char *doublefault_stack;
 103 char *mce_stack;
 104 char *nmi_stack;
 105 char *dbg_stack;
 106
 107 /*
 108  * Local data and functions.
 109  */
 110
 111 static int      start_ap(int apic_id);
 112
 113 static bool
 114 is_kernel_paddr(vm_paddr_t pa)
 115 {
 116
 117         return (pa >= trunc_2mpage(btext - KERNBASE) &&
 118            pa < round_page(_end - KERNBASE));
 119 }
 120
 121 static bool
 122 is_mpboot_good(vm_paddr_t start, vm_paddr_t end)
 123 {
 124
 125         return (start + AP_BOOTPT_SZ <= GiB(4) && atop(end) < Maxmem);
 126 }
 127
 128 /*
 129  * Calculate usable address in base memory for AP trampoline code.
 130  */
 131 void
 132 mp_bootaddress(vm_paddr_t *physmap, unsigned int *physmap_idx)
 133 {
 134         vm_paddr_t start, end;
 135         unsigned int i;
 136         bool allocated;
 137
 138         alloc_ap_trampoline(physmap, physmap_idx);
 139
 140         /*
 141          * Find a memory region big enough below the 4GB boundary to
 142          * store the initial page tables.  Region must be mapped by
 143          * the direct map.
 144          *
 145          * Note that it needs to be aligned to a page boundary.
 146          */
 147         allocated = false;
 148         for (i = *physmap_idx; i <= *physmap_idx; i -= 2) {
 149                 /*
 150                  * First, try to chomp at the start of the physmap region.
 151                  * Kernel binary might claim it already.
 152                  */
 153                 start = round_page(physmap[i]);
 154                 end = start + AP_BOOTPT_SZ;
 155                 if (start < end && end <= physmap[i + 1] &&
 156                     is_mpboot_good(start, end) &&
 157                     !is_kernel_paddr(start) && !is_kernel_paddr(end - 1)) {
 158                         allocated = true;
 159                         physmap[i] = end;
 160                         break;
 161                 }
 162
 163                 /*
 164                  * Second, try to chomp at the end.  Again, check
 165                  * against kernel.
 166                  */
 167                 end = trunc_page(physmap[i + 1]);
 168                 start = end - AP_BOOTPT_SZ;
 169                 if (start < end && start >= physmap[i] &&
 170                     is_mpboot_good(start, end) &&
 171                     !is_kernel_paddr(start) && !is_kernel_paddr(end - 1)) {
 172                         allocated = true;
 173                         physmap[i + 1] = start;
 174                         break;
 175                 }
 176         }
 177         if (allocated) {
 178                 mptramp_pagetables = start;
 179                 if (physmap[i] == physmap[i + 1] && *physmap_idx != 0) {
 180                         memmove(&physmap[i], &physmap[i + 2],
 181                             sizeof(*physmap) * (*physmap_idx - i + 2));
 182                         *physmap_idx -= 2;
 183                 }
 184         } else {
 185                 mptramp_pagetables = trunc_page(boot_address) - AP_BOOTPT_SZ;
 186                 if (bootverbose)
 187                         printf(
 188 "Cannot find enough space for the initial AP page tables, placing them at %#x",
 189                             mptramp_pagetables);
 190         }
 191 }
 192
 193 /*
 194  * Initialize the IPI handlers and start up the AP's.
 195  */
 196 void
 197 cpu_mp_start(void)
 198 {
 199         int i;
 200
 201         /* Initialize the logical ID to APIC ID table. */
 202         for (i = 0; i < MAXCPU; i++) {
 203                 cpu_apic_ids[i] = -1;
 204         }
 205
 206         /* Install an inter-CPU IPI for cache and TLB invalidations. */
 207         setidt(IPI_INVLOP, pti ? IDTVEC(invlop_pti) : IDTVEC(invlop),
 208             SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 209
 210         /* Install an inter-CPU IPI for all-CPU rendezvous */
 211         setidt(IPI_RENDEZVOUS, pti ? IDTVEC(rendezvous_pti) :
 212             IDTVEC(rendezvous), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 213
 214         /* Install generic inter-CPU IPI handler */
 215         setidt(IPI_BITMAP_VECTOR, pti ? IDTVEC(ipi_intr_bitmap_handler_pti) :
 216             IDTVEC(ipi_intr_bitmap_handler), SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 217
 218         /* Install an inter-CPU IPI for CPU stop/restart */
 219         setidt(IPI_STOP, pti ? IDTVEC(cpustop_pti) : IDTVEC(cpustop),
 220             SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 221
 222         /* Install an inter-CPU IPI for CPU suspend/resume */
 223         setidt(IPI_SUSPEND, pti ? IDTVEC(cpususpend_pti) : IDTVEC(cpususpend),
 224             SDT_SYSIGT, SEL_KPL, 0);
 225
 226         /* Set boot_cpu_id if needed. */
 227         if (boot_cpu_id == -1) {
 228                 boot_cpu_id = PCPU_GET(apic_id);
 229                 cpu_info[boot_cpu_id].cpu_bsp = 1;
 230         } else
 231                 KASSERT(boot_cpu_id == PCPU_GET(apic_id),
 232                     ("BSP's APIC ID doesn't match boot_cpu_id"));
 233
 234         /* Probe logical/physical core configuration. */
 235         topo_probe();
 236
 237         assign_cpu_ids();
 238
 239         /* Start each Application Processor */
 240         init_ops.start_all_aps();
 241
 242         set_interrupt_apic_ids();
 243
 244 #if defined(DEV_ACPI) && MAXMEMDOM > 1
 245         acpi_pxm_set_cpu_locality();
 246 #endif
 247 }
 248
 249 /*
 250  * AP CPU's call this to initialize themselves.
 251  */
 252 void
 253 init_secondary(void)
 254 {
 255         struct pcpu *pc;
 256         struct nmi_pcpu *np;
 257         struct user_segment_descriptor *gdt;
 258         struct region_descriptor ap_gdt;
 259         u_int64_t cr0;
 260         int cpu, gsel_tss, x;
 261
 262         /* Set by the startup code for us to use */
 263         cpu = bootAP;
 264
 265         /* Update microcode before doing anything else. */
 266         ucode_load_ap(cpu);
 267
 268         /* Get per-cpu data and save  */
 269         pc = &__pcpu[cpu];
 270
 271         /* prime data page for it to use */
 272         pcpu_init(pc, cpu, sizeof(struct pcpu));
 273         dpcpu_init(dpcpu, cpu);
 274         pc->pc_apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 275         pc->pc_prvspace = pc;
 276         pc->pc_curthread = 0;
 277         pc->pc_tssp = &pc->pc_common_tss;
 278         pc->pc_rsp0 = 0;
 279         pc->pc_pti_rsp0 = (((vm_offset_t)&pc->pc_pti_stack +
 280             PC_PTI_STACK_SZ * sizeof(uint64_t)) & ~0xful);
 281         gdt = pc->pc_gdt;
 282         pc->pc_tss = (struct system_segment_descriptor *)&gdt[GPROC0_SEL];
 283         pc->pc_fs32p = &gdt[GUFS32_SEL];
 284         pc->pc_gs32p = &gdt[GUGS32_SEL];
 285         pc->pc_ldt = (struct system_segment_descriptor *)&gdt[GUSERLDT_SEL];
 286         /* See comment in pmap_bootstrap(). */
 287         pc->pc_pcid_next = PMAP_PCID_KERN + 2;
 288         pc->pc_pcid_gen = 1;
 289
 290         pc->pc_smp_tlb_gen = 1;
 291
 292         /* Init tss */
 293         pc->pc_common_tss = __pcpu[0].pc_common_tss;
 294         pc->pc_common_tss.tss_iobase = sizeof(struct amd64tss) +
 295             IOPERM_BITMAP_SIZE;
 296         pc->pc_common_tss.tss_rsp0 = 0;
 297
 298         /* The doublefault stack runs on IST1. */
 299         np = ((struct nmi_pcpu *)&doublefault_stack[PAGE_SIZE]) - 1;
 300         np->np_pcpu = (register_t)pc;
 301         pc->pc_common_tss.tss_ist1 = (long)np;
 302
 303         /* The NMI stack runs on IST2. */
 304         np = ((struct nmi_pcpu *) &nmi_stack[PAGE_SIZE]) - 1;
 305         np->np_pcpu = (register_t)pc;
 306         pc->pc_common_tss.tss_ist2 = (long)np;
 307
 308         /* The MC# stack runs on IST3. */
 309         np = ((struct nmi_pcpu *) &mce_stack[PAGE_SIZE]) - 1;
 310         np->np_pcpu = (register_t)pc;
 311         pc->pc_common_tss.tss_ist3 = (long)np;
 312
 313         /* The DB# stack runs on IST4. */
 314         np = ((struct nmi_pcpu *) &dbg_stack[PAGE_SIZE]) - 1;
 315         np->np_pcpu = (register_t)pc;
 316         pc->pc_common_tss.tss_ist4 = (long)np;
 317
 318         /* Prepare private GDT */
 319         gdt_segs[GPROC0_SEL].ssd_base = (long)&pc->pc_common_tss;
 320         for (x = 0; x < NGDT; x++) {
 321                 if (x != GPROC0_SEL && x != GPROC0_SEL + 1 &&
 322                     x != GUSERLDT_SEL && x != GUSERLDT_SEL + 1)
 323                         ssdtosd(&gdt_segs[x], &gdt[x]);
 324         }
 325         ssdtosyssd(&gdt_segs[GPROC0_SEL],
 326             (struct system_segment_descriptor *)&gdt[GPROC0_SEL]);
 327         ap_gdt.rd_limit = NGDT * sizeof(gdt[0]) - 1;
 328         ap_gdt.rd_base = (u_long)gdt;
 329         lgdt(&ap_gdt);                  /* does magic intra-segment return */
 330
 331         wrmsr(MSR_FSBASE, 0);           /* User value */
 332         wrmsr(MSR_GSBASE, (u_int64_t)pc);
 333         wrmsr(MSR_KGSBASE, (u_int64_t)pc);      /* XXX User value while we're in the kernel */
 334         fix_cpuid();
 335
 336         lidt(&r_idt);
 337
 338         gsel_tss = GSEL(GPROC0_SEL, SEL_KPL);
 339         ltr(gsel_tss);
 340
 341         /*
 342          * Set to a known state:
 343          * Set by mpboot.s: CR0_PG, CR0_PE
 344          * Set by cpu_setregs: CR0_NE, CR0_MP, CR0_TS, CR0_WP, CR0_AM
 345          */
 346         cr0 = rcr0();
 347         cr0 &= ~(CR0_CD | CR0_NW | CR0_EM);
 348         load_cr0(cr0);
 349
 350         amd64_conf_fast_syscall();
 351
 352         /* signal our startup to the BSP. */
 353         mp_naps++;
 354
 355         /* Spin until the BSP releases the AP's. */
 356         while (atomic_load_acq_int(&aps_ready) == 0)
 357                 ia32_pause();
 358
 359         init_secondary_tail();
 360 }
 361
 362 /*******************************************************************
 363  * local functions and data
 364  */
 365
 366 #ifdef NUMA
 367 static void
 368 mp_realloc_pcpu(int cpuid, int domain)
 369 {
 370         vm_page_t m;
 371         vm_offset_t oa, na;
 372
 373         oa = (vm_offset_t)&__pcpu[cpuid];
 374         if (_vm_phys_domain(pmap_kextract(oa)) == domain)
 375                 return;
 376         m = vm_page_alloc_domain(NULL, 0, domain,
 377             VM_ALLOC_NORMAL | VM_ALLOC_NOOBJ);
 378         if (m == NULL)
 379                 return;
 380         na = PHYS_TO_DMAP(VM_PAGE_TO_PHYS(m));
 381         pagecopy((void *)oa, (void *)na);
 382         pmap_qenter((vm_offset_t)&__pcpu[cpuid], &m, 1);
 383         /* XXX old pcpu page leaked. */
 384 }
 385 #endif
 386
 387 /*
 388  * start each AP in our list
 389  */
 390 int
 391 native_start_all_aps(void)
 392 {
 393         u_int64_t *pt4, *pt3, *pt2;
 394         u_int32_t mpbioswarmvec;
 395         int apic_id, cpu, domain, i;
 396         u_char mpbiosreason;
 397
 398         mtx_init(&ap_boot_mtx, "ap boot", NULL, MTX_SPIN);
 399
 400         /* copy the AP 1st level boot code */
 401         bcopy(mptramp_start, (void *)PHYS_TO_DMAP(boot_address), bootMP_size);
 402
 403         /* Locate the page tables, they'll be below the trampoline */
 404         pt4 = (uint64_t *)PHYS_TO_DMAP(mptramp_pagetables);
 405         pt3 = pt4 + (PAGE_SIZE) / sizeof(u_int64_t);
 406         pt2 = pt3 + (PAGE_SIZE) / sizeof(u_int64_t);
 407
 408         /* Create the initial 1GB replicated page tables */
 409         for (i = 0; i < 512; i++) {
 410                 /* Each slot of the level 4 pages points to the same level 3 page */
 411                 pt4[i] = (u_int64_t)(uintptr_t)(mptramp_pagetables + PAGE_SIZE);
 412                 pt4[i] |= PG_V | PG_RW | PG_U;
 413
 414                 /* Each slot of the level 3 pages points to the same level 2 page */
 415                 pt3[i] = (u_int64_t)(uintptr_t)(mptramp_pagetables + (2 * PAGE_SIZE));
 416                 pt3[i] |= PG_V | PG_RW | PG_U;
 417
 418                 /* The level 2 page slots are mapped with 2MB pages for 1GB. */
 419                 pt2[i] = i * (2 * 1024 * 1024);
 420                 pt2[i] |= PG_V | PG_RW | PG_PS | PG_U;
 421         }
 422
 423         /* save the current value of the warm-start vector */
 424         mpbioswarmvec = *((u_int32_t *) WARMBOOT_OFF);
 425         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 426         mpbiosreason = inb(CMOS_DATA);
 427
 428         /* setup a vector to our boot code */
 429         *((volatile u_short *) WARMBOOT_OFF) = WARMBOOT_TARGET;
 430         *((volatile u_short *) WARMBOOT_SEG) = (boot_address >> 4);
 431         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 432         outb(CMOS_DATA, BIOS_WARM);     /* 'warm-start' */
 433
 434         /* Relocate pcpu areas to the correct domain. */
 435 #ifdef NUMA
 436         if (vm_ndomains > 1)
 437                 for (cpu = 1; cpu < mp_ncpus; cpu++) {
 438                         apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 439                         domain = acpi_pxm_get_cpu_locality(apic_id);
 440                         mp_realloc_pcpu(cpu, domain);
 441                 }
 442 #endif
 443
 444         /* start each AP */
 445         domain = 0;
 446         for (cpu = 1; cpu < mp_ncpus; cpu++) {
 447                 apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 448 #ifdef NUMA
 449                 if (vm_ndomains > 1)
 450                         domain = acpi_pxm_get_cpu_locality(apic_id);
 451 #endif
 452                 /* allocate and set up an idle stack data page */
 453                 bootstacks[cpu] = (void *)kmem_malloc(kstack_pages * PAGE_SIZE,
 454                     M_WAITOK | M_ZERO);
 455                 doublefault_stack = (char *)kmem_malloc(PAGE_SIZE, M_WAITOK |
 456                     M_ZERO);
 457                 mce_stack = (char *)kmem_malloc(PAGE_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 458                 nmi_stack = (char *)kmem_malloc_domainset(
 459                     DOMAINSET_PREF(domain), PAGE_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 460                 dbg_stack = (char *)kmem_malloc_domainset(
 461                     DOMAINSET_PREF(domain), PAGE_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 462                 dpcpu = (void *)kmem_malloc_domainset(DOMAINSET_PREF(domain),
 463                     DPCPU_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 464
 465                 bootSTK = (char *)bootstacks[cpu] +
 466                     kstack_pages * PAGE_SIZE - 8;
 467                 bootAP = cpu;
 468
 469                 /* attempt to start the Application Processor */
 470                 if (!start_ap(apic_id)) {
 471                         /* restore the warmstart vector */
 472                         *(u_int32_t *) WARMBOOT_OFF = mpbioswarmvec;
 473                         panic("AP #%d (PHY# %d) failed!", cpu, apic_id);
 474                 }
 475
 476                 CPU_SET(cpu, &all_cpus);        /* record AP in CPU map */
 477         }
 478
 479         /* restore the warmstart vector */
 480         *(u_int32_t *) WARMBOOT_OFF = mpbioswarmvec;
 481
 482         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 483         outb(CMOS_DATA, mpbiosreason);
 484
 485         /* number of APs actually started */
 486         return (mp_naps);
 487 }
 488
 489
 490 /*
 491  * This function starts the AP (application processor) identified
 492  * by the APIC ID 'physicalCpu'.  It does quite a "song and dance"
 493  * to accomplish this.  This is necessary because of the nuances
 494  * of the different hardware we might encounter.  It isn't pretty,
 495  * but it seems to work.
 496  */
 497 static int
 498 start_ap(int apic_id)
 499 {
 500         int vector, ms;
 501         int cpus;
 502
 503         /* calculate the vector */
 504         vector = (boot_address >> 12) & 0xff;
 505
 506         /* used as a watchpoint to signal AP startup */
 507         cpus = mp_naps;
 508
 509         ipi_startup(apic_id, vector);
 510
 511         /* Wait up to 5 seconds for it to start. */
 512         for (ms = 0; ms < 5000; ms++) {
 513                 if (mp_naps > cpus)
 514                         return 1;       /* return SUCCESS */
 515                 DELAY(1000);
 516         }
 517         return 0;               /* return FAILURE */
 518 }
 519
 520 /*
 521  * Flush the TLB on other CPU's
 522  */
 523
 524 /*
 525  * Invalidation request.  PCPU pc_smp_tlb_op uses u_int instead of the
 526  * enum to avoid both namespace and ABI issues (with enums).
 527  */
 528 enum invl_op_codes {
 529       INVL_OP_TLB               = 1,
 530       INVL_OP_TLB_INVPCID       = 2,
 531       INVL_OP_TLB_INVPCID_PTI   = 3,
 532       INVL_OP_TLB_PCID          = 4,
 533       INVL_OP_PGRNG             = 5,
 534       INVL_OP_PGRNG_INVPCID     = 6,
 535       INVL_OP_PGRNG_PCID        = 7,
 536       INVL_OP_PG                = 8,
 537       INVL_OP_PG_INVPCID        = 9,
 538       INVL_OP_PG_PCID           = 10,
 539       INVL_OP_CACHE             = 11,
 540 };
 541
 542 /*
 543  * These variables are initialized at startup to reflect how each of
 544  * the different kinds of invalidations should be performed on the
 545  * current machine and environment.
 546  */
 547 static enum invl_op_codes invl_op_tlb;
 548 static enum invl_op_codes invl_op_pgrng;
 549 static enum invl_op_codes invl_op_pg;
 550
 551 /*
 552  * Scoreboard of IPI completion notifications from target to IPI initiator.
 553  *
 554  * Each CPU can initiate shootdown IPI independently from other CPUs.
 555  * Initiator enters critical section, then fills its local PCPU
 556  * shootdown info (pc_smp_tlb_ vars), then clears scoreboard generation
 557  * at location (cpu, my_cpuid) for each target cpu.  After that IPI is
 558  * sent to all targets which scan for zeroed scoreboard generation
 559  * words.  Upon finding such word the shootdown data is read from
 560  * corresponding cpu's pcpu, and generation is set.  Meantime initiator
 561  * loops waiting for all zeroed generations in scoreboard to update.
 562  */
 563 static uint32_t *invl_scoreboard;
 564
 565 static void
 566 invl_scoreboard_init(void *arg __unused)
 567 {
 568         u_int i;
 569
 570         invl_scoreboard = malloc(sizeof(uint32_t) * (mp_maxid + 1) *
 571             (mp_maxid + 1), M_DEVBUF, M_WAITOK);
 572         for (i = 0; i < (mp_maxid + 1) * (mp_maxid + 1); i++)
 573                 invl_scoreboard[i] = 1;
 574
 575         if (pmap_pcid_enabled) {
 576                 if (invpcid_works) {
 577                         if (pti)
 578                                 invl_op_tlb = INVL_OP_TLB_INVPCID_PTI;
 579                         else
 580                                 invl_op_tlb = INVL_OP_TLB_INVPCID;
 581                         invl_op_pgrng = INVL_OP_PGRNG_INVPCID;
 582                         invl_op_pg = INVL_OP_PG_INVPCID;
 583                 } else {
 584                         invl_op_tlb = INVL_OP_TLB_PCID;
 585                         invl_op_pgrng = INVL_OP_PGRNG_PCID;
 586                         invl_op_pg = INVL_OP_PG_PCID;
 587                 }
 588         } else {
 589                 invl_op_tlb = INVL_OP_TLB;
 590                 invl_op_pgrng = INVL_OP_PGRNG;
 591                 invl_op_pg = INVL_OP_PG;
 592         }
 593 }
 594 SYSINIT(invl_ops, SI_SUB_SMP, SI_ORDER_FIRST, invl_scoreboard_init, NULL);
 595
 596 static uint32_t *
 597 invl_scoreboard_getcpu(u_int cpu)
 598 {
 599         return (invl_scoreboard + cpu * (mp_maxid + 1));
 600 }
 601
 602 static uint32_t *
 603 invl_scoreboard_slot(u_int cpu)
 604 {
 605         return (invl_scoreboard_getcpu(cpu) + PCPU_GET(cpuid));
 606 }
 607
 608 /*
 609  * Used by pmap to request cache or TLB invalidation on local and
 610  * remote processors.  Mask provides the set of remote CPUs which are
 611  * to be signalled with the invalidation IPI.  As an optimization, the
 612  * curcpu_cb callback is invoked on the calling CPU while waiting for
 613  * remote CPUs to complete the operation.
 614  *
 615  * The callback function is called unconditionally on the caller's
 616  * underlying processor, even when this processor is not set in the
 617  * mask.  So, the callback function must be prepared to handle such
 618  * spurious invocations.
 619  *
 620  * Interrupts must be enabled when calling the function with smp
 621  * started, to avoid deadlock with other IPIs that are protected with
 622  * smp_ipi_mtx spinlock at the initiator side.
 623  */
 624 static void
 625 smp_targeted_tlb_shootdown(cpuset_t mask, pmap_t pmap, vm_offset_t addr1,
 626     vm_offset_t addr2, smp_invl_cb_t curcpu_cb, enum invl_op_codes op)
 627 {
 628         cpuset_t other_cpus, mask1;
 629         uint32_t generation, *p_cpudone;
 630         int cpu;
 631
 632         /*
 633          * It is not necessary to signal other CPUs while booting or
 634          * when in the debugger.
 635          */
 636         if (kdb_active || KERNEL_PANICKED() || !smp_started) {
 637                 curcpu_cb(pmap, addr1, addr2);
 638                 return;
 639         }
 640
 641         sched_pin();
 642
 643         /*
 644          * Check for other cpus.  Return if none.
 645          */
 646         if (CPU_ISFULLSET(&mask)) {
 647                 if (mp_ncpus <= 1)
 648                         goto nospinexit;
 649         } else {
 650                 CPU_CLR(PCPU_GET(cpuid), &mask);
 651                 if (CPU_EMPTY(&mask))
 652                         goto nospinexit;
 653         }
 654
 655         /*
 656          * Initiator must have interrupts enabled, which prevents
 657          * non-invalidation IPIs that take smp_ipi_mtx spinlock,
 658          * from deadlocking with us.  On the other hand, preemption
 659          * must be disabled to pin initiator to the instance of the
 660          * pcpu pc_smp_tlb data and scoreboard line.
 661          */
 662         KASSERT((read_rflags() & PSL_I) != 0,
 663             ("smp_targeted_tlb_shootdown: interrupts disabled"));
 664         critical_enter();
 665
 666         PCPU_SET(smp_tlb_addr1, addr1);
 667         PCPU_SET(smp_tlb_addr2, addr2);
 668         PCPU_SET(smp_tlb_pmap, pmap);
 669         generation = PCPU_GET(smp_tlb_gen);
 670         if (++generation == 0)
 671                 generation = 1;
 672         PCPU_SET(smp_tlb_gen, generation);
 673         PCPU_SET(smp_tlb_op, op);
 674         /* Fence between filling smp_tlb fields and clearing scoreboard. */
 675         atomic_thread_fence_rel();
 676
 677         mask1 = mask;
 678         while ((cpu = CPU_FFS(&mask1)) != 0) {
 679                 cpu--;
 680                 CPU_CLR(cpu, &mask1);
 681                 KASSERT(*invl_scoreboard_slot(cpu) != 0,
 682                     ("IPI scoreboard is zero, initiator %d target %d",
 683                     PCPU_GET(cpuid), cpu));
 684                 *invl_scoreboard_slot(cpu) = 0;
 685         }
 686
 687         /*
 688          * IPI acts as a fence between writing to the scoreboard above
 689          * (zeroing slot) and reading from it below (wait for
 690          * acknowledgment).
 691          */
 692         if (CPU_ISFULLSET(&mask)) {
 693                 ipi_all_but_self(IPI_INVLOP);
 694                 other_cpus = all_cpus;
 695                 CPU_CLR(PCPU_GET(cpuid), &other_cpus);
 696         } else {
 697                 other_cpus = mask;
 698                 while ((cpu = CPU_FFS(&mask)) != 0) {
 699                         cpu--;
 700                         CPU_CLR(cpu, &mask);
 701                         CTR3(KTR_SMP, "%s: cpu: %d invl ipi op: %x", __func__,
 702                             cpu, op);
 703                         ipi_send_cpu(cpu, IPI_INVLOP);
 704                 }
 705         }
 706         curcpu_cb(pmap, addr1, addr2);
 707         while ((cpu = CPU_FFS(&other_cpus)) != 0) {
 708                 cpu--;
 709                 CPU_CLR(cpu, &other_cpus);
 710                 p_cpudone = invl_scoreboard_slot(cpu);
 711                 while (atomic_load_int(p_cpudone) != generation)
 712                         ia32_pause();
 713         }
 714         critical_exit();
 715         sched_unpin();
 716         return;
 717
 718 nospinexit:
 719         curcpu_cb(pmap, addr1, addr2);
 720         sched_unpin();
 721 }
 722
 723 void
 724 smp_masked_invltlb(cpuset_t mask, pmap_t pmap, smp_invl_cb_t curcpu_cb)
 725 {
 726         smp_targeted_tlb_shootdown(mask, pmap, 0, 0, curcpu_cb, invl_op_tlb);
 727 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 728         ipi_global++;
 729 #endif
 730 }
 731
 732 void
 733 smp_masked_invlpg(cpuset_t mask, vm_offset_t addr, pmap_t pmap,
 734     smp_invl_cb_t curcpu_cb)
 735 {
 736         smp_targeted_tlb_shootdown(mask, pmap, addr, 0, curcpu_cb, invl_op_pg);
 737 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 738         ipi_page++;
 739 #endif
 740 }
 741
 742 void
 743 smp_masked_invlpg_range(cpuset_t mask, vm_offset_t addr1, vm_offset_t addr2,
 744     pmap_t pmap, smp_invl_cb_t curcpu_cb)
 745 {
 746         smp_targeted_tlb_shootdown(mask, pmap, addr1, addr2, curcpu_cb,
 747             invl_op_pgrng);
 748 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 749         ipi_range++;
 750         ipi_range_size += (addr2 - addr1) / PAGE_SIZE;
 751 #endif
 752 }
 753
 754 void
 755 smp_cache_flush(smp_invl_cb_t curcpu_cb)
 756 {
 757         smp_targeted_tlb_shootdown(all_cpus, NULL, 0, 0, curcpu_cb,
 758             INVL_OP_CACHE);
 759 }
 760
 761 /*
 762  * Handlers for TLB related IPIs
 763  */
 764 static void
 765 invltlb_handler(pmap_t smp_tlb_pmap)
 766 {
 767 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 768         xhits_gbl[PCPU_GET(cpuid)]++;
 769 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 770 #ifdef COUNT_IPIS
 771         (*ipi_invltlb_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 772 #endif /* COUNT_IPIS */
 773
 774         if (smp_tlb_pmap == kernel_pmap)
 775                 invltlb_glob();
 776         else
 777                 invltlb();
 778 }
 779
 780 static void
 781 invltlb_invpcid_handler(pmap_t smp_tlb_pmap)
 782 {
 783         struct invpcid_descr d;
 784
 785 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 786         xhits_gbl[PCPU_GET(cpuid)]++;
 787 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 788 #ifdef COUNT_IPIS
 789         (*ipi_invltlb_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 790 #endif /* COUNT_IPIS */
 791
 792         d.pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid;
 793         d.pad = 0;
 794         d.addr = 0;
 795         invpcid(&d, smp_tlb_pmap == kernel_pmap ? INVPCID_CTXGLOB :
 796             INVPCID_CTX);
 797 }
 798
 799 static void
 800 invltlb_invpcid_pti_handler(pmap_t smp_tlb_pmap)
 801 {
 802         struct invpcid_descr d;
 803
 804 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 805         xhits_gbl[PCPU_GET(cpuid)]++;
 806 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 807 #ifdef COUNT_IPIS
 808         (*ipi_invltlb_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 809 #endif /* COUNT_IPIS */
 810
 811         d.pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid;
 812         d.pad = 0;
 813         d.addr = 0;
 814         if (smp_tlb_pmap == kernel_pmap) {
 815                 /*
 816                  * This invalidation actually needs to clear kernel
 817                  * mappings from the TLB in the current pmap, but
 818                  * since we were asked for the flush in the kernel
 819                  * pmap, achieve it by performing global flush.
 820                  */
 821                 invpcid(&d, INVPCID_CTXGLOB);
 822         } else {
 823                 invpcid(&d, INVPCID_CTX);
 824                 d.pcid |= PMAP_PCID_USER_PT;
 825                 invpcid(&d, INVPCID_CTX);
 826         }
 827 }
 828
 829 static void
 830 invltlb_pcid_handler(pmap_t smp_tlb_pmap)
 831 {
 832         uint64_t kcr3, ucr3;
 833         uint32_t pcid;
 834
 835 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 836         xhits_gbl[PCPU_GET(cpuid)]++;
 837 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 838 #ifdef COUNT_IPIS
 839         (*ipi_invltlb_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 840 #endif /* COUNT_IPIS */
 841
 842         if (smp_tlb_pmap == kernel_pmap) {
 843                 invltlb_glob();
 844         } else {
 845                 /*
 846                  * The current pmap might not be equal to
 847                  * smp_tlb_pmap.  The clearing of the pm_gen in
 848                  * pmap_invalidate_all() takes care of TLB
 849                  * invalidation when switching to the pmap on this
 850                  * CPU.
 851                  */
 852                 if (PCPU_GET(curpmap) == smp_tlb_pmap) {
 853                         pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid;
 854                         kcr3 = smp_tlb_pmap->pm_cr3 | pcid;
 855                         ucr3 = smp_tlb_pmap->pm_ucr3;
 856                         if (ucr3 != PMAP_NO_CR3) {
 857                                 ucr3 |= PMAP_PCID_USER_PT | pcid;
 858                                 pmap_pti_pcid_invalidate(ucr3, kcr3);
 859                         } else
 860                                 load_cr3(kcr3);
 861                 }
 862         }
 863 }
 864
 865 static void
 866 invlpg_handler(vm_offset_t smp_tlb_addr1)
 867 {
 868 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 869         xhits_pg[PCPU_GET(cpuid)]++;
 870 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 871 #ifdef COUNT_IPIS
 872         (*ipi_invlpg_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 873 #endif /* COUNT_IPIS */
 874
 875         invlpg(smp_tlb_addr1);
 876 }
 877
 878 static void
 879 invlpg_invpcid_handler(pmap_t smp_tlb_pmap, vm_offset_t smp_tlb_addr1)
 880 {
 881         struct invpcid_descr d;
 882
 883 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 884         xhits_pg[PCPU_GET(cpuid)]++;
 885 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 886 #ifdef COUNT_IPIS
 887         (*ipi_invlpg_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 888 #endif /* COUNT_IPIS */
 889
 890         invlpg(smp_tlb_addr1);
 891         if (smp_tlb_pmap->pm_ucr3 != PMAP_NO_CR3) {
 892                 d.pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid |
 893                     PMAP_PCID_USER_PT;
 894                 d.pad = 0;
 895                 d.addr = smp_tlb_addr1;
 896                 invpcid(&d, INVPCID_ADDR);
 897         }
 898 }
 899
 900 static void
 901 invlpg_pcid_handler(pmap_t smp_tlb_pmap, vm_offset_t smp_tlb_addr1)
 902 {
 903         uint64_t kcr3, ucr3;
 904         uint32_t pcid;
 905
 906 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 907         xhits_pg[PCPU_GET(cpuid)]++;
 908 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 909 #ifdef COUNT_IPIS
 910         (*ipi_invlpg_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 911 #endif /* COUNT_IPIS */
 912
 913         invlpg(smp_tlb_addr1);
 914         if (smp_tlb_pmap == PCPU_GET(curpmap) &&
 915             (ucr3 = smp_tlb_pmap->pm_ucr3) != PMAP_NO_CR3) {
 916                 pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid;
 917                 kcr3 = smp_tlb_pmap->pm_cr3 | pcid | CR3_PCID_SAVE;
 918                 ucr3 |= pcid | PMAP_PCID_USER_PT | CR3_PCID_SAVE;
 919                 pmap_pti_pcid_invlpg(ucr3, kcr3, smp_tlb_addr1);
 920         }
 921 }
 922
 923 static void
 924 invlrng_handler(vm_offset_t smp_tlb_addr1, vm_offset_t smp_tlb_addr2)
 925 {
 926         vm_offset_t addr, addr2;
 927
 928 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 929         xhits_rng[PCPU_GET(cpuid)]++;
 930 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 931 #ifdef COUNT_IPIS
 932         (*ipi_invlrng_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 933 #endif /* COUNT_IPIS */
 934
 935         addr = smp_tlb_addr1;
 936         addr2 = smp_tlb_addr2;
 937         do {
 938                 invlpg(addr);
 939                 addr += PAGE_SIZE;
 940         } while (addr < addr2);
 941 }
 942
 943 static void
 944 invlrng_invpcid_handler(pmap_t smp_tlb_pmap, vm_offset_t smp_tlb_addr1,
 945     vm_offset_t smp_tlb_addr2)
 946 {
 947         struct invpcid_descr d;
 948         vm_offset_t addr, addr2;
 949
 950 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 951         xhits_rng[PCPU_GET(cpuid)]++;
 952 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 953 #ifdef COUNT_IPIS
 954         (*ipi_invlrng_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 955 #endif /* COUNT_IPIS */
 956
 957         addr = smp_tlb_addr1;
 958         addr2 = smp_tlb_addr2;
 959         do {
 960                 invlpg(addr);
 961                 addr += PAGE_SIZE;
 962         } while (addr < addr2);
 963         if (smp_tlb_pmap->pm_ucr3 != PMAP_NO_CR3) {
 964                 d.pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid |
 965                     PMAP_PCID_USER_PT;
 966                 d.pad = 0;
 967                 d.addr = smp_tlb_addr1;
 968                 do {
 969                         invpcid(&d, INVPCID_ADDR);
 970                         d.addr += PAGE_SIZE;
 971                 } while (d.addr < addr2);
 972         }
 973 }
 974
 975 static void
 976 invlrng_pcid_handler(pmap_t smp_tlb_pmap, vm_offset_t smp_tlb_addr1,
 977     vm_offset_t smp_tlb_addr2)
 978 {
 979         vm_offset_t addr, addr2;
 980         uint64_t kcr3, ucr3;
 981         uint32_t pcid;
 982
 983 #ifdef COUNT_XINVLTLB_HITS
 984         xhits_rng[PCPU_GET(cpuid)]++;
 985 #endif /* COUNT_XINVLTLB_HITS */
 986 #ifdef COUNT_IPIS
 987         (*ipi_invlrng_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
 988 #endif /* COUNT_IPIS */
 989
 990         addr = smp_tlb_addr1;
 991         addr2 = smp_tlb_addr2;
 992         do {
 993                 invlpg(addr);
 994                 addr += PAGE_SIZE;
 995         } while (addr < addr2);
 996         if (smp_tlb_pmap == PCPU_GET(curpmap) &&
 997             (ucr3 = smp_tlb_pmap->pm_ucr3) != PMAP_NO_CR3) {
 998                 pcid = smp_tlb_pmap->pm_pcids[PCPU_GET(cpuid)].pm_pcid;
 999                 kcr3 = smp_tlb_pmap->pm_cr3 | pcid | CR3_PCID_SAVE;
1000                 ucr3 |= pcid | PMAP_PCID_USER_PT | CR3_PCID_SAVE;
1001                 pmap_pti_pcid_invlrng(ucr3, kcr3, smp_tlb_addr1, addr2);
1002         }
1003 }
1004
1005 static void
1006 invlcache_handler(void)
1007 {
1008 #ifdef COUNT_IPIS
1009         (*ipi_invlcache_counts[PCPU_GET(cpuid)])++;
1010 #endif /* COUNT_IPIS */
1011         wbinvd();
1012 }
1013
1014 static void
1015 invlop_handler_one_req(enum invl_op_codes smp_tlb_op, pmap_t smp_tlb_pmap,
1016     vm_offset_t smp_tlb_addr1, vm_offset_t smp_tlb_addr2)
1017 {
1018         switch (smp_tlb_op) {
1019         case INVL_OP_TLB:
1020                 invltlb_handler(smp_tlb_pmap);
1021                 break;
1022         case INVL_OP_TLB_INVPCID:
1023                 invltlb_invpcid_handler(smp_tlb_pmap);
1024                 break;
1025         case INVL_OP_TLB_INVPCID_PTI:
1026                 invltlb_invpcid_pti_handler(smp_tlb_pmap);
1027                 break;
1028         case INVL_OP_TLB_PCID:
1029                 invltlb_pcid_handler(smp_tlb_pmap);
1030                 break;
1031         case INVL_OP_PGRNG:
1032                 invlrng_handler(smp_tlb_addr1, smp_tlb_addr2);
1033                 break;
1034         case INVL_OP_PGRNG_INVPCID:
1035                 invlrng_invpcid_handler(smp_tlb_pmap, smp_tlb_addr1,
1036                     smp_tlb_addr2);
1037                 break;
1038         case INVL_OP_PGRNG_PCID:
1039                 invlrng_pcid_handler(smp_tlb_pmap, smp_tlb_addr1,
1040                     smp_tlb_addr2);
1041                 break;
1042         case INVL_OP_PG:
1043                 invlpg_handler(smp_tlb_addr1);
1044                 break;
1045         case INVL_OP_PG_INVPCID:
1046                 invlpg_invpcid_handler(smp_tlb_pmap, smp_tlb_addr1);
1047                 break;
1048         case INVL_OP_PG_PCID:
1049                 invlpg_pcid_handler(smp_tlb_pmap, smp_tlb_addr1);
1050                 break;
1051         case INVL_OP_CACHE:
1052                 invlcache_handler();
1053                 break;
1054         default:
1055                 __assert_unreachable();
1056                 break;
1057         }
1058 }
1059
1060 void
1061 invlop_handler(void)
1062 {
1063         struct pcpu *initiator_pc;
1064         pmap_t smp_tlb_pmap;
1065         vm_offset_t smp_tlb_addr1, smp_tlb_addr2;
1066         u_int initiator_cpu_id;
1067         enum invl_op_codes smp_tlb_op;
1068         uint32_t *scoreboard, smp_tlb_gen;
1069
1070         scoreboard = invl_scoreboard_getcpu(PCPU_GET(cpuid));
1071         for (;;) {
1072                 for (initiator_cpu_id = 0; initiator_cpu_id <= mp_maxid;
1073                     initiator_cpu_id++) {
1074                         if (scoreboard[initiator_cpu_id] == 0)
1075                                 break;
1076                 }
1077                 if (initiator_cpu_id > mp_maxid)
1078                         break;
1079                 initiator_pc = cpuid_to_pcpu[initiator_cpu_id];
1080
1081                 /*
1082                  * This acquire fence and its corresponding release
1083                  * fence in smp_targeted_tlb_shootdown() is between
1084                  * reading zero scoreboard slot and accessing PCPU of
1085                  * initiator for pc_smp_tlb values.
1086                  */
1087                 atomic_thread_fence_acq();
1088                 smp_tlb_pmap = initiator_pc->pc_smp_tlb_pmap;
1089                 smp_tlb_addr1 = initiator_pc->pc_smp_tlb_addr1;
1090                 smp_tlb_addr2 = initiator_pc->pc_smp_tlb_addr2;
1091                 smp_tlb_op = initiator_pc->pc_smp_tlb_op;
1092                 smp_tlb_gen = initiator_pc->pc_smp_tlb_gen;
1093
1094                 /*
1095                  * Ensure that we do not make our scoreboard
1096                  * notification visible to the initiator until the
1097                  * pc_smp_tlb values are read.  The corresponding
1098                  * fence is implicitly provided by the barrier in the
1099                  * IPI send operation before the APIC ICR register
1100                  * write.
1101                  *
1102                  * As an optimization, the request is acknowledged
1103                  * before the actual invalidation is performed.  It is
1104                  * safe because target CPU cannot return to userspace
1105                  * before handler finishes. Only NMI can preempt the
1106                  * handler, but NMI would see the kernel handler frame
1107                  * and not touch not-invalidated user page table.
1108                  */
1109                 atomic_thread_fence_acq();
1110                 atomic_store_int(&scoreboard[initiator_cpu_id], smp_tlb_gen);
1111
1112                 invlop_handler_one_req(smp_tlb_op, smp_tlb_pmap, smp_tlb_addr1,
1113                     smp_tlb_addr2);
1114         }
1115 }