sys/i386/i386/mp_machdep.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (c) 1996, by Steve Passe
   5  * All rights reserved.
   6  *
   7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   8  * modification, are permitted provided that the following conditions
   9  * are met:
  10  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  12  * 2. The name of the developer may NOT be used to endorse or promote products
  13  *    derived from this software without specific prior written permission.
  14  *
  15  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  16  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  17  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  18  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  19  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  20  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  21  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  22  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  23  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  24  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  25  * SUCH DAMAGE.
  26  */
  27
  28 #include <sys/cdefs.h>
  29 __FBSDID("$FreeBSD$");
  30
  31 #include "opt_apic.h"
  32 #include "opt_cpu.h"
  33 #include "opt_kstack_pages.h"
  34 #include "opt_pmap.h"
  35 #include "opt_sched.h"
  36 #include "opt_smp.h"
  37
  38 #if !defined(lint)
  39 #if !defined(SMP)
  40 #error How did you get here?
  41 #endif
  42
  43 #ifndef DEV_APIC
  44 #error The apic device is required for SMP, add "device apic" to your config file.
  45 #endif
  46 #endif /* not lint */
  47
  48 #include <sys/param.h>
  49 #include <sys/systm.h>
  50 #include <sys/bus.h>
  51 #include <sys/cons.h>   /* cngetc() */
  52 #include <sys/cpuset.h>
  53 #ifdef GPROF
  54 #include <sys/gmon.h>
  55 #endif
  56 #include <sys/kernel.h>
  57 #include <sys/ktr.h>
  58 #include <sys/lock.h>
  59 #include <sys/malloc.h>
  60 #include <sys/memrange.h>
  61 #include <sys/mutex.h>
  62 #include <sys/pcpu.h>
  63 #include <sys/proc.h>
  64 #include <sys/sched.h>
  65 #include <sys/smp.h>
  66 #include <sys/sysctl.h>
  67
  68 #include <vm/vm.h>
  69 #include <vm/vm_param.h>
  70 #include <vm/pmap.h>
  71 #include <vm/vm_kern.h>
  72 #include <vm/vm_extern.h>
  73
  74 #include <x86/apicreg.h>
  75 #include <machine/clock.h>
  76 #include <machine/cputypes.h>
  77 #include <x86/mca.h>
  78 #include <machine/md_var.h>
  79 #include <machine/pcb.h>
  80 #include <machine/psl.h>
  81 #include <machine/smp.h>
  82 #include <machine/specialreg.h>
  83 #include <machine/cpu.h>
  84
  85 #define WARMBOOT_TARGET         0
  86 #define WARMBOOT_OFF            (KERNBASE + 0x0467)
  87 #define WARMBOOT_SEG            (KERNBASE + 0x0469)
  88
  89 #define CMOS_REG                (0x70)
  90 #define CMOS_DATA               (0x71)
  91 #define BIOS_RESET              (0x0f)
  92 #define BIOS_WARM               (0x0a)
  93
  94 /*
  95  * this code MUST be enabled here and in mpboot.s.
  96  * it follows the very early stages of AP boot by placing values in CMOS ram.
  97  * it NORMALLY will never be needed and thus the primitive method for enabling.
  98  *
  99 #define CHECK_POINTS
 100  */
 101
 102 #if defined(CHECK_POINTS)
 103 #define CHECK_READ(A)    (outb(CMOS_REG, (A)), inb(CMOS_DATA))
 104 #define CHECK_WRITE(A,D) (outb(CMOS_REG, (A)), outb(CMOS_DATA, (D)))
 105
 106 #define CHECK_INIT(D);                          \
 107         CHECK_WRITE(0x34, (D));                 \
 108         CHECK_WRITE(0x35, (D));                 \
 109         CHECK_WRITE(0x36, (D));                 \
 110         CHECK_WRITE(0x37, (D));                 \
 111         CHECK_WRITE(0x38, (D));                 \
 112         CHECK_WRITE(0x39, (D));
 113
 114 #define CHECK_PRINT(S);                         \
 115         printf("%s: %d, %d, %d, %d, %d, %d\n",  \
 116            (S),                                 \
 117            CHECK_READ(0x34),                    \
 118            CHECK_READ(0x35),                    \
 119            CHECK_READ(0x36),                    \
 120            CHECK_READ(0x37),                    \
 121            CHECK_READ(0x38),                    \
 122            CHECK_READ(0x39));
 123
 124 #else                           /* CHECK_POINTS */
 125
 126 #define CHECK_INIT(D)
 127 #define CHECK_PRINT(S)
 128 #define CHECK_WRITE(A, D)
 129
 130 #endif                          /* CHECK_POINTS */
 131
 132 extern  struct pcpu __pcpu[];
 133
 134 /*
 135  * Local data and functions.
 136  */
 137
 138 static void     install_ap_tramp(void);
 139 static int      start_all_aps(void);
 140 static int      start_ap(int apic_id);
 141
 142 static u_int    boot_address;
 143
 144 /*
 145  * Calculate usable address in base memory for AP trampoline code.
 146  */
 147 u_int
 148 mp_bootaddress(u_int basemem)
 149 {
 150
 151         boot_address = trunc_page(basemem);     /* round down to 4k boundary */
 152         if ((basemem - boot_address) < bootMP_size)
 153                 boot_address -= PAGE_SIZE;      /* not enough, lower by 4k */
 154
 155         return boot_address;
 156 }
 157
 158 /*
 159  * Initialize the IPI handlers and start up the AP's.
 160  */
 161 void
 162 cpu_mp_start(void)
 163 {
 164         int i;
 165
 166         /* Initialize the logical ID to APIC ID table. */
 167         for (i = 0; i < MAXCPU; i++) {
 168                 cpu_apic_ids[i] = -1;
 169                 cpu_ipi_pending[i] = 0;
 170         }
 171
 172         /* Install an inter-CPU IPI for TLB invalidation */
 173         setidt(IPI_INVLTLB, IDTVEC(invltlb),
 174                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 175         setidt(IPI_INVLPG, IDTVEC(invlpg),
 176                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 177         setidt(IPI_INVLRNG, IDTVEC(invlrng),
 178                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 179
 180         /* Install an inter-CPU IPI for cache invalidation. */
 181         setidt(IPI_INVLCACHE, IDTVEC(invlcache),
 182                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 183
 184         /* Install an inter-CPU IPI for all-CPU rendezvous */
 185         setidt(IPI_RENDEZVOUS, IDTVEC(rendezvous),
 186                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 187
 188         /* Install generic inter-CPU IPI handler */
 189         setidt(IPI_BITMAP_VECTOR, IDTVEC(ipi_intr_bitmap_handler),
 190                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 191
 192         /* Install an inter-CPU IPI for CPU stop/restart */
 193         setidt(IPI_STOP, IDTVEC(cpustop),
 194                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 195
 196         /* Install an inter-CPU IPI for CPU suspend/resume */
 197         setidt(IPI_SUSPEND, IDTVEC(cpususpend),
 198                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 199
 200         /* Set boot_cpu_id if needed. */
 201         if (boot_cpu_id == -1) {
 202                 boot_cpu_id = PCPU_GET(apic_id);
 203                 cpu_info[boot_cpu_id].cpu_bsp = 1;
 204         } else
 205                 KASSERT(boot_cpu_id == PCPU_GET(apic_id),
 206                     ("BSP's APIC ID doesn't match boot_cpu_id"));
 207
 208         /* Probe logical/physical core configuration. */
 209         topo_probe();
 210
 211         assign_cpu_ids();
 212
 213         /* Start each Application Processor */
 214         start_all_aps();
 215
 216         set_interrupt_apic_ids();
 217 }
 218
 219 /*
 220  * AP CPU's call this to initialize themselves.
 221  */
 222 void
 223 init_secondary(void)
 224 {
 225         struct pcpu *pc;
 226         vm_offset_t addr;
 227         int     gsel_tss;
 228         int     x, myid;
 229         u_int   cr0;
 230
 231         /* bootAP is set in start_ap() to our ID. */
 232         myid = bootAP;
 233
 234         /* Get per-cpu data */
 235         pc = &__pcpu[myid];
 236
 237         /* prime data page for it to use */
 238         pcpu_init(pc, myid, sizeof(struct pcpu));
 239         dpcpu_init(dpcpu, myid);
 240         pc->pc_apic_id = cpu_apic_ids[myid];
 241         pc->pc_prvspace = pc;
 242         pc->pc_curthread = 0;
 243
 244         fix_cpuid();
 245
 246         gdt_segs[GPRIV_SEL].ssd_base = (int) pc;
 247         gdt_segs[GPROC0_SEL].ssd_base = (int) &pc->pc_common_tss;
 248
 249         for (x = 0; x < NGDT; x++) {
 250                 ssdtosd(&gdt_segs[x], &gdt[myid * NGDT + x].sd);
 251         }
 252
 253         r_gdt.rd_limit = NGDT * sizeof(gdt[0]) - 1;
 254         r_gdt.rd_base = (int) &gdt[myid * NGDT];
 255         lgdt(&r_gdt);                   /* does magic intra-segment return */
 256
 257         lidt(&r_idt);
 258
 259         lldt(_default_ldt);
 260         PCPU_SET(currentldt, _default_ldt);
 261
 262         gsel_tss = GSEL(GPROC0_SEL, SEL_KPL);
 263         gdt[myid * NGDT + GPROC0_SEL].sd.sd_type = SDT_SYS386TSS;
 264         PCPU_SET(common_tss.tss_esp0, 0); /* not used until after switch */
 265         PCPU_SET(common_tss.tss_ss0, GSEL(GDATA_SEL, SEL_KPL));
 266         PCPU_SET(common_tss.tss_ioopt, (sizeof (struct i386tss)) << 16);
 267         PCPU_SET(tss_gdt, &gdt[myid * NGDT + GPROC0_SEL].sd);
 268         PCPU_SET(common_tssd, *PCPU_GET(tss_gdt));
 269         ltr(gsel_tss);
 270
 271         PCPU_SET(fsgs_gdt, &gdt[myid * NGDT + GUFS_SEL].sd);
 272
 273         /*
 274          * Set to a known state:
 275          * Set by mpboot.s: CR0_PG, CR0_PE
 276          * Set by cpu_setregs: CR0_NE, CR0_MP, CR0_TS, CR0_WP, CR0_AM
 277          */
 278         cr0 = rcr0();
 279         cr0 &= ~(CR0_CD | CR0_NW | CR0_EM);
 280         load_cr0(cr0);
 281         CHECK_WRITE(0x38, 5);
 282
 283         /* signal our startup to the BSP. */
 284         mp_naps++;
 285         CHECK_WRITE(0x39, 6);
 286
 287         /* Spin until the BSP releases the AP's. */
 288         while (atomic_load_acq_int(&aps_ready) == 0)
 289                 ia32_pause();
 290
 291         /* BSP may have changed PTD while we were waiting */
 292         invltlb();
 293         for (addr = 0; addr < NKPT * NBPDR - 1; addr += PAGE_SIZE)
 294                 invlpg(addr);
 295
 296 #if defined(I586_CPU) && !defined(NO_F00F_HACK)
 297         lidt(&r_idt);
 298 #endif
 299
 300         init_secondary_tail();
 301 }
 302
 303 /*
 304  * start each AP in our list
 305  */
 306 /* Lowest 1MB is already mapped: don't touch*/
 307 #define TMPMAP_START 1
 308 static int
 309 start_all_aps(void)
 310 {
 311         u_char mpbiosreason;
 312         u_int32_t mpbioswarmvec;
 313         int apic_id, cpu, i;
 314
 315         mtx_init(&ap_boot_mtx, "ap boot", NULL, MTX_SPIN);
 316
 317         /* install the AP 1st level boot code */
 318         install_ap_tramp();
 319
 320         /* save the current value of the warm-start vector */
 321         mpbioswarmvec = *((u_int32_t *) WARMBOOT_OFF);
 322         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 323         mpbiosreason = inb(CMOS_DATA);
 324
 325         /* set up temporary P==V mapping for AP boot */
 326         /* XXX this is a hack, we should boot the AP on its own stack/PTD */
 327         for (i = TMPMAP_START; i < NKPT; i++)
 328                 PTD[i] = PTD[KPTDI + i];
 329         invltlb();
 330
 331         /* start each AP */
 332         for (cpu = 1; cpu < mp_ncpus; cpu++) {
 333                 apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 334
 335                 /* allocate and set up a boot stack data page */
 336                 bootstacks[cpu] =
 337                     (char *)kmem_malloc(kernel_arena, kstack_pages * PAGE_SIZE,
 338                     M_WAITOK | M_ZERO);
 339                 dpcpu = (void *)kmem_malloc(kernel_arena, DPCPU_SIZE,
 340                     M_WAITOK | M_ZERO);
 341                 /* setup a vector to our boot code */
 342                 *((volatile u_short *) WARMBOOT_OFF) = WARMBOOT_TARGET;
 343                 *((volatile u_short *) WARMBOOT_SEG) = (boot_address >> 4);
 344                 outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 345                 outb(CMOS_DATA, BIOS_WARM);     /* 'warm-start' */
 346
 347                 bootSTK = (char *)bootstacks[cpu] + kstack_pages *
 348                     PAGE_SIZE - 4;
 349                 bootAP = cpu;
 350
 351                 /* attempt to start the Application Processor */
 352                 CHECK_INIT(99); /* setup checkpoints */
 353                 if (!start_ap(apic_id)) {
 354                         printf("AP #%d (PHY# %d) failed!\n", cpu, apic_id);
 355                         CHECK_PRINT("trace");   /* show checkpoints */
 356                         /* better panic as the AP may be running loose */
 357                         printf("panic y/n? [y] ");
 358                         if (cngetc() != 'n')
 359                                 panic("bye-bye");
 360                 }
 361                 CHECK_PRINT("trace");           /* show checkpoints */
 362
 363                 CPU_SET(cpu, &all_cpus);        /* record AP in CPU map */
 364         }
 365
 366         /* restore the warmstart vector */
 367         *(u_int32_t *) WARMBOOT_OFF = mpbioswarmvec;
 368
 369         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 370         outb(CMOS_DATA, mpbiosreason);
 371
 372         /* Undo V==P hack from above */
 373         for (i = TMPMAP_START; i < NKPT; i++)
 374                 PTD[i] = 0;
 375         pmap_invalidate_range(kernel_pmap, 0, NKPT * NBPDR - 1);
 376
 377         /* number of APs actually started */
 378         return mp_naps;
 379 }
 380
 381 /*
 382  * load the 1st level AP boot code into base memory.
 383  */
 384
 385 /* targets for relocation */
 386 extern void bigJump(void);
 387 extern void bootCodeSeg(void);
 388 extern void bootDataSeg(void);
 389 extern void MPentry(void);
 390 extern u_int MP_GDT;
 391 extern u_int mp_gdtbase;
 392
 393 static void
 394 install_ap_tramp(void)
 395 {
 396         int     x;
 397         int     size = *(int *) ((u_long) & bootMP_size);
 398         vm_offset_t va = boot_address + KERNBASE;
 399         u_char *src = (u_char *) ((u_long) bootMP);
 400         u_char *dst = (u_char *) va;
 401         u_int   boot_base = (u_int) bootMP;
 402         u_int8_t *dst8;
 403         u_int16_t *dst16;
 404         u_int32_t *dst32;
 405
 406         KASSERT (size <= PAGE_SIZE,
 407             ("'size' do not fit into PAGE_SIZE, as expected."));
 408         pmap_kenter(va, boot_address);
 409         pmap_invalidate_page (kernel_pmap, va);
 410         for (x = 0; x < size; ++x)
 411                 *dst++ = *src++;
 412
 413         /*
 414          * modify addresses in code we just moved to basemem. unfortunately we
 415          * need fairly detailed info about mpboot.s for this to work.  changes
 416          * to mpboot.s might require changes here.
 417          */
 418
 419         /* boot code is located in KERNEL space */
 420         dst = (u_char *) va;
 421
 422         /* modify the lgdt arg */
 423         dst32 = (u_int32_t *) (dst + ((u_int) & mp_gdtbase - boot_base));
 424         *dst32 = boot_address + ((u_int) & MP_GDT - boot_base);
 425
 426         /* modify the ljmp target for MPentry() */
 427         dst32 = (u_int32_t *) (dst + ((u_int) bigJump - boot_base) + 1);
 428         *dst32 = ((u_int) MPentry - KERNBASE);
 429
 430         /* modify the target for boot code segment */
 431         dst16 = (u_int16_t *) (dst + ((u_int) bootCodeSeg - boot_base));
 432         dst8 = (u_int8_t *) (dst16 + 1);
 433         *dst16 = (u_int) boot_address & 0xffff;
 434         *dst8 = ((u_int) boot_address >> 16) & 0xff;
 435
 436         /* modify the target for boot data segment */
 437         dst16 = (u_int16_t *) (dst + ((u_int) bootDataSeg - boot_base));
 438         dst8 = (u_int8_t *) (dst16 + 1);
 439         *dst16 = (u_int) boot_address & 0xffff;
 440         *dst8 = ((u_int) boot_address >> 16) & 0xff;
 441 }
 442
 443 /*
 444  * This function starts the AP (application processor) identified
 445  * by the APIC ID 'physicalCpu'.  It does quite a "song and dance"
 446  * to accomplish this.  This is necessary because of the nuances
 447  * of the different hardware we might encounter.  It isn't pretty,
 448  * but it seems to work.
 449  */
 450 static int
 451 start_ap(int apic_id)
 452 {
 453         int vector, ms;
 454         int cpus;
 455
 456         /* calculate the vector */
 457         vector = (boot_address >> 12) & 0xff;
 458
 459         /* used as a watchpoint to signal AP startup */
 460         cpus = mp_naps;
 461
 462         ipi_startup(apic_id, vector);
 463
 464         /* Wait up to 5 seconds for it to start. */
 465         for (ms = 0; ms < 5000; ms++) {
 466                 if (mp_naps > cpus)
 467                         return 1;       /* return SUCCESS */
 468                 DELAY(1000);
 469         }
 470         return 0;               /* return FAILURE */
 471 }