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/cpu.h>
  77 #include <machine/cputypes.h>
  78 #include <x86/mca.h>
  79 #include <machine/md_var.h>
  80 #include <machine/pcb.h>
  81 #include <machine/psl.h>
  82 #include <machine/smp.h>
  83 #include <machine/specialreg.h>
  84 #include <x86/ucode.h>
  85
  86 #define WARMBOOT_TARGET         0
  87 #define WARMBOOT_OFF            (PMAP_MAP_LOW + 0x0467)
  88 #define WARMBOOT_SEG            (PMAP_MAP_LOW + 0x0469)
  89
  90 #define CMOS_REG                (0x70)
  91 #define CMOS_DATA               (0x71)
  92 #define BIOS_RESET              (0x0f)
  93 #define BIOS_WARM               (0x0a)
  94
  95 /*
  96  * this code MUST be enabled here and in mpboot.s.
  97  * it follows the very early stages of AP boot by placing values in CMOS ram.
  98  * it NORMALLY will never be needed and thus the primitive method for enabling.
  99  *
 100 #define CHECK_POINTS
 101  */
 102
 103 #if defined(CHECK_POINTS)
 104 #define CHECK_READ(A)    (outb(CMOS_REG, (A)), inb(CMOS_DATA))
 105 #define CHECK_WRITE(A,D) (outb(CMOS_REG, (A)), outb(CMOS_DATA, (D)))
 106
 107 #define CHECK_INIT(D);                          \
 108         CHECK_WRITE(0x34, (D));                 \
 109         CHECK_WRITE(0x35, (D));                 \
 110         CHECK_WRITE(0x36, (D));                 \
 111         CHECK_WRITE(0x37, (D));                 \
 112         CHECK_WRITE(0x38, (D));                 \
 113         CHECK_WRITE(0x39, (D));
 114
 115 #define CHECK_PRINT(S);                         \
 116         printf("%s: %d, %d, %d, %d, %d, %d\n",  \
 117            (S),                                 \
 118            CHECK_READ(0x34),                    \
 119            CHECK_READ(0x35),                    \
 120            CHECK_READ(0x36),                    \
 121            CHECK_READ(0x37),                    \
 122            CHECK_READ(0x38),                    \
 123            CHECK_READ(0x39));
 124
 125 #else                           /* CHECK_POINTS */
 126
 127 #define CHECK_INIT(D)
 128 #define CHECK_PRINT(S)
 129 #define CHECK_WRITE(A, D)
 130
 131 #endif                          /* CHECK_POINTS */
 132
 133 extern  struct pcpu __pcpu[];
 134
 135 /*
 136  * Local data and functions.
 137  */
 138
 139 static void     install_ap_tramp(void);
 140 static int      start_all_aps(void);
 141 static int      start_ap(int apic_id);
 142
 143 static char *ap_copyout_buf;
 144 static char *ap_tramp_stack_base;
 145 /*
 146  * Initialize the IPI handlers and start up the AP's.
 147  */
 148 void
 149 cpu_mp_start(void)
 150 {
 151         int i;
 152
 153         /* Initialize the logical ID to APIC ID table. */
 154         for (i = 0; i < MAXCPU; i++) {
 155                 cpu_apic_ids[i] = -1;
 156                 cpu_ipi_pending[i] = 0;
 157         }
 158
 159         /* Install an inter-CPU IPI for TLB invalidation */
 160         setidt(IPI_INVLTLB, IDTVEC(invltlb),
 161                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 162         setidt(IPI_INVLPG, IDTVEC(invlpg),
 163                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 164         setidt(IPI_INVLRNG, IDTVEC(invlrng),
 165                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 166
 167         /* Install an inter-CPU IPI for cache invalidation. */
 168         setidt(IPI_INVLCACHE, IDTVEC(invlcache),
 169                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 170
 171         /* Install an inter-CPU IPI for all-CPU rendezvous */
 172         setidt(IPI_RENDEZVOUS, IDTVEC(rendezvous),
 173                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 174
 175         /* Install generic inter-CPU IPI handler */
 176         setidt(IPI_BITMAP_VECTOR, IDTVEC(ipi_intr_bitmap_handler),
 177                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 178
 179         /* Install an inter-CPU IPI for CPU stop/restart */
 180         setidt(IPI_STOP, IDTVEC(cpustop),
 181                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 182
 183         /* Install an inter-CPU IPI for CPU suspend/resume */
 184         setidt(IPI_SUSPEND, IDTVEC(cpususpend),
 185                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 186
 187         /* Set boot_cpu_id if needed. */
 188         if (boot_cpu_id == -1) {
 189                 boot_cpu_id = PCPU_GET(apic_id);
 190                 cpu_info[boot_cpu_id].cpu_bsp = 1;
 191         } else
 192                 KASSERT(boot_cpu_id == PCPU_GET(apic_id),
 193                     ("BSP's APIC ID doesn't match boot_cpu_id"));
 194
 195         /* Probe logical/physical core configuration. */
 196         topo_probe();
 197
 198         assign_cpu_ids();
 199
 200         /* Start each Application Processor */
 201         start_all_aps();
 202
 203         set_interrupt_apic_ids();
 204 }
 205
 206 /*
 207  * AP CPU's call this to initialize themselves.
 208  */
 209 void
 210 init_secondary(void)
 211 {
 212         struct pcpu *pc;
 213         struct i386tss *common_tssp;
 214         struct region_descriptor r_gdt, r_idt;
 215         int gsel_tss, myid, x;
 216         u_int cr0;
 217
 218         /* bootAP is set in start_ap() to our ID. */
 219         myid = bootAP;
 220
 221         /* Update microcode before doing anything else. */
 222         ucode_load_ap(myid);
 223
 224         /* Get per-cpu data */
 225         pc = &__pcpu[myid];
 226
 227         /* prime data page for it to use */
 228         pcpu_init(pc, myid, sizeof(struct pcpu));
 229         dpcpu_init(dpcpu, myid);
 230         pc->pc_apic_id = cpu_apic_ids[myid];
 231         pc->pc_prvspace = pc;
 232         pc->pc_curthread = 0;
 233         pc->pc_common_tssp = common_tssp = &(__pcpu[0].pc_common_tssp)[myid];
 234
 235         fix_cpuid();
 236
 237         gdt_segs[GPRIV_SEL].ssd_base = (int)pc;
 238         gdt_segs[GPROC0_SEL].ssd_base = (int)common_tssp;
 239         gdt_segs[GLDT_SEL].ssd_base = (int)ldt;
 240
 241         for (x = 0; x < NGDT; x++) {
 242                 ssdtosd(&gdt_segs[x], &gdt[myid * NGDT + x].sd);
 243         }
 244
 245         r_gdt.rd_limit = NGDT * sizeof(gdt[0]) - 1;
 246         r_gdt.rd_base = (int) &gdt[myid * NGDT];
 247         lgdt(&r_gdt);                   /* does magic intra-segment return */
 248
 249         r_idt.rd_limit = sizeof(struct gate_descriptor) * NIDT - 1;
 250         r_idt.rd_base = (int)idt;
 251         lidt(&r_idt);
 252
 253         lldt(_default_ldt);
 254         PCPU_SET(currentldt, _default_ldt);
 255
 256         PCPU_SET(trampstk, (uintptr_t)ap_tramp_stack_base + TRAMP_STACK_SZ -
 257             VM86_STACK_SPACE);
 258
 259         gsel_tss = GSEL(GPROC0_SEL, SEL_KPL);
 260         gdt[myid * NGDT + GPROC0_SEL].sd.sd_type = SDT_SYS386TSS;
 261         common_tssp->tss_esp0 = PCPU_GET(trampstk);
 262         common_tssp->tss_ss0 = GSEL(GDATA_SEL, SEL_KPL);
 263         common_tssp->tss_ioopt = sizeof(struct i386tss) << 16;
 264         PCPU_SET(tss_gdt, &gdt[myid * NGDT + GPROC0_SEL].sd);
 265         PCPU_SET(common_tssd, *PCPU_GET(tss_gdt));
 266         ltr(gsel_tss);
 267
 268         PCPU_SET(fsgs_gdt, &gdt[myid * NGDT + GUFS_SEL].sd);
 269         PCPU_SET(copyout_buf, ap_copyout_buf);
 270
 271         /*
 272          * Set to a known state:
 273          * Set by mpboot.s: CR0_PG, CR0_PE
 274          * Set by cpu_setregs: CR0_NE, CR0_MP, CR0_TS, CR0_WP, CR0_AM
 275          */
 276         cr0 = rcr0();
 277         cr0 &= ~(CR0_CD | CR0_NW | CR0_EM);
 278         load_cr0(cr0);
 279         CHECK_WRITE(0x38, 5);
 280
 281         /* signal our startup to the BSP. */
 282         mp_naps++;
 283         CHECK_WRITE(0x39, 6);
 284
 285         /* Spin until the BSP releases the AP's. */
 286         while (atomic_load_acq_int(&aps_ready) == 0)
 287                 ia32_pause();
 288
 289         /* BSP may have changed PTD while we were waiting */
 290         invltlb();
 291
 292 #if defined(I586_CPU) && !defined(NO_F00F_HACK)
 293         lidt(&r_idt);
 294 #endif
 295
 296         init_secondary_tail();
 297 }
 298
 299 /*
 300  * start each AP in our list
 301  */
 302 #define TMPMAP_START 1
 303 static int
 304 start_all_aps(void)
 305 {
 306         u_char mpbiosreason;
 307         u_int32_t mpbioswarmvec;
 308         int apic_id, cpu;
 309
 310         mtx_init(&ap_boot_mtx, "ap boot", NULL, MTX_SPIN);
 311
 312         /* Remap lowest 1MB */
 313         IdlePTD[0] = IdlePTD[1];
 314         load_cr3(rcr3());               /* invalidate TLB */
 315
 316         /* install the AP 1st level boot code */
 317         install_ap_tramp();
 318
 319         /* save the current value of the warm-start vector */
 320         mpbioswarmvec = *((u_int32_t *) WARMBOOT_OFF);
 321         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 322         mpbiosreason = inb(CMOS_DATA);
 323
 324         /* take advantage of the P==V mapping for PTD[0] for AP boot */
 325
 326         /* start each AP */
 327         for (cpu = 1; cpu < mp_ncpus; cpu++) {
 328                 apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 329
 330                 /* allocate and set up a boot stack data page */
 331                 bootstacks[cpu] = (char *)kmem_malloc(kstack_pages * PAGE_SIZE,
 332                     M_WAITOK | M_ZERO);
 333                 dpcpu = (void *)kmem_malloc(DPCPU_SIZE, M_WAITOK | M_ZERO);
 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                 bootSTK = (char *)bootstacks[cpu] + kstack_pages *
 341                     PAGE_SIZE - 4;
 342                 bootAP = cpu;
 343
 344                 ap_tramp_stack_base = pmap_trm_alloc(TRAMP_STACK_SZ, M_NOWAIT);
 345                 ap_copyout_buf = pmap_trm_alloc(TRAMP_COPYOUT_SZ, M_NOWAIT);
 346
 347                 /* attempt to start the Application Processor */
 348                 CHECK_INIT(99); /* setup checkpoints */
 349                 if (!start_ap(apic_id)) {
 350                         printf("AP #%d (PHY# %d) failed!\n", cpu, apic_id);
 351                         CHECK_PRINT("trace");   /* show checkpoints */
 352                         /* better panic as the AP may be running loose */
 353                         printf("panic y/n? [y] ");
 354                         if (cngetc() != 'n')
 355                                 panic("bye-bye");
 356                 }
 357                 CHECK_PRINT("trace");           /* show checkpoints */
 358
 359                 CPU_SET(cpu, &all_cpus);        /* record AP in CPU map */
 360         }
 361
 362         /* Unmap lowest 1MB again */
 363         IdlePTD[0] = 0;
 364         load_cr3(rcr3());
 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         /* number of APs actually started */
 373         return mp_naps;
 374 }
 375
 376 /*
 377  * load the 1st level AP boot code into base memory.
 378  */
 379
 380 /* targets for relocation */
 381 extern void bigJump(void);
 382 extern void bootCodeSeg(void);
 383 extern void bootDataSeg(void);
 384 extern void MPentry(void);
 385 extern u_int MP_GDT;
 386 extern u_int mp_gdtbase;
 387
 388 static void
 389 install_ap_tramp(void)
 390 {
 391         int     x;
 392         int     size = *(int *) ((u_long) & bootMP_size);
 393         vm_offset_t va = boot_address;
 394         u_char *src = (u_char *) ((u_long) bootMP);
 395         u_char *dst = (u_char *) va;
 396         u_int   boot_base = (u_int) bootMP;
 397         u_int8_t *dst8;
 398         u_int16_t *dst16;
 399         u_int32_t *dst32;
 400
 401         KASSERT (size <= PAGE_SIZE,
 402             ("'size' do not fit into PAGE_SIZE, as expected."));
 403         pmap_kenter(va, boot_address);
 404         pmap_invalidate_page (kernel_pmap, va);
 405         for (x = 0; x < size; ++x)
 406                 *dst++ = *src++;
 407
 408         /*
 409          * modify addresses in code we just moved to basemem. unfortunately we
 410          * need fairly detailed info about mpboot.s for this to work.  changes
 411          * to mpboot.s might require changes here.
 412          */
 413
 414         /* boot code is located in KERNEL space */
 415         dst = (u_char *) va;
 416
 417         /* modify the lgdt arg */
 418         dst32 = (u_int32_t *) (dst + ((u_int) & mp_gdtbase - boot_base));
 419         *dst32 = boot_address + ((u_int) & MP_GDT - boot_base);
 420
 421         /* modify the ljmp target for MPentry() */
 422         dst32 = (u_int32_t *) (dst + ((u_int) bigJump - boot_base) + 1);
 423         *dst32 = (u_int)MPentry;
 424
 425         /* modify the target for boot code segment */
 426         dst16 = (u_int16_t *) (dst + ((u_int) bootCodeSeg - boot_base));
 427         dst8 = (u_int8_t *) (dst16 + 1);
 428         *dst16 = (u_int) boot_address & 0xffff;
 429         *dst8 = ((u_int) boot_address >> 16) & 0xff;
 430
 431         /* modify the target for boot data segment */
 432         dst16 = (u_int16_t *) (dst + ((u_int) bootDataSeg - boot_base));
 433         dst8 = (u_int8_t *) (dst16 + 1);
 434         *dst16 = (u_int) boot_address & 0xffff;
 435         *dst8 = ((u_int) boot_address >> 16) & 0xff;
 436 }
 437
 438 /*
 439  * This function starts the AP (application processor) identified
 440  * by the APIC ID 'physicalCpu'.  It does quite a "song and dance"
 441  * to accomplish this.  This is necessary because of the nuances
 442  * of the different hardware we might encounter.  It isn't pretty,
 443  * but it seems to work.
 444  */
 445 static int
 446 start_ap(int apic_id)
 447 {
 448         int vector, ms;
 449         int cpus;
 450
 451         /* calculate the vector */
 452         vector = (boot_address >> 12) & 0xff;
 453
 454         /* used as a watchpoint to signal AP startup */
 455         cpus = mp_naps;
 456
 457         ipi_startup(apic_id, vector);
 458
 459         /* Wait up to 5 seconds for it to start. */
 460         for (ms = 0; ms < 5000; ms++) {
 461                 if (mp_naps > cpus)
 462                         return 1;       /* return SUCCESS */
 463                 DELAY(1000);
 464         }
 465         return 0;               /* return FAILURE */
 466 }