sys/i386/i386/mp_machdep.c

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