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 #if defined(CPU_DISABLE_CMPXCHG) && !defined(COMPILING_LINT)
  45 #error SMP not supported with CPU_DISABLE_CMPXCHG
  46 #endif
  47 #endif /* not lint */
  48
  49 #include <sys/param.h>
  50 #include <sys/systm.h>
  51 #include <sys/bus.h>
  52 #include <sys/cons.h>   /* cngetc() */
  53 #include <sys/cpuset.h>
  54 #ifdef GPROF
  55 #include <sys/gmon.h>
  56 #endif
  57 #include <sys/kernel.h>
  58 #include <sys/ktr.h>
  59 #include <sys/lock.h>
  60 #include <sys/malloc.h>
  61 #include <sys/memrange.h>
  62 #include <sys/mutex.h>
  63 #include <sys/pcpu.h>
  64 #include <sys/proc.h>
  65 #include <sys/sched.h>
  66 #include <sys/smp.h>
  67 #include <sys/sysctl.h>
  68
  69 #include <vm/vm.h>
  70 #include <vm/vm_param.h>
  71 #include <vm/pmap.h>
  72 #include <vm/vm_kern.h>
  73 #include <vm/vm_extern.h>
  74
  75 #include <x86/apicreg.h>
  76 #include <machine/clock.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 <machine/cpu.h>
  85
  86 #define WARMBOOT_TARGET         0
  87 #define WARMBOOT_OFF            (KERNBASE + 0x0467)
  88 #define WARMBOOT_SEG            (KERNBASE + 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) && !defined(PC98)
 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 u_int    boot_address;
 144
 145 /*
 146  * Calculate usable address in base memory for AP trampoline code.
 147  */
 148 u_int
 149 mp_bootaddress(u_int basemem)
 150 {
 151
 152         boot_address = trunc_page(basemem);     /* round down to 4k boundary */
 153         if ((basemem - boot_address) < bootMP_size)
 154                 boot_address -= PAGE_SIZE;      /* not enough, lower by 4k */
 155
 156         return boot_address;
 157 }
 158
 159 /*
 160  * Initialize the IPI handlers and start up the AP's.
 161  */
 162 void
 163 cpu_mp_start(void)
 164 {
 165         int i;
 166
 167         /* Initialize the logical ID to APIC ID table. */
 168         for (i = 0; i < MAXCPU; i++) {
 169                 cpu_apic_ids[i] = -1;
 170                 cpu_ipi_pending[i] = 0;
 171         }
 172
 173         /* Install an inter-CPU IPI for TLB invalidation */
 174         setidt(IPI_INVLTLB, IDTVEC(invltlb),
 175                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 176         setidt(IPI_INVLPG, IDTVEC(invlpg),
 177                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 178         setidt(IPI_INVLRNG, IDTVEC(invlrng),
 179                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 180
 181         /* Install an inter-CPU IPI for cache invalidation. */
 182         setidt(IPI_INVLCACHE, IDTVEC(invlcache),
 183                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 184
 185         /* Install an inter-CPU IPI for all-CPU rendezvous */
 186         setidt(IPI_RENDEZVOUS, IDTVEC(rendezvous),
 187                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 188
 189         /* Install generic inter-CPU IPI handler */
 190         setidt(IPI_BITMAP_VECTOR, IDTVEC(ipi_intr_bitmap_handler),
 191                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 192
 193         /* Install an inter-CPU IPI for CPU stop/restart */
 194         setidt(IPI_STOP, IDTVEC(cpustop),
 195                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 196
 197         /* Install an inter-CPU IPI for CPU suspend/resume */
 198         setidt(IPI_SUSPEND, IDTVEC(cpususpend),
 199                SDT_SYS386IGT, SEL_KPL, GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
 200
 201         /* Set boot_cpu_id if needed. */
 202         if (boot_cpu_id == -1) {
 203                 boot_cpu_id = PCPU_GET(apic_id);
 204                 cpu_info[boot_cpu_id].cpu_bsp = 1;
 205         } else
 206                 KASSERT(boot_cpu_id == PCPU_GET(apic_id),
 207                     ("BSP's APIC ID doesn't match boot_cpu_id"));
 208
 209         /* Probe logical/physical core configuration. */
 210         topo_probe();
 211
 212         assign_cpu_ids();
 213
 214         /* Start each Application Processor */
 215         start_all_aps();
 216
 217         set_interrupt_apic_ids();
 218 }
 219
 220 /*
 221  * AP CPU's call this to initialize themselves.
 222  */
 223 void
 224 init_secondary(void)
 225 {
 226         struct pcpu *pc;
 227         vm_offset_t addr;
 228         int     gsel_tss;
 229         int     x, myid;
 230         u_int   cr0;
 231
 232         /* bootAP is set in start_ap() to our ID. */
 233         myid = bootAP;
 234
 235         /* Get per-cpu data */
 236         pc = &__pcpu[myid];
 237
 238         /* prime data page for it to use */
 239         pcpu_init(pc, myid, sizeof(struct pcpu));
 240         dpcpu_init(dpcpu, myid);
 241         pc->pc_apic_id = cpu_apic_ids[myid];
 242         pc->pc_prvspace = pc;
 243         pc->pc_curthread = 0;
 244
 245         fix_cpuid();
 246
 247         gdt_segs[GPRIV_SEL].ssd_base = (int) pc;
 248         gdt_segs[GPROC0_SEL].ssd_base = (int) &pc->pc_common_tss;
 249
 250         for (x = 0; x < NGDT; x++) {
 251                 ssdtosd(&gdt_segs[x], &gdt[myid * NGDT + x].sd);
 252         }
 253
 254         r_gdt.rd_limit = NGDT * sizeof(gdt[0]) - 1;
 255         r_gdt.rd_base = (int) &gdt[myid * NGDT];
 256         lgdt(&r_gdt);                   /* does magic intra-segment return */
 257
 258         lidt(&r_idt);
 259
 260         lldt(_default_ldt);
 261         PCPU_SET(currentldt, _default_ldt);
 262
 263         gsel_tss = GSEL(GPROC0_SEL, SEL_KPL);
 264         gdt[myid * NGDT + GPROC0_SEL].sd.sd_type = SDT_SYS386TSS;
 265         PCPU_SET(common_tss.tss_esp0, 0); /* not used until after switch */
 266         PCPU_SET(common_tss.tss_ss0, GSEL(GDATA_SEL, SEL_KPL));
 267         PCPU_SET(common_tss.tss_ioopt, (sizeof (struct i386tss)) << 16);
 268         PCPU_SET(tss_gdt, &gdt[myid * NGDT + GPROC0_SEL].sd);
 269         PCPU_SET(common_tssd, *PCPU_GET(tss_gdt));
 270         ltr(gsel_tss);
 271
 272         PCPU_SET(fsgs_gdt, &gdt[myid * NGDT + GUFS_SEL].sd);
 273
 274         /*
 275          * Set to a known state:
 276          * Set by mpboot.s: CR0_PG, CR0_PE
 277          * Set by cpu_setregs: CR0_NE, CR0_MP, CR0_TS, CR0_WP, CR0_AM
 278          */
 279         cr0 = rcr0();
 280         cr0 &= ~(CR0_CD | CR0_NW | CR0_EM);
 281         load_cr0(cr0);
 282         CHECK_WRITE(0x38, 5);
 283
 284         /* signal our startup to the BSP. */
 285         mp_naps++;
 286         CHECK_WRITE(0x39, 6);
 287
 288         /* Spin until the BSP releases the AP's. */
 289         while (atomic_load_acq_int(&aps_ready) == 0)
 290                 ia32_pause();
 291
 292         /* BSP may have changed PTD while we were waiting */
 293         invltlb();
 294         for (addr = 0; addr < NKPT * NBPDR - 1; addr += PAGE_SIZE)
 295                 invlpg(addr);
 296
 297 #if defined(I586_CPU) && !defined(NO_F00F_HACK)
 298         lidt(&r_idt);
 299 #endif
 300
 301         init_secondary_tail();
 302 }
 303
 304 /*
 305  * start each AP in our list
 306  */
 307 /* Lowest 1MB is already mapped: don't touch*/
 308 #define TMPMAP_START 1
 309 static int
 310 start_all_aps(void)
 311 {
 312 #ifndef PC98
 313         u_char mpbiosreason;
 314 #endif
 315         u_int32_t mpbioswarmvec;
 316         int apic_id, cpu, i;
 317
 318         mtx_init(&ap_boot_mtx, "ap boot", NULL, MTX_SPIN);
 319
 320         /* install the AP 1st level boot code */
 321         install_ap_tramp();
 322
 323         /* save the current value of the warm-start vector */
 324         mpbioswarmvec = *((u_int32_t *) WARMBOOT_OFF);
 325 #ifndef PC98
 326         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 327         mpbiosreason = inb(CMOS_DATA);
 328 #endif
 329
 330         /* set up temporary P==V mapping for AP boot */
 331         /* XXX this is a hack, we should boot the AP on its own stack/PTD */
 332         for (i = TMPMAP_START; i < NKPT; i++)
 333                 PTD[i] = PTD[KPTDI + i];
 334         invltlb();
 335
 336         /* start each AP */
 337         for (cpu = 1; cpu < mp_ncpus; cpu++) {
 338                 apic_id = cpu_apic_ids[cpu];
 339
 340                 /* allocate and set up a boot stack data page */
 341                 bootstacks[cpu] =
 342                     (char *)kmem_malloc(kernel_arena, kstack_pages * PAGE_SIZE,
 343                     M_WAITOK | M_ZERO);
 344                 dpcpu = (void *)kmem_malloc(kernel_arena, DPCPU_SIZE,
 345                     M_WAITOK | M_ZERO);
 346                 /* setup a vector to our boot code */
 347                 *((volatile u_short *) WARMBOOT_OFF) = WARMBOOT_TARGET;
 348                 *((volatile u_short *) WARMBOOT_SEG) = (boot_address >> 4);
 349 #ifndef PC98
 350                 outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 351                 outb(CMOS_DATA, BIOS_WARM);     /* 'warm-start' */
 352 #endif
 353
 354                 bootSTK = (char *)bootstacks[cpu] + kstack_pages *
 355                     PAGE_SIZE - 4;
 356                 bootAP = cpu;
 357
 358                 /* attempt to start the Application Processor */
 359                 CHECK_INIT(99); /* setup checkpoints */
 360                 if (!start_ap(apic_id)) {
 361                         printf("AP #%d (PHY# %d) failed!\n", cpu, apic_id);
 362                         CHECK_PRINT("trace");   /* show checkpoints */
 363                         /* better panic as the AP may be running loose */
 364                         printf("panic y/n? [y] ");
 365                         if (cngetc() != 'n')
 366                                 panic("bye-bye");
 367                 }
 368                 CHECK_PRINT("trace");           /* show checkpoints */
 369
 370                 CPU_SET(cpu, &all_cpus);        /* record AP in CPU map */
 371         }
 372
 373         /* restore the warmstart vector */
 374         *(u_int32_t *) WARMBOOT_OFF = mpbioswarmvec;
 375
 376 #ifndef PC98
 377         outb(CMOS_REG, BIOS_RESET);
 378         outb(CMOS_DATA, mpbiosreason);
 379 #endif
 380
 381         /* Undo V==P hack from above */
 382         for (i = TMPMAP_START; i < NKPT; i++)
 383                 PTD[i] = 0;
 384         pmap_invalidate_range(kernel_pmap, 0, NKPT * NBPDR - 1);
 385
 386         /* number of APs actually started */
 387         return mp_naps;
 388 }
 389
 390 /*
 391  * load the 1st level AP boot code into base memory.
 392  */
 393
 394 /* targets for relocation */
 395 extern void bigJump(void);
 396 extern void bootCodeSeg(void);
 397 extern void bootDataSeg(void);
 398 extern void MPentry(void);
 399 extern u_int MP_GDT;
 400 extern u_int mp_gdtbase;
 401
 402 static void
 403 install_ap_tramp(void)
 404 {
 405         int     x;
 406         int     size = *(int *) ((u_long) & bootMP_size);
 407         vm_offset_t va = boot_address + KERNBASE;
 408         u_char *src = (u_char *) ((u_long) bootMP);
 409         u_char *dst = (u_char *) va;
 410         u_int   boot_base = (u_int) bootMP;
 411         u_int8_t *dst8;
 412         u_int16_t *dst16;
 413         u_int32_t *dst32;
 414
 415         KASSERT (size <= PAGE_SIZE,
 416             ("'size' do not fit into PAGE_SIZE, as expected."));
 417         pmap_kenter(va, boot_address);
 418         pmap_invalidate_page (kernel_pmap, va);
 419         for (x = 0; x < size; ++x)
 420                 *dst++ = *src++;
 421
 422         /*
 423          * modify addresses in code we just moved to basemem. unfortunately we
 424          * need fairly detailed info about mpboot.s for this to work.  changes
 425          * to mpboot.s might require changes here.
 426          */
 427
 428         /* boot code is located in KERNEL space */
 429         dst = (u_char *) va;
 430
 431         /* modify the lgdt arg */
 432         dst32 = (u_int32_t *) (dst + ((u_int) & mp_gdtbase - boot_base));
 433         *dst32 = boot_address + ((u_int) & MP_GDT - boot_base);
 434
 435         /* modify the ljmp target for MPentry() */
 436         dst32 = (u_int32_t *) (dst + ((u_int) bigJump - boot_base) + 1);
 437         *dst32 = ((u_int) MPentry - KERNBASE);
 438
 439         /* modify the target for boot code segment */
 440         dst16 = (u_int16_t *) (dst + ((u_int) bootCodeSeg - boot_base));
 441         dst8 = (u_int8_t *) (dst16 + 1);
 442         *dst16 = (u_int) boot_address & 0xffff;
 443         *dst8 = ((u_int) boot_address >> 16) & 0xff;
 444
 445         /* modify the target for boot data segment */
 446         dst16 = (u_int16_t *) (dst + ((u_int) bootDataSeg - boot_base));
 447         dst8 = (u_int8_t *) (dst16 + 1);
 448         *dst16 = (u_int) boot_address & 0xffff;
 449         *dst8 = ((u_int) boot_address >> 16) & 0xff;
 450 }
 451
 452 /*
 453  * This function starts the AP (application processor) identified
 454  * by the APIC ID 'physicalCpu'.  It does quite a "song and dance"
 455  * to accomplish this.  This is necessary because of the nuances
 456  * of the different hardware we might encounter.  It isn't pretty,
 457  * but it seems to work.
 458  */
 459 static int
 460 start_ap(int apic_id)
 461 {
 462         int vector, ms;
 463         int cpus;
 464
 465         /* calculate the vector */
 466         vector = (boot_address >> 12) & 0xff;
 467
 468         /* used as a watchpoint to signal AP startup */
 469         cpus = mp_naps;
 470
 471         ipi_startup(apic_id, vector);
 472
 473         /* Wait up to 5 seconds for it to start. */
 474         for (ms = 0; ms < 5000; ms++) {
 475                 if (mp_naps > cpus)
 476                         return 1;       /* return SUCCESS */
 477                 DELAY(1000);
 478         }
 479         return 0;               /* return FAILURE */
 480 }