sys/riscv/riscv/elf_machdep.c

   1 /*-
   2  * Copyright 1996-1998 John D. Polstra.
   3  * Copyright (c) 2015 Ruslan Bukin <br@bsdpad.com>
   4  * Copyright (c) 2016 Yukishige Shibata <y-shibat@mtd.biglobe.ne.jp>
   5  * All rights reserved.
   6  *
   7  * Portions of this software were developed by SRI International and the
   8  * University of Cambridge Computer Laboratory under DARPA/AFRL contract
   9  * FA8750-10-C-0237 ("CTSRD"), as part of the DARPA CRASH research programme.
  10  *
  11  * Portions of this software were developed by the University of Cambridge
  12  * Computer Laboratory as part of the CTSRD Project, with support from the
  13  * UK Higher Education Innovation Fund (HEIF).
  14  *
  15  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  16  * modification, are permitted provided that the following conditions
  17  * are met:
  18  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  19  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  20  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  21  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  22  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  23  *
  24  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  25  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  26  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  27  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  28  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  29  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  30  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  31  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  32  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  33  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  34  * SUCH DAMAGE.
  35  */
  36
  37 #include <sys/cdefs.h>
  38 __FBSDID("$FreeBSD$");
  39
  40 #include <sys/param.h>
  41 #include <sys/kernel.h>
  42 #include <sys/systm.h>
  43 #include <sys/exec.h>
  44 #include <sys/imgact.h>
  45 #include <sys/linker.h>
  46 #include <sys/proc.h>
  47 #include <sys/sysctl.h>
  48 #include <sys/sysent.h>
  49 #include <sys/imgact_elf.h>
  50 #include <sys/syscall.h>
  51 #include <sys/signalvar.h>
  52 #include <sys/vnode.h>
  53
  54 #include <vm/vm.h>
  55 #include <vm/pmap.h>
  56 #include <vm/vm_param.h>
  57
  58 #include <machine/elf.h>
  59 #include <machine/md_var.h>
  60
  61 u_long elf_hwcap;
  62
  63 struct sysentvec elf64_freebsd_sysvec = {
  64         .sv_size        = SYS_MAXSYSCALL,
  65         .sv_table       = sysent,
  66         .sv_errsize     = 0,
  67         .sv_errtbl      = NULL,
  68         .sv_transtrap   = NULL,
  69         .sv_fixup       = __elfN(freebsd_fixup),
  70         .sv_sendsig     = sendsig,
  71         .sv_sigcode     = sigcode,
  72         .sv_szsigcode   = &szsigcode,
  73         .sv_name        = "FreeBSD ELF64",
  74         .sv_coredump    = __elfN(coredump),
  75         .sv_imgact_try  = NULL,
  76         .sv_minsigstksz = MINSIGSTKSZ,
  77         .sv_minuser     = VM_MIN_ADDRESS,
  78         .sv_maxuser     = VM_MAXUSER_ADDRESS,
  79         .sv_usrstack    = USRSTACK,
  80         .sv_psstrings   = PS_STRINGS,
  81         .sv_stackprot   = VM_PROT_READ | VM_PROT_WRITE,
  82         .sv_copyout_strings     = exec_copyout_strings,
  83         .sv_setregs     = exec_setregs,
  84         .sv_fixlimit    = NULL,
  85         .sv_maxssiz     = NULL,
  86         .sv_flags       = SV_ABI_FREEBSD | SV_LP64 | SV_SHP | SV_ASLR,
  87         .sv_set_syscall_retval = cpu_set_syscall_retval,
  88         .sv_fetch_syscall_args = cpu_fetch_syscall_args,
  89         .sv_syscallnames = syscallnames,
  90         .sv_shared_page_base = SHAREDPAGE,
  91         .sv_shared_page_len = PAGE_SIZE,
  92         .sv_schedtail   = NULL,
  93         .sv_thread_detach = NULL,
  94         .sv_trap        = NULL,
  95         .sv_hwcap       = &elf_hwcap,
  96 };
  97 INIT_SYSENTVEC(elf64_sysvec, &elf64_freebsd_sysvec);
  98
  99 static Elf64_Brandinfo freebsd_brand_info = {
 100         .brand          = ELFOSABI_FREEBSD,
 101         .machine        = EM_RISCV,
 102         .compat_3_brand = "FreeBSD",
 103         .emul_path      = NULL,
 104         .interp_path    = "/libexec/ld-elf.so.1",
 105         .sysvec         = &elf64_freebsd_sysvec,
 106         .interp_newpath = NULL,
 107         .brand_note     = &elf64_freebsd_brandnote,
 108         .flags          = BI_CAN_EXEC_DYN | BI_BRAND_NOTE
 109 };
 110
 111 SYSINIT(elf64, SI_SUB_EXEC, SI_ORDER_FIRST,
 112     (sysinit_cfunc_t)elf64_insert_brand_entry, &freebsd_brand_info);
 113
 114 static bool debug_kld;
 115 SYSCTL_BOOL(_debug, OID_AUTO, kld_reloc, CTLFLAG_RW, &debug_kld, 0,
 116     "Activate debug prints in elf_reloc_internal()");
 117
 118 struct type2str_ent {
 119         int type;
 120         const char *str;
 121 };
 122
 123 void
 124 elf64_dump_thread(struct thread *td, void *dst, size_t *off)
 125 {
 126
 127 }
 128
 129 /*
 130  * Following 4 functions are used to manupilate bits on 32bit interger value.
 131  * FIXME: I implemetend for ease-to-understand rather than for well-optimized.
 132  */
 133 static uint32_t
 134 gen_bitmask(int msb, int lsb)
 135 {
 136         uint32_t mask;
 137
 138         if (msb == sizeof(mask) * 8 - 1)
 139                 mask = ~0;
 140         else
 141                 mask = (1U << (msb + 1)) - 1;
 142
 143         if (lsb > 0)
 144                 mask &= ~((1U << lsb) - 1);
 145
 146         return (mask);
 147 }
 148
 149 static uint32_t
 150 extract_bits(uint32_t x, int msb, int lsb)
 151 {
 152         uint32_t mask;
 153
 154         mask = gen_bitmask(msb, lsb);
 155
 156         x &= mask;
 157         x >>= lsb;
 158
 159         return (x);
 160 }
 161
 162 static uint32_t
 163 insert_bits(uint32_t d, uint32_t s, int msb, int lsb)
 164 {
 165         uint32_t mask;
 166
 167         mask = gen_bitmask(msb, lsb);
 168
 169         d &= ~mask;
 170
 171         s <<= lsb;
 172         s &= mask;
 173
 174         return (d | s);
 175 }
 176
 177 static uint32_t
 178 insert_imm(uint32_t insn, uint32_t imm, int imm_msb, int imm_lsb,
 179     int insn_lsb)
 180 {
 181         int insn_msb;
 182         uint32_t v;
 183
 184         v = extract_bits(imm, imm_msb, imm_lsb);
 185         insn_msb = (imm_msb - imm_lsb) + insn_lsb;
 186
 187         return (insert_bits(insn, v, insn_msb, insn_lsb));
 188 }
 189
 190 /*
 191  * The RISC-V ISA is designed so that all of immediate values are
 192  * sign-extended.
 193  * An immediate value is sometimes generated at runtime by adding
 194  * 12bit sign integer and 20bit signed integer. This requests 20bit
 195  * immediate value to be ajusted if the MSB of the 12bit immediate
 196  * value is asserted (sign-extended value is treated as negative value).
 197  *
 198  * For example, 0x123800 can be calculated by adding upper 20 bit of
 199  * 0x124000 and sign-extended 12bit immediate whose bit pattern is
 200  * 0x800 as follows:
 201  *   0x123800
 202  *     = 0x123000 + 0x800
 203  *     = (0x123000 + 0x1000) + (-0x1000 + 0x800)
 204  *     = (0x123000 + 0x1000) + (0xff...ff800)
 205  *     = 0x124000            + sign-extention(0x800)
 206  */
 207 static uint32_t
 208 calc_hi20_imm(uint32_t value)
 209 {
 210         /*
 211          * There is the arithmetical hack that can remove conditional
 212          * statement. But I implement it in straightforward way.
 213          */
 214         if ((value & 0x800) != 0)
 215                 value += 0x1000;
 216         return (value & ~0xfff);
 217 }
 218
 219 static const struct type2str_ent t2s[] = {
 220         { R_RISCV_NONE,         "R_RISCV_NONE"          },
 221         { R_RISCV_64,           "R_RISCV_64"            },
 222         { R_RISCV_JUMP_SLOT,    "R_RISCV_JUMP_SLOT"     },
 223         { R_RISCV_RELATIVE,     "R_RISCV_RELATIVE"      },
 224         { R_RISCV_JAL,          "R_RISCV_JAL"           },
 225         { R_RISCV_CALL,         "R_RISCV_CALL"          },
 226         { R_RISCV_PCREL_HI20,   "R_RISCV_PCREL_HI20"    },
 227         { R_RISCV_PCREL_LO12_I, "R_RISCV_PCREL_LO12_I"  },
 228         { R_RISCV_PCREL_LO12_S, "R_RISCV_PCREL_LO12_S"  },
 229         { R_RISCV_HI20,         "R_RISCV_HI20"          },
 230         { R_RISCV_LO12_I,       "R_RISCV_LO12_I"        },
 231         { R_RISCV_LO12_S,       "R_RISCV_LO12_S"        },
 232 };
 233
 234 static const char *
 235 reloctype_to_str(int type)
 236 {
 237         int i;
 238
 239         for (i = 0; i < sizeof(t2s) / sizeof(t2s[0]); ++i) {
 240                 if (type == t2s[i].type)
 241                         return t2s[i].str;
 242         }
 243
 244         return "*unknown*";
 245 }
 246
 247 bool
 248 elf_is_ifunc_reloc(Elf_Size r_info __unused)
 249 {
 250
 251         return (false);
 252 }
 253
 254 /*
 255  * Currently kernel loadable module for RISCV is compiled with -fPIC option.
 256  * (see also additional CFLAGS definition for RISCV in sys/conf/kmod.mk)
 257  * Only R_RISCV_64, R_RISCV_JUMP_SLOT and RISCV_RELATIVE are emitted in
 258  * the module. Other relocations will be processed when kernel loadable
 259  * modules are built in non-PIC.
 260  *
 261  * FIXME: only RISCV64 is supported.
 262  */
 263 static int
 264 elf_reloc_internal(linker_file_t lf, Elf_Addr relocbase, const void *data,
 265     int type, int local, elf_lookup_fn lookup)
 266 {
 267         Elf_Size rtype, symidx;
 268         const Elf_Rela *rela;
 269         Elf_Addr val, addr;
 270         Elf64_Addr *where;
 271         Elf_Addr addend;
 272         uint32_t before32_1;
 273         uint32_t before32;
 274         uint64_t before64;
 275         uint32_t *insn32p;
 276         uint32_t imm20;
 277         int error;
 278
 279         switch (type) {
 280         case ELF_RELOC_RELA:
 281                 rela = (const Elf_Rela *)data;
 282                 where = (Elf_Addr *)(relocbase + rela->r_offset);
 283                 insn32p = (uint32_t *)where;
 284                 addend = rela->r_addend;
 285                 rtype = ELF_R_TYPE(rela->r_info);
 286                 symidx = ELF_R_SYM(rela->r_info);
 287                 break;
 288         default:
 289                 printf("%s:%d unknown reloc type %d\n",
 290                     __FUNCTION__, __LINE__, type);
 291                 return (-1);
 292         }
 293
 294         switch (rtype) {
 295         case R_RISCV_NONE:
 296                 break;
 297
 298         case R_RISCV_64:
 299         case R_RISCV_JUMP_SLOT:
 300                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 301                 if (error != 0)
 302                         return (-1);
 303
 304                 val = addr;
 305                 before64 = *where;
 306                 if (*where != val)
 307                         *where = val;
 308                 if (debug_kld)
 309                         printf("%p %c %-24s %016lx -> %016lx\n", where,
 310                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 311                             before64, *where);
 312                 break;
 313
 314         case R_RISCV_RELATIVE:
 315                 before64 = *where;
 316                 *where = elf_relocaddr(lf, relocbase + addend);
 317                 if (debug_kld)
 318                         printf("%p %c %-24s %016lx -> %016lx\n", where,
 319                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 320                             before64, *where);
 321                 break;
 322
 323         case R_RISCV_JAL:
 324                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 325                 if (error != 0)
 326                         return (-1);
 327
 328                 val = addr - (Elf_Addr)where;
 329                 if (val <= -(1UL << 20) || (1UL << 20) <= val) {
 330                         printf("kldload: huge offset against R_RISCV_JAL\n");
 331                         return (-1);
 332                 }
 333
 334                 before32 = *insn32p;
 335                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, val, 20, 20, 31);
 336                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, val, 10,  1, 21);
 337                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, val, 11, 11, 20);
 338                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, val, 19, 12, 12);
 339                 if (debug_kld)
 340                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 341                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 342                             before32, *insn32p);
 343                 break;
 344
 345         case R_RISCV_CALL:
 346                 /*
 347                  * R_RISCV_CALL relocates 8-byte region that consists
 348                  * of the sequence of AUIPC and JALR.
 349                  */
 350                 /* Calculate and check the pc relative offset. */
 351                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 352                 if (error != 0)
 353                         return (-1);
 354
 355                 val = addr - (Elf_Addr)where;
 356                 if (val <= -(1UL << 32) || (1UL << 32) <= val) {
 357                         printf("kldload: huge offset against R_RISCV_CALL\n");
 358                         return (-1);
 359                 }
 360
 361                 /* Relocate AUIPC. */
 362                 before32 = insn32p[0];
 363                 imm20 = calc_hi20_imm(val);
 364                 insn32p[0] = insert_imm(insn32p[0], imm20, 31, 12, 12);
 365
 366                 /* Relocate JALR. */
 367                 before32_1 = insn32p[1];
 368                 insn32p[1] = insert_imm(insn32p[1], val, 11,  0, 20);
 369                 if (debug_kld)
 370                         printf("%p %c %-24s %08x %08x -> %08x %08x\n", where,
 371                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 372                             before32, insn32p[0], before32_1, insn32p[1]);
 373                 break;
 374
 375         case R_RISCV_PCREL_HI20:
 376                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 377                 if (error != 0)
 378                         return (-1);
 379
 380                 val = addr - (Elf_Addr)where;
 381                 insn32p = (uint32_t *)where;
 382                 before32 = *insn32p;
 383                 imm20 = calc_hi20_imm(val);
 384                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, imm20, 31, 12, 12);
 385                 if (debug_kld)
 386                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 387                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 388                             before32, *insn32p);
 389                 break;
 390
 391         case R_RISCV_PCREL_LO12_I:
 392                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 393                 if (error != 0)
 394                         return (-1);
 395
 396                 val = addr - (Elf_Addr)where;
 397                 insn32p = (uint32_t *)where;
 398                 before32 = *insn32p;
 399                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, addr, 11,  0, 20);
 400                 if (debug_kld)
 401                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 402                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 403                             before32, *insn32p);
 404                 break;
 405
 406         case R_RISCV_PCREL_LO12_S:
 407                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 408                 if (error != 0)
 409                         return (-1);
 410
 411                 val = addr - (Elf_Addr)where;
 412                 insn32p = (uint32_t *)where;
 413                 before32 = *insn32p;
 414                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, addr, 11,  5, 25);
 415                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, addr,  4,  0,  7);
 416                 if (debug_kld)
 417                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 418                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 419                             before32, *insn32p);
 420                 break;
 421
 422         case R_RISCV_HI20:
 423                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 424                 if (error != 0)
 425                         return (-1);
 426
 427                 val = addr;
 428                 insn32p = (uint32_t *)where;
 429                 before32 = *insn32p;
 430                 imm20 = calc_hi20_imm(val);
 431                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, imm20, 31, 12, 12);
 432                 if (debug_kld)
 433                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 434                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 435                             before32, *insn32p);
 436                 break;
 437
 438         case R_RISCV_LO12_I:
 439                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 440                 if (error != 0)
 441                         return (-1);
 442
 443                 val = addr;
 444                 insn32p = (uint32_t *)where;
 445                 before32 = *insn32p;
 446                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, addr, 11,  0, 20);
 447                 if (debug_kld)
 448                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 449                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 450                             before32, *insn32p);
 451                 break;
 452
 453         case R_RISCV_LO12_S:
 454                 error = lookup(lf, symidx, 1, &addr);
 455                 if (error != 0)
 456                         return (-1);
 457
 458                 val = addr;
 459                 insn32p = (uint32_t *)where;
 460                 before32 = *insn32p;
 461                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, addr, 11,  5, 25);
 462                 *insn32p = insert_imm(*insn32p, addr,  4,  0,  7);
 463                 if (debug_kld)
 464                         printf("%p %c %-24s %08x -> %08x\n", where,
 465                             (local ? 'l' : 'g'), reloctype_to_str(rtype),
 466                             before32, *insn32p);
 467                 break;
 468
 469         default:
 470                 printf("kldload: unexpected relocation type %ld\n", rtype);
 471                 return (-1);
 472         }
 473
 474         return (0);
 475 }
 476
 477 int
 478 elf_reloc(linker_file_t lf, Elf_Addr relocbase, const void *data, int type,
 479     elf_lookup_fn lookup)
 480 {
 481
 482         return (elf_reloc_internal(lf, relocbase, data, type, 0, lookup));
 483 }
 484
 485 int
 486 elf_reloc_local(linker_file_t lf, Elf_Addr relocbase, const void *data,
 487     int type, elf_lookup_fn lookup)
 488 {
 489
 490         return (elf_reloc_internal(lf, relocbase, data, type, 1, lookup));
 491 }
 492
 493 int
 494 elf_cpu_load_file(linker_file_t lf __unused)
 495 {
 496
 497         return (0);
 498 }
 499
 500 int
 501 elf_cpu_unload_file(linker_file_t lf __unused)
 502 {
 503
 504         return (0);
 505 }