arch/x86_64/kernel/head.S

   1 /*
   2  *  linux/arch/x86_64/kernel/head.S -- start in 32bit and switch to 64bit
   3  *
   4  *  Copyright (C) 2000 Andrea Arcangeli <andrea@suse.de> SuSE
   5  *  Copyright (C) 2000 Pavel Machek <pavel@suse.cz>
   6  *  Copyright (C) 2000 Karsten Keil <kkeil@suse.de>
   7  *  Copyright (C) 2001,2002 Andi Kleen <ak@suse.de>
   8  */
   9
  10
  11 #include <linux/linkage.h>
  12 #include <linux/threads.h>
  13 #include <linux/init.h>
  14 #include <asm/desc.h>
  15 #include <asm/segment.h>
  16 #include <asm/page.h>
  17 #include <asm/msr.h>
  18 #include <asm/cache.h>
  19
  20 /* we are not able to switch in one step to the final KERNEL ADRESS SPACE
  21  * because we need identity-mapped pages on setup so define __START_KERNEL to
  22  * 0x100000 for this stage
  23  *
  24  */
  25
  26         .text
  27         .section .bootstrap.text
  28         .code32
  29         .globl startup_32
  30 /* %bx:  1 if coming from smp trampoline on secondary cpu */
  31 startup_32:
  32
  33         /*
  34          * At this point the CPU runs in 32bit protected mode (CS.D = 1) with
  35          * paging disabled and the point of this file is to switch to 64bit
  36          * long mode with a kernel mapping for kerneland to jump into the
  37          * kernel virtual addresses.
  38          * There is no stack until we set one up.
  39          */
  40
  41         /* Initialize the %ds segment register */
  42         movl $__KERNEL_DS,%eax
  43         movl %eax,%ds
  44
  45         /* Load new GDT with the 64bit segments using 32bit descriptor */
  46         lgdt    pGDT32 - __START_KERNEL_map
  47
  48         /* If the CPU doesn't support CPUID this will double fault.
  49          * Unfortunately it is hard to check for CPUID without a stack.
  50          */
  51
  52         /* Check if extended functions are implemented */
  53         movl    $0x80000000, %eax
  54         cpuid
  55         cmpl    $0x80000000, %eax
  56         jbe     no_long_mode
  57         /* Check if long mode is implemented */
  58         mov     $0x80000001, %eax
  59         cpuid
  60         btl     $29, %edx
  61         jnc     no_long_mode
  62
  63         /*
  64          * Prepare for entering 64bits mode
  65          */
  66
  67         /* Enable PAE mode */
  68         xorl    %eax, %eax
  69         btsl    $5, %eax
  70         movl    %eax, %cr4
  71
  72         /* Setup early boot stage 4 level pagetables */
  73         movl    $(boot_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %eax
  74         movl    %eax, %cr3
  75
  76         /* Setup EFER (Extended Feature Enable Register) */
  77         movl    $MSR_EFER, %ecx
  78         rdmsr
  79
  80         /* Enable Long Mode */
  81         btsl    $_EFER_LME, %eax
  82
  83         /* Make changes effective */
  84         wrmsr
  85
  86         xorl    %eax, %eax
  87         btsl    $31, %eax                       /* Enable paging and in turn activate Long Mode */
  88         btsl    $0, %eax                        /* Enable protected mode */
  89         /* Make changes effective */
  90         movl    %eax, %cr0
  91         /*
  92          * At this point we're in long mode but in 32bit compatibility mode
  93          * with EFER.LME = 1, CS.L = 0, CS.D = 1 (and in turn
  94          * EFER.LMA = 1). Now we want to jump in 64bit mode, to do that we use
  95          * the new gdt/idt that has __KERNEL_CS with CS.L = 1.
  96          */
  97         ljmp    $__KERNEL_CS, $(startup_64 - __START_KERNEL_map)
  98
  99         .code64
 100         .org 0x100
 101         .globl startup_64
 102 startup_64:
 103         /* We come here either from startup_32
 104          * or directly from a 64bit bootloader.
 105          * Since we may have come directly from a bootloader we
 106          * reload the page tables here.
 107          */
 108
 109         /* Enable PAE mode and PGE */
 110         xorq    %rax, %rax
 111         btsq    $5, %rax
 112         btsq    $7, %rax
 113         movq    %rax, %cr4
 114
 115         /* Setup early boot stage 4 level pagetables. */
 116         movq    $(boot_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %rax
 117         movq    %rax, %cr3
 118
 119         /* Check if nx is implemented */
 120         movl    $0x80000001, %eax
 121         cpuid
 122         movl    %edx,%edi
 123
 124         /* Setup EFER (Extended Feature Enable Register) */
 125         movl    $MSR_EFER, %ecx
 126         rdmsr
 127
 128         /* Enable System Call */
 129         btsl    $_EFER_SCE, %eax
 130
 131         /* No Execute supported? */
 132         btl     $20,%edi
 133         jnc     1f
 134         btsl    $_EFER_NX, %eax
 135 1:
 136         /* Make changes effective */
 137         wrmsr
 138
 139         /* Setup cr0 */
 140 #define CR0_PM                          1               /* protected mode */
 141 #define CR0_MP                          (1<<1)
 142 #define CR0_ET                          (1<<4)
 143 #define CR0_NE                          (1<<5)
 144 #define CR0_WP                          (1<<16)
 145 #define CR0_AM                          (1<<18)
 146 #define CR0_PAGING                      (1<<31)
 147         movl $CR0_PM|CR0_MP|CR0_ET|CR0_NE|CR0_WP|CR0_AM|CR0_PAGING,%eax
 148         /* Make changes effective */
 149         movq    %rax, %cr0
 150
 151         /* Setup a boot time stack */
 152         movq init_rsp(%rip),%rsp
 153
 154         /* zero EFLAGS after setting rsp */
 155         pushq $0
 156         popfq
 157
 158         /*
 159          * We must switch to a new descriptor in kernel space for the GDT
 160          * because soon the kernel won't have access anymore to the userspace
 161          * addresses where we're currently running on. We have to do that here
 162          * because in 32bit we couldn't load a 64bit linear address.
 163          */
 164         lgdt    cpu_gdt_descr
 165
 166         /*
 167          * Setup up a dummy PDA. this is just for some early bootup code
 168          * that does in_interrupt()
 169          */
 170         movl    $MSR_GS_BASE,%ecx
 171         movq    $empty_zero_page,%rax
 172         movq    %rax,%rdx
 173         shrq    $32,%rdx
 174         wrmsr
 175
 176         /* set up data segments. actually 0 would do too */
 177         movl $__KERNEL_DS,%eax
 178         movl %eax,%ds
 179         movl %eax,%ss
 180         movl %eax,%es
 181
 182         /* esi is pointer to real mode structure with interesting info.
 183            pass it to C */
 184         movl    %esi, %edi
 185
 186         /* Finally jump to run C code and to be on real kernel address
 187          * Since we are running on identity-mapped space we have to jump
 188          * to the full 64bit address, this is only possible as indirect
 189          * jump.  In addition we need to ensure %cs is set so we make this
 190          * a far return.
 191          */
 192         movq    initial_code(%rip),%rax
 193         pushq   $0              # fake return address to stop unwinder
 194         pushq   $__KERNEL_CS    # set correct cs
 195         pushq   %rax            # target address in negative space
 196         lretq
 197
 198         /* SMP bootup changes these two */
 199         .align  8
 200         .globl  initial_code
 201 initial_code:
 202         .quad   x86_64_start_kernel
 203         .globl init_rsp
 204 init_rsp:
 205         .quad  init_thread_union+THREAD_SIZE-8
 206
 207 ENTRY(early_idt_handler)
 208         cmpl $2,early_recursion_flag(%rip)
 209         jz  1f
 210         incl early_recursion_flag(%rip)
 211         xorl %eax,%eax
 212         movq 8(%rsp),%rsi       # get rip
 213         movq (%rsp),%rdx
 214         movq %cr2,%rcx
 215         leaq early_idt_msg(%rip),%rdi
 216         call early_printk
 217         cmpl $2,early_recursion_flag(%rip)
 218         jz  1f
 219         call dump_stack
 220 #ifdef CONFIG_KALLSYMS
 221         leaq early_idt_ripmsg(%rip),%rdi
 222         movq 8(%rsp),%rsi       # get rip again
 223         call __print_symbol
 224 #endif
 225 1:      hlt
 226         jmp 1b
 227 early_recursion_flag:
 228         .long 0
 229
 230 early_idt_msg:
 231         .asciz "PANIC: early exception rip %lx error %lx cr2 %lx\n"
 232 early_idt_ripmsg:
 233         .asciz "RIP %s\n"
 234
 235 .code32
 236 ENTRY(no_long_mode)
 237         /* This isn't an x86-64 CPU so hang */
 238 1:
 239         jmp     1b
 240
 241 .org 0xf00
 242         .globl pGDT32
 243 pGDT32:
 244         .word   gdt_end-cpu_gdt_table-1
 245         .long   cpu_gdt_table-__START_KERNEL_map
 246
 247 .org 0xf10
 248 ljumpvector:
 249         .long   startup_64-__START_KERNEL_map
 250         .word   __KERNEL_CS
 251
 252 ENTRY(stext)
 253 ENTRY(_stext)
 254
 255         $page = 0
 256 #define NEXT_PAGE(name) \
 257         $page = $page + 1; \
 258         .org $page * 0x1000; \
 259         phys_/**/name = $page * 0x1000 + __PHYSICAL_START; \
 260 ENTRY(name)
 261
 262 NEXT_PAGE(init_level4_pgt)
 263         /* This gets initialized in x86_64_start_kernel */
 264         .fill   512,8,0
 265
 266 NEXT_PAGE(level3_ident_pgt)
 267         .quad   phys_level2_ident_pgt | 0x007
 268         .fill   511,8,0
 269
 270 NEXT_PAGE(level3_kernel_pgt)
 271         .fill   510,8,0
 272         /* (2^48-(2*1024*1024*1024)-((2^39)*511))/(2^30) = 510 */
 273         .quad   phys_level2_kernel_pgt | 0x007
 274         .fill   1,8,0
 275
 276 NEXT_PAGE(level2_ident_pgt)
 277         /* 40MB for bootup.     */
 278         i = 0
 279         .rept 20
 280         .quad   i << 21 | 0x083
 281         i = i + 1
 282         .endr
 283         /* Temporary mappings for the super early allocator in arch/x86_64/mm/init.c */
 284         .globl temp_boot_pmds
 285 temp_boot_pmds:
 286         .fill   492,8,0
 287
 288 NEXT_PAGE(level2_kernel_pgt)
 289         /* 40MB kernel mapping. The kernel code cannot be bigger than that.
 290            When you change this change KERNEL_TEXT_SIZE in page.h too. */
 291         /* (2^48-(2*1024*1024*1024)-((2^39)*511)-((2^30)*510)) = 0 */
 292         i = 0
 293         .rept 20
 294         .quad   i << 21 | 0x183
 295         i = i + 1
 296         .endr
 297         /* Module mapping starts here */
 298         .fill   492,8,0
 299
 300 NEXT_PAGE(level3_physmem_pgt)
 301         .quad   phys_level2_kernel_pgt | 0x007  /* so that __va works even before pagetable_init */
 302         .fill   511,8,0
 303
 304 #undef NEXT_PAGE
 305
 306         .data
 307
 308 #ifdef CONFIG_ACPI_SLEEP
 309         .align PAGE_SIZE
 310 ENTRY(wakeup_level4_pgt)
 311         .quad   phys_level3_ident_pgt | 0x007
 312         .fill   255,8,0
 313         .quad   phys_level3_physmem_pgt | 0x007
 314         .fill   254,8,0
 315         /* (2^48-(2*1024*1024*1024))/(2^39) = 511 */
 316         .quad   phys_level3_kernel_pgt | 0x007
 317 #endif
 318
 319 #ifndef CONFIG_HOTPLUG_CPU
 320         __INITDATA
 321 #endif
 322         /*
 323          * This default setting generates an ident mapping at address 0x100000
 324          * and a mapping for the kernel that precisely maps virtual address
 325          * 0xffffffff80000000 to physical address 0x000000. (always using
 326          * 2Mbyte large pages provided by PAE mode)
 327          */
 328         .align PAGE_SIZE
 329 ENTRY(boot_level4_pgt)
 330         .quad   phys_level3_ident_pgt | 0x007
 331         .fill   255,8,0
 332         .quad   phys_level3_physmem_pgt | 0x007
 333         .fill   254,8,0
 334         /* (2^48-(2*1024*1024*1024))/(2^39) = 511 */
 335         .quad   phys_level3_kernel_pgt | 0x007
 336
 337         .data
 338
 339         .align 16
 340         .globl cpu_gdt_descr
 341 cpu_gdt_descr:
 342         .word   gdt_end-cpu_gdt_table-1
 343 gdt:
 344         .quad   cpu_gdt_table
 345 #ifdef CONFIG_SMP
 346         .rept   NR_CPUS-1
 347         .word   0
 348         .quad   0
 349         .endr
 350 #endif
 351
 352 /* We need valid kernel segments for data and code in long mode too
 353  * IRET will check the segment types  kkeil 2000/10/28
 354  * Also sysret mandates a special GDT layout
 355  */
 356
 357         .section .data.page_aligned, "aw"
 358         .align PAGE_SIZE
 359
 360 /* The TLS descriptors are currently at a different place compared to i386.
 361    Hopefully nobody expects them at a fixed place (Wine?) */
 362
 363 ENTRY(cpu_gdt_table)
 364         .quad   0x0000000000000000      /* NULL descriptor */
 365         .quad   0x0                     /* unused */
 366         .quad   0x00af9a000000ffff      /* __KERNEL_CS */
 367         .quad   0x00cf92000000ffff      /* __KERNEL_DS */
 368         .quad   0x00cffa000000ffff      /* __USER32_CS */
 369         .quad   0x00cff2000000ffff      /* __USER_DS, __USER32_DS  */
 370         .quad   0x00affa000000ffff      /* __USER_CS */
 371         .quad   0x00cf9a000000ffff      /* __KERNEL32_CS */
 372         .quad   0,0                     /* TSS */
 373         .quad   0,0                     /* LDT */
 374         .quad   0,0,0                   /* three TLS descriptors */
 375         .quad   0x0000f40000000000      /* node/CPU stored in limit */
 376 gdt_end:
 377         /* asm/segment.h:GDT_ENTRIES must match this */
 378         /* This should be a multiple of the cache line size */
 379         /* GDTs of other CPUs are now dynamically allocated */
 380
 381         /* zero the remaining page */
 382         .fill PAGE_SIZE / 8 - GDT_ENTRIES,8,0
 383
 384         .section .bss, "aw", @nobits
 385         .align L1_CACHE_BYTES
 386 ENTRY(idt_table)
 387         .skip 256 * 16
 388
 389         .section .bss.page_aligned, "aw", @nobits
 390         .align PAGE_SIZE
 391 ENTRY(empty_zero_page)
 392         .skip PAGE_SIZE