arch/x86/kernel/espfix_64.c

   1 /* ----------------------------------------------------------------------- *
   2  *
   3  *   Copyright 2014 Intel Corporation; author: H. Peter Anvin
   4  *
   5  *   This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   6  *   under the terms and conditions of the GNU General Public License,
   7  *   version 2, as published by the Free Software Foundation.
   8  *
   9  *   This program is distributed in the hope it will be useful, but WITHOUT
  10  *   ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
  11  *   FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for
  12  *   more details.
  13  *
  14  * ----------------------------------------------------------------------- */
  15
  16 /*
  17  * The IRET instruction, when returning to a 16-bit segment, only
  18  * restores the bottom 16 bits of the user space stack pointer.  This
  19  * causes some 16-bit software to break, but it also leaks kernel state
  20  * to user space.
  21  *
  22  * This works around this by creating percpu "ministacks", each of which
  23  * is mapped 2^16 times 64K apart.  When we detect that the return SS is
  24  * on the LDT, we copy the IRET frame to the ministack and use the
  25  * relevant alias to return to userspace.  The ministacks are mapped
  26  * readonly, so if the IRET fault we promote #GP to #DF which is an IST
  27  * vector and thus has its own stack; we then do the fixup in the #DF
  28  * handler.
  29  *
  30  * This file sets up the ministacks and the related page tables.  The
  31  * actual ministack invocation is in entry_64.S.
  32  */
  33
  34 #include <linux/init.h>
  35 #include <linux/init_task.h>
  36 #include <linux/kernel.h>
  37 #include <linux/percpu.h>
  38 #include <linux/gfp.h>
  39 #include <linux/random.h>
  40 #include <asm/pgtable.h>
  41 #include <asm/pgalloc.h>
  42 #include <asm/setup.h>
  43 #include <asm/espfix.h>
  44 #include <asm/kaiser.h>
  45
  46 /*
  47  * Note: we only need 6*8 = 48 bytes for the espfix stack, but round
  48  * it up to a cache line to avoid unnecessary sharing.
  49  */
  50 #define ESPFIX_STACK_SIZE       (8*8UL)
  51 #define ESPFIX_STACKS_PER_PAGE  (PAGE_SIZE/ESPFIX_STACK_SIZE)
  52
  53 /* There is address space for how many espfix pages? */
  54 #define ESPFIX_PAGE_SPACE       (1UL << (PGDIR_SHIFT-PAGE_SHIFT-16))
  55
  56 #define ESPFIX_MAX_CPUS         (ESPFIX_STACKS_PER_PAGE * ESPFIX_PAGE_SPACE)
  57 #if CONFIG_NR_CPUS > ESPFIX_MAX_CPUS
  58 # error "Need more than one PGD for the ESPFIX hack"
  59 #endif
  60
  61 #define PGALLOC_GFP (GFP_KERNEL | __GFP_NOTRACK | __GFP_REPEAT | __GFP_ZERO)
  62
  63 /* This contains the *bottom* address of the espfix stack */
  64 DEFINE_PER_CPU_READ_MOSTLY(unsigned long, espfix_stack);
  65 DEFINE_PER_CPU_READ_MOSTLY(unsigned long, espfix_waddr);
  66
  67 /* Initialization mutex - should this be a spinlock? */
  68 static DEFINE_MUTEX(espfix_init_mutex);
  69
  70 /* Page allocation bitmap - each page serves ESPFIX_STACKS_PER_PAGE CPUs */
  71 #define ESPFIX_MAX_PAGES  DIV_ROUND_UP(CONFIG_NR_CPUS, ESPFIX_STACKS_PER_PAGE)
  72 static void *espfix_pages[ESPFIX_MAX_PAGES];
  73
  74 static __page_aligned_bss pud_t espfix_pud_page[PTRS_PER_PUD]
  75         __aligned(PAGE_SIZE);
  76
  77 static unsigned int page_random, slot_random;
  78
  79 /*
  80  * This returns the bottom address of the espfix stack for a specific CPU.
  81  * The math allows for a non-power-of-two ESPFIX_STACK_SIZE, in which case
  82  * we have to account for some amount of padding at the end of each page.
  83  */
  84 static inline unsigned long espfix_base_addr(unsigned int cpu)
  85 {
  86         unsigned long page, slot;
  87         unsigned long addr;
  88
  89         page = (cpu / ESPFIX_STACKS_PER_PAGE) ^ page_random;
  90         slot = (cpu + slot_random) % ESPFIX_STACKS_PER_PAGE;
  91         addr = (page << PAGE_SHIFT) + (slot * ESPFIX_STACK_SIZE);
  92         addr = (addr & 0xffffUL) | ((addr & ~0xffffUL) << 16);
  93         addr += ESPFIX_BASE_ADDR;
  94         return addr;
  95 }
  96
  97 #define PTE_STRIDE        (65536/PAGE_SIZE)
  98 #define ESPFIX_PTE_CLONES (PTRS_PER_PTE/PTE_STRIDE)
  99 #define ESPFIX_PMD_CLONES PTRS_PER_PMD
 100 #define ESPFIX_PUD_CLONES (65536/(ESPFIX_PTE_CLONES*ESPFIX_PMD_CLONES))
 101
 102 #define PGTABLE_PROT      ((_KERNPG_TABLE & ~_PAGE_RW) | _PAGE_NX)
 103
 104 static void init_espfix_random(void)
 105 {
 106         unsigned long rand;
 107
 108         /*
 109          * This is run before the entropy pools are initialized,
 110          * but this is hopefully better than nothing.
 111          */
 112         if (!arch_get_random_long(&rand)) {
 113                 /* The constant is an arbitrary large prime */
 114                 rdtscll(rand);
 115                 rand *= 0xc345c6b72fd16123UL;
 116         }
 117
 118         slot_random = rand % ESPFIX_STACKS_PER_PAGE;
 119         page_random = (rand / ESPFIX_STACKS_PER_PAGE)
 120                 & (ESPFIX_PAGE_SPACE - 1);
 121 }
 122
 123 void __init init_espfix_bsp(void)
 124 {
 125         pgd_t *pgd_p;
 126         pteval_t ptemask;
 127
 128         ptemask = __supported_pte_mask;
 129
 130         /* Install the espfix pud into the kernel page directory */
 131         pgd_p = &init_level4_pgt[pgd_index(ESPFIX_BASE_ADDR)];
 132         pgd_populate(&init_mm, pgd_p, (pud_t *)espfix_pud_page);
 133         /*
 134          * Just copy the top-level PGD that is mapping the espfix
 135          * area to ensure it is mapped into the shadow user page
 136          * tables.
 137          */
 138         if (kaiser_enabled) {
 139                 set_pgd(native_get_shadow_pgd(pgd_p),
 140                         __pgd(_KERNPG_TABLE | __pa((pud_t *)espfix_pud_page)));
 141         }
 142
 143         /* Randomize the locations */
 144         init_espfix_random();
 145
 146         /* The rest is the same as for any other processor */
 147         init_espfix_ap();
 148 }
 149
 150 void init_espfix_ap(void)
 151 {
 152         unsigned int cpu, page;
 153         unsigned long addr;
 154         pud_t pud, *pud_p;
 155         pmd_t pmd, *pmd_p;
 156         pte_t pte, *pte_p;
 157         int n;
 158         void *stack_page;
 159         pteval_t ptemask;
 160
 161         /* We only have to do this once... */
 162         if (likely(this_cpu_read(espfix_stack)))
 163                 return;         /* Already initialized */
 164
 165         cpu = smp_processor_id();
 166         addr = espfix_base_addr(cpu);
 167         page = cpu/ESPFIX_STACKS_PER_PAGE;
 168
 169         /* Did another CPU already set this up? */
 170         stack_page = ACCESS_ONCE(espfix_pages[page]);
 171         if (likely(stack_page))
 172                 goto done;
 173
 174         mutex_lock(&espfix_init_mutex);
 175
 176         /* Did we race on the lock? */
 177         stack_page = ACCESS_ONCE(espfix_pages[page]);
 178         if (stack_page)
 179                 goto unlock_done;
 180
 181         ptemask = __supported_pte_mask;
 182
 183         pud_p = &espfix_pud_page[pud_index(addr)];
 184         pud = *pud_p;
 185         if (!pud_present(pud)) {
 186                 pmd_p = (pmd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 187                 pud = __pud(__pa(pmd_p) | (PGTABLE_PROT & ptemask));
 188                 paravirt_alloc_pmd(&init_mm, __pa(pmd_p) >> PAGE_SHIFT);
 189                 for (n = 0; n < ESPFIX_PUD_CLONES; n++)
 190                         set_pud(&pud_p[n], pud);
 191         }
 192
 193         pmd_p = pmd_offset(&pud, addr);
 194         pmd = *pmd_p;
 195         if (!pmd_present(pmd)) {
 196                 pte_p = (pte_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);
 197                 pmd = __pmd(__pa(pte_p) | (PGTABLE_PROT & ptemask));
 198                 paravirt_alloc_pte(&init_mm, __pa(pte_p) >> PAGE_SHIFT);
 199                 for (n = 0; n < ESPFIX_PMD_CLONES; n++)
 200                         set_pmd(&pmd_p[n], pmd);
 201         }
 202
 203         pte_p = pte_offset_kernel(&pmd, addr);
 204         stack_page = (void *)__get_free_page(GFP_KERNEL);
 205         pte = __pte(__pa(stack_page) | (__PAGE_KERNEL_RO & ptemask));
 206         for (n = 0; n < ESPFIX_PTE_CLONES; n++)
 207                 set_pte(&pte_p[n*PTE_STRIDE], pte);
 208
 209         /* Job is done for this CPU and any CPU which shares this page */
 210         ACCESS_ONCE(espfix_pages[page]) = stack_page;
 211
 212 unlock_done:
 213         mutex_unlock(&espfix_init_mutex);
 214 done:
 215         this_cpu_write(espfix_stack, addr);
 216         this_cpu_write(espfix_waddr, (unsigned long)stack_page
 217                        + (addr & ~PAGE_MASK));
 218 }