x86: fast core_id() option
[akaros.git] / kern / arch / x86 / smp_boot.c
1 /*
2  * Copyright (c) 2009 The Regents of the University of California
3  * Barret Rhoden <brho@cs.berkeley.edu>
4  * See LICENSE for details.
5  */
6
7 #ifdef __SHARC__
8 #pragma nosharc
9 #define SINIT(x) x
10 #endif
11
12 #include <arch/x86.h>
13 #include <arch/arch.h>
14 #include <smp.h>
15 #include <arch/console.h>
16 #include <arch/apic.h>
17 #include <arch/perfmon.h>
18 #include <time.h>
19
20 #include <bitmask.h>
21 #include <atomic.h>
22 #include <error.h>
23 #include <stdio.h>
24 #include <string.h>
25 #include <assert.h>
26 #include <pmap.h>
27 #include <env.h>
28 #include <trap.h>
29 #include <kmalloc.h>
30
31 extern handler_wrapper_t (RO handler_wrappers)[NUM_HANDLER_WRAPPERS];
32 volatile uint32_t num_cpus = 0xee;
33 uintptr_t RO smp_stack_top;
34
35 #define DECLARE_HANDLER_CHECKLISTS(vector)                          \
36         INIT_CHECKLIST(f##vector##_cpu_list, MAX_NUM_CPUS);
37
38 #define INIT_HANDLER_WRAPPER(v)                                     \
39 {                                                                   \
40         handler_wrappers[(v)].vector = 0xf##v;                          \
41         handler_wrappers[(v)].cpu_list = &f##v##_cpu_list;              \
42         handler_wrappers[(v)].cpu_list->mask.size = num_cpus;           \
43 }
44
45 DECLARE_HANDLER_CHECKLISTS(0);
46 DECLARE_HANDLER_CHECKLISTS(1);
47 DECLARE_HANDLER_CHECKLISTS(2);
48 DECLARE_HANDLER_CHECKLISTS(3);
49 DECLARE_HANDLER_CHECKLISTS(4);
50
51 static void init_smp_call_function(void)
52 {
53         INIT_HANDLER_WRAPPER(0);
54         INIT_HANDLER_WRAPPER(1);
55         INIT_HANDLER_WRAPPER(2);
56         INIT_HANDLER_WRAPPER(3);
57         INIT_HANDLER_WRAPPER(4);
58 }
59
60 /******************************************************************************/
61
62 static void smp_final_core_init(struct hw_trapframe *hw_tf, void *data)
63 {
64 #ifdef CONFIG_FAST_COREID
65         /* Need to bootstrap the rdtscp MSR with our OS coreid */
66         int coreid = get_os_coreid(hw_core_id());
67         write_msr(MSR_TSC_AUX, coreid);
68 #endif
69         setup_default_mtrrs(data);
70         smp_percpu_init();
71         waiton_barrier(data);
72 }
73
74 // this needs to be set in smp_entry too...
75 #define trampoline_pg 0x00001000UL
76 extern char (SNT SREADONLY smp_entry)[];
77 extern char (SNT SREADONLY smp_entry_end)[];
78 extern char (SNT SREADONLY smp_boot_lock)[];
79 extern char (SNT SREADONLY smp_semaphore)[];
80
81 static inline uint16_t *get_smp_semaphore()
82 {
83         return (uint16_t *)(smp_semaphore - smp_entry + trampoline_pg);
84 }
85
86 static void __spin_bootlock_raw(void)
87 {
88         uint16_t *bootlock = (uint16_t*)(smp_boot_lock - smp_entry + trampoline_pg);
89         /* Same lock code as in smp_entry */
90         asm volatile ("movw $1, %%ax;   "
91                                   "1:               "
92                       "xchgw %%ax, %0;  "
93                       "test %%ax, %%ax; "
94                       "jne 1b;" : : "m"(*bootlock) : "eax", "cc", "memory");
95 }
96
97 /* hw_coreid_lookup will get packed, but keep it's hw values.  
98  * os_coreid_lookup will remain sparse, but it's values will be consecutive.
99  * for both arrays, -1 means an empty slot.  hw_step tracks the next valid entry
100  * in hw_coreid_lookup, jumping over gaps of -1's. */
101 static void smp_remap_coreids(void)
102 {
103         for (int i = 0, hw_step = 0; i < num_cpus; i++, hw_step++) {
104                 if (hw_coreid_lookup[i] == -1) {
105                         while (hw_coreid_lookup[hw_step] == -1) {
106                                 hw_step++;
107                                 if (hw_step == MAX_NUM_CPUS)
108                                         panic("Mismatch in num_cpus and hw_step");
109                         }
110                         hw_coreid_lookup[i] = hw_coreid_lookup[hw_step];
111                         hw_coreid_lookup[hw_step] = -1;
112                         os_coreid_lookup[hw_step] = i;
113                 }
114         }
115 }
116
117 void smp_boot(void)
118 {
119         /* set core0's mappings */
120         assert(lapic_get_id() == 0);
121         os_coreid_lookup[0] = 0;
122         hw_coreid_lookup[0] = 0;
123
124         page_t *smp_stack;
125         // NEED TO GRAB A LOWMEM FREE PAGE FOR AP BOOTUP CODE
126         // page1 (2nd page) is reserved, hardcoded in pmap.c
127         memset(KADDR(trampoline_pg), 0, PGSIZE);
128         memcpy(KADDR(trampoline_pg), (void *COUNT(PGSIZE))TC(smp_entry),
129            smp_entry_end - smp_entry);
130
131         /* 64 bit already has the tramp pg mapped (1 GB of lowmem)  */
132 #ifndef CONFIG_X86_64
133         // This mapping allows access to the trampoline with paging on and off
134         // via trampoline_pg
135         page_insert(boot_pgdir, pa2page(trampoline_pg), (void*SNT)trampoline_pg, PTE_W);
136 #endif
137
138         // Allocate a stack for the cores starting up.  One for all, must share
139         if (kpage_alloc(&smp_stack))
140                 panic("No memory for SMP boot stack!");
141         smp_stack_top = SINIT((uintptr_t)(page2kva(smp_stack) + PGSIZE));
142
143         // Start the IPI process (INIT, wait, SIPI, wait, SIPI, wait)
144         send_init_ipi();
145         // SDM 3A is a little wonky wrt the proper delays.  These are my best guess.
146         udelay(10000);
147         // first SIPI
148         send_startup_ipi(0x01);
149         /* BOCHS does not like this second SIPI.
150         // second SIPI
151         udelay(200);
152         send_startup_ipi(0x01);
153         */
154         udelay(500000);
155
156         // Each core will also increment smp_semaphore, and decrement when it is done,
157         // all in smp_entry.  It's purpose is to keep Core0 from competing for the
158         // smp_boot_lock.  So long as one AP increments the sem before the final
159         // LAPIC timer goes off, all available cores will be initialized.
160         while (*get_smp_semaphore())
161                 cpu_relax();
162
163         // From here on, no other cores are coming up.  Grab the lock to ensure it.
164         // Another core could be in it's prelock phase and be trying to grab the lock
165         // forever....
166         // The lock exists on the trampoline, so it can be grabbed right away in
167         // real mode.  If core0 wins the race and blocks other CPUs from coming up
168         // it can crash the machine if the other cores are allowed to proceed with
169         // booting.  Specifically, it's when they turn on paging and have that temp
170         // mapping pulled out from under them.  Now, if a core loses, it will spin
171         // on the trampoline (which we must be careful to not deallocate)
172         __spin_bootlock_raw();
173         printk("Number of Cores Detected: %d\n", num_cpus);
174 #ifdef CONFIG_DISABLE_SMT
175         assert(!(num_cpus % 2));
176         printk("Using only %d Idlecores (SMT Disabled)\n", num_cpus >> 1);
177 #endif /* CONFIG_DISABLE_SMT */
178         smp_remap_coreids();
179
180         /* cleans up the trampoline page, and any other low boot mem mappings */
181         x86_cleanup_bootmem();
182         // It had a refcount of 2 earlier, so we need to dec once more to free it
183         // but only if all cores are in (or we reset / reinit those that failed)
184         // TODO after we parse ACPI tables
185         if (num_cpus == 8) // TODO - ghetto coded for our 8 way SMPs
186                 page_decref(pa2page(trampoline_pg));
187         // Dealloc the temp shared stack
188         page_decref(smp_stack);
189
190         // Set up the generic remote function call facility
191         init_smp_call_function();
192
193         /* Final core initialization */
194         barrier_t generic_barrier;
195         init_barrier(&generic_barrier, num_cpus);
196         /* This will break the cores out of their hlt in smp_entry.S */
197         smp_call_function_all(smp_final_core_init, &generic_barrier, 0);
198 }
199
200 /* This is called from smp_entry by each core to finish the core bootstrapping.
201  * There is a spinlock around this entire function in smp_entry, for a few
202  * reasons, the most important being that all cores use the same stack when
203  * entering here.
204  *
205  * Do not use per_cpu_info in here.  Do whatever you need in smp_percpu_init().
206  */
207 uintptr_t smp_main(void)
208 {
209         /*
210         // Print some diagnostics.  Uncomment if there're issues.
211         cprintf("Good morning Vietnam!\n");
212         cprintf("This core's Default APIC ID: 0x%08x\n", lapic_get_default_id());
213         cprintf("This core's Current APIC ID: 0x%08x\n", lapic_get_id());
214         if (read_msr(IA32_APIC_BASE) & 0x00000100)
215                 cprintf("I am the Boot Strap Processor\n");
216         else
217                 cprintf("I am an Application Processor\n");
218         cprintf("Num_Cpus: %d\n\n", num_cpus);
219         */
220         /* set up initial mappings.  core0 will adjust it later */
221         unsigned long my_hw_id = lapic_get_id();
222         os_coreid_lookup[my_hw_id] = my_hw_id;
223         hw_coreid_lookup[my_hw_id] = my_hw_id;
224
225         // Get a per-core kernel stack
226         page_t *my_stack;
227         if (kpage_alloc(&my_stack))
228                 panic("Unable to alloc a per-core stack!");
229         memset(page2kva(my_stack), 0, PGSIZE);
230         uintptr_t my_stack_top = (uintptr_t)page2kva(my_stack) + PGSIZE;
231
232         /* This blob is the GDT, the GDT PD, and the TSS. */
233         unsigned int blob_size = sizeof(segdesc_t) * SEG_COUNT +
234                                  sizeof(pseudodesc_t) + sizeof(taskstate_t);
235         /* TODO: don't use kmalloc - might have issues in the future */
236         void *gdt_etc = kmalloc(blob_size, 0);          /* we'll never free this btw */
237         taskstate_t *my_ts = gdt_etc;
238         pseudodesc_t *my_gdt_pd = (void*)my_ts + sizeof(taskstate_t);
239         segdesc_t *my_gdt = (void*)my_gdt_pd + sizeof(pseudodesc_t);
240         /* This is a bit ghetto: we need to communicate our GDT and TSS's location
241          * to smp_percpu_init(), but we can't trust our coreid (since they haven't
242          * been remapped yet (so we can't write it directly to per_cpu_info)).  So
243          * we use the bottom of the stack page... */
244         *(uintptr_t*)page2kva(my_stack) = (uintptr_t)gdt_etc;
245
246         // Build and load the gdt / gdt_pd
247         memcpy(my_gdt, gdt, sizeof(segdesc_t)*SEG_COUNT);
248         *my_gdt_pd = (pseudodesc_t) {
249                 sizeof(segdesc_t)*SEG_COUNT - 1, (uintptr_t) my_gdt };
250         asm volatile("lgdt %0" : : "m"(*my_gdt_pd));
251
252         /* Set up our kernel stack when changing rings */
253         x86_set_stacktop_tss(my_ts, my_stack_top);
254         // Initialize the TSS field of my_gdt.
255         syssegdesc_t *ts_slot = (syssegdesc_t*)&my_gdt[GD_TSS >> 3];
256         *ts_slot = (syssegdesc_t)SEG_SYS_SMALL(STS_T32A, (uintptr_t)my_ts,
257                                                sizeof(taskstate_t), 0);
258         // Load the TSS
259         ltr(GD_TSS);
260
261         // Loads the same IDT used by the other cores
262         asm volatile("lidt %0" : : "m"(idt_pd));
263
264         // APIC setup
265         // set LINT0 to receive ExtINTs (KVM's default).  At reset they are 0x1000.
266         write_mmreg32(LAPIC_LVT_LINT0, 0x700);
267         // mask it to shut it up for now.  Doesn't seem to matter yet, since both
268         // KVM and Bochs seem to only route the PIC to core0.
269         mask_lapic_lvt(LAPIC_LVT_LINT0);
270         // and then turn it on
271         lapic_enable();
272
273         // set a default logical id for now
274         lapic_set_logid(lapic_get_id());
275
276         return my_stack_top; // will be loaded in smp_entry.S
277 }
278
279 /* Perform any initialization needed by per_cpu_info.  Make sure every core
280  * calls this at some point in the smp_boot process.  If you don't smp_boot, you
281  * must still call this for core 0.  This must NOT be called from smp_main,
282  * since it relies on the kernel stack pointer to find the gdt.  Be careful not
283  * to call it on too deep of a stack frame. */
284 void __arch_pcpu_init(uint32_t coreid)
285 {
286         uintptr_t my_stack_bot;
287         struct per_cpu_info *pcpui = &per_cpu_info[coreid];
288
289         /* Flushes any potentially old mappings from smp_boot() (note the page table
290          * removal) */
291         tlbflush();
292         /* Ensure the FPU units are initialized */
293         asm volatile ("fninit");
294
295         /* Enable SSE instructions.  We might have to do more, like masking certain
296          * flags or exceptions in the MXCSR, or at least handle the SIMD exceptions.
297          * We don't do it for FP yet either, so YMMV. */
298         lcr4(rcr4() | CR4_OSFXSR | CR4_OSXMME);
299
300         /* core 0 sets up via the global gdt symbol */
301         if (!coreid) {
302                 pcpui->tss = &ts;
303                 pcpui->gdt = gdt;
304         } else {
305                 my_stack_bot = ROUNDDOWN(read_sp(), PGSIZE);
306                 pcpui->tss = (taskstate_t*)(*(uintptr_t*)my_stack_bot);
307                 pcpui->gdt = (segdesc_t*)(*(uintptr_t*)my_stack_bot +
308                                           sizeof(taskstate_t) + sizeof(pseudodesc_t));
309         }
310 #ifdef CONFIG_X86_64
311         /* Core 0 set up the base MSRs in entry64 */
312         if (!coreid) {
313                 assert(read_msr(MSR_GS_BASE) == (uint64_t)pcpui);
314                 assert(read_msr(MSR_KERN_GS_BASE) == (uint64_t)pcpui);
315         } else {
316                 write_msr(MSR_GS_BASE, (uint64_t)pcpui);
317                 write_msr(MSR_KERN_GS_BASE, (uint64_t)pcpui);
318         }
319 #endif
320         /* Don't try setting up til after setting GS */
321         x86_sysenter_init(x86_get_stacktop_tss(pcpui->tss));
322         /* need to init perfctr before potentiall using it in timer handler */
323         perfmon_init();
324 }