Linux-libre 5.3.12-gnu
[librecmc/linux-libre.git] / arch / x86 / boot / compressed / head_64.S
1 /* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
2 /*
3  *  linux/boot/head.S
4  *
5  *  Copyright (C) 1991, 1992, 1993  Linus Torvalds
6  */
7
8 /*
9  *  head.S contains the 32-bit startup code.
10  *
11  * NOTE!!! Startup happens at absolute address 0x00001000, which is also where
12  * the page directory will exist. The startup code will be overwritten by
13  * the page directory. [According to comments etc elsewhere on a compressed
14  * kernel it will end up at 0x1000 + 1Mb I hope so as I assume this. - AC]
15  *
16  * Page 0 is deliberately kept safe, since System Management Mode code in 
17  * laptops may need to access the BIOS data stored there.  This is also
18  * useful for future device drivers that either access the BIOS via VM86 
19  * mode.
20  */
21
22 /*
23  * High loaded stuff by Hans Lermen & Werner Almesberger, Feb. 1996
24  */
25         .code32
26         .text
27
28 #include <linux/init.h>
29 #include <linux/linkage.h>
30 #include <asm/segment.h>
31 #include <asm/boot.h>
32 #include <asm/msr.h>
33 #include <asm/processor-flags.h>
34 #include <asm/asm-offsets.h>
35 #include <asm/bootparam.h>
36 #include "pgtable.h"
37
38 /*
39  * Locally defined symbols should be marked hidden:
40  */
41         .hidden _bss
42         .hidden _ebss
43         .hidden _got
44         .hidden _egot
45
46         __HEAD
47         .code32
48 ENTRY(startup_32)
49         /*
50          * 32bit entry is 0 and it is ABI so immutable!
51          * If we come here directly from a bootloader,
52          * kernel(text+data+bss+brk) ramdisk, zero_page, command line
53          * all need to be under the 4G limit.
54          */
55         cld
56         /*
57          * Test KEEP_SEGMENTS flag to see if the bootloader is asking
58          * us to not reload segments
59          */
60         testb $KEEP_SEGMENTS, BP_loadflags(%esi)
61         jnz 1f
62
63         cli
64         movl    $(__BOOT_DS), %eax
65         movl    %eax, %ds
66         movl    %eax, %es
67         movl    %eax, %ss
68 1:
69
70 /*
71  * Calculate the delta between where we were compiled to run
72  * at and where we were actually loaded at.  This can only be done
73  * with a short local call on x86.  Nothing  else will tell us what
74  * address we are running at.  The reserved chunk of the real-mode
75  * data at 0x1e4 (defined as a scratch field) are used as the stack
76  * for this calculation. Only 4 bytes are needed.
77  */
78         leal    (BP_scratch+4)(%esi), %esp
79         call    1f
80 1:      popl    %ebp
81         subl    $1b, %ebp
82
83 /* setup a stack and make sure cpu supports long mode. */
84         movl    $boot_stack_end, %eax
85         addl    %ebp, %eax
86         movl    %eax, %esp
87
88         call    verify_cpu
89         testl   %eax, %eax
90         jnz     no_longmode
91
92 /*
93  * Compute the delta between where we were compiled to run at
94  * and where the code will actually run at.
95  *
96  * %ebp contains the address we are loaded at by the boot loader and %ebx
97  * contains the address where we should move the kernel image temporarily
98  * for safe in-place decompression.
99  */
100
101 #ifdef CONFIG_RELOCATABLE
102         movl    %ebp, %ebx
103         movl    BP_kernel_alignment(%esi), %eax
104         decl    %eax
105         addl    %eax, %ebx
106         notl    %eax
107         andl    %eax, %ebx
108         cmpl    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
109         jge     1f
110 #endif
111         movl    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %ebx
112 1:
113
114         /* Target address to relocate to for decompression */
115         movl    BP_init_size(%esi), %eax
116         subl    $_end, %eax
117         addl    %eax, %ebx
118
119 /*
120  * Prepare for entering 64 bit mode
121  */
122
123         /* Load new GDT with the 64bit segments using 32bit descriptor */
124         addl    %ebp, gdt+2(%ebp)
125         lgdt    gdt(%ebp)
126
127         /* Enable PAE mode */
128         movl    %cr4, %eax
129         orl     $X86_CR4_PAE, %eax
130         movl    %eax, %cr4
131
132  /*
133   * Build early 4G boot pagetable
134   */
135         /*
136          * If SEV is active then set the encryption mask in the page tables.
137          * This will insure that when the kernel is copied and decompressed
138          * it will be done so encrypted.
139          */
140         call    get_sev_encryption_bit
141         xorl    %edx, %edx
142         testl   %eax, %eax
143         jz      1f
144         subl    $32, %eax       /* Encryption bit is always above bit 31 */
145         bts     %eax, %edx      /* Set encryption mask for page tables */
146 1:
147
148         /* Initialize Page tables to 0 */
149         leal    pgtable(%ebx), %edi
150         xorl    %eax, %eax
151         movl    $(BOOT_INIT_PGT_SIZE/4), %ecx
152         rep     stosl
153
154         /* Build Level 4 */
155         leal    pgtable + 0(%ebx), %edi
156         leal    0x1007 (%edi), %eax
157         movl    %eax, 0(%edi)
158         addl    %edx, 4(%edi)
159
160         /* Build Level 3 */
161         leal    pgtable + 0x1000(%ebx), %edi
162         leal    0x1007(%edi), %eax
163         movl    $4, %ecx
164 1:      movl    %eax, 0x00(%edi)
165         addl    %edx, 0x04(%edi)
166         addl    $0x00001000, %eax
167         addl    $8, %edi
168         decl    %ecx
169         jnz     1b
170
171         /* Build Level 2 */
172         leal    pgtable + 0x2000(%ebx), %edi
173         movl    $0x00000183, %eax
174         movl    $2048, %ecx
175 1:      movl    %eax, 0(%edi)
176         addl    %edx, 4(%edi)
177         addl    $0x00200000, %eax
178         addl    $8, %edi
179         decl    %ecx
180         jnz     1b
181
182         /* Enable the boot page tables */
183         leal    pgtable(%ebx), %eax
184         movl    %eax, %cr3
185
186         /* Enable Long mode in EFER (Extended Feature Enable Register) */
187         movl    $MSR_EFER, %ecx
188         rdmsr
189         btsl    $_EFER_LME, %eax
190         wrmsr
191
192         /* After gdt is loaded */
193         xorl    %eax, %eax
194         lldt    %ax
195         movl    $__BOOT_TSS, %eax
196         ltr     %ax
197
198         /*
199          * Setup for the jump to 64bit mode
200          *
201          * When the jump is performend we will be in long mode but
202          * in 32bit compatibility mode with EFER.LME = 1, CS.L = 0, CS.D = 1
203          * (and in turn EFER.LMA = 1).  To jump into 64bit mode we use
204          * the new gdt/idt that has __KERNEL_CS with CS.L = 1.
205          * We place all of the values on our mini stack so lret can
206          * used to perform that far jump.
207          */
208         pushl   $__KERNEL_CS
209         leal    startup_64(%ebp), %eax
210 #ifdef CONFIG_EFI_MIXED
211         movl    efi32_config(%ebp), %ebx
212         cmp     $0, %ebx
213         jz      1f
214         leal    handover_entry(%ebp), %eax
215 1:
216 #endif
217         pushl   %eax
218
219         /* Enter paged protected Mode, activating Long Mode */
220         movl    $(X86_CR0_PG | X86_CR0_PE), %eax /* Enable Paging and Protected mode */
221         movl    %eax, %cr0
222
223         /* Jump from 32bit compatibility mode into 64bit mode. */
224         lret
225 ENDPROC(startup_32)
226
227 #ifdef CONFIG_EFI_MIXED
228         .org 0x190
229 ENTRY(efi32_stub_entry)
230         add     $0x4, %esp              /* Discard return address */
231         popl    %ecx
232         popl    %edx
233         popl    %esi
234
235         leal    (BP_scratch+4)(%esi), %esp
236         call    1f
237 1:      pop     %ebp
238         subl    $1b, %ebp
239
240         movl    %ecx, efi32_config(%ebp)
241         movl    %edx, efi32_config+8(%ebp)
242         sgdtl   efi32_boot_gdt(%ebp)
243
244         leal    efi32_config(%ebp), %eax
245         movl    %eax, efi_config(%ebp)
246
247         jmp     startup_32
248 ENDPROC(efi32_stub_entry)
249 #endif
250
251         .code64
252         .org 0x200
253 ENTRY(startup_64)
254         /*
255          * 64bit entry is 0x200 and it is ABI so immutable!
256          * We come here either from startup_32 or directly from a
257          * 64bit bootloader.
258          * If we come here from a bootloader, kernel(text+data+bss+brk),
259          * ramdisk, zero_page, command line could be above 4G.
260          * We depend on an identity mapped page table being provided
261          * that maps our entire kernel(text+data+bss+brk), zero page
262          * and command line.
263          */
264
265         /* Setup data segments. */
266         xorl    %eax, %eax
267         movl    %eax, %ds
268         movl    %eax, %es
269         movl    %eax, %ss
270         movl    %eax, %fs
271         movl    %eax, %gs
272
273         /*
274          * Compute the decompressed kernel start address.  It is where
275          * we were loaded at aligned to a 2M boundary. %rbp contains the
276          * decompressed kernel start address.
277          *
278          * If it is a relocatable kernel then decompress and run the kernel
279          * from load address aligned to 2MB addr, otherwise decompress and
280          * run the kernel from LOAD_PHYSICAL_ADDR
281          *
282          * We cannot rely on the calculation done in 32-bit mode, since we
283          * may have been invoked via the 64-bit entry point.
284          */
285
286         /* Start with the delta to where the kernel will run at. */
287 #ifdef CONFIG_RELOCATABLE
288         leaq    startup_32(%rip) /* - $startup_32 */, %rbp
289         movl    BP_kernel_alignment(%rsi), %eax
290         decl    %eax
291         addq    %rax, %rbp
292         notq    %rax
293         andq    %rax, %rbp
294         cmpq    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %rbp
295         jge     1f
296 #endif
297         movq    $LOAD_PHYSICAL_ADDR, %rbp
298 1:
299
300         /* Target address to relocate to for decompression */
301         movl    BP_init_size(%rsi), %ebx
302         subl    $_end, %ebx
303         addq    %rbp, %rbx
304
305         /* Set up the stack */
306         leaq    boot_stack_end(%rbx), %rsp
307
308         /*
309          * paging_prepare() and cleanup_trampoline() below can have GOT
310          * references. Adjust the table with address we are running at.
311          *
312          * Zero RAX for adjust_got: the GOT was not adjusted before;
313          * there's no adjustment to undo.
314          */
315         xorq    %rax, %rax
316
317         /*
318          * Calculate the address the binary is loaded at and use it as
319          * a GOT adjustment.
320          */
321         call    1f
322 1:      popq    %rdi
323         subq    $1b, %rdi
324
325         call    adjust_got
326
327         /*
328          * At this point we are in long mode with 4-level paging enabled,
329          * but we might want to enable 5-level paging or vice versa.
330          *
331          * The problem is that we cannot do it directly. Setting or clearing
332          * CR4.LA57 in long mode would trigger #GP. So we need to switch off
333          * long mode and paging first.
334          *
335          * We also need a trampoline in lower memory to switch over from
336          * 4- to 5-level paging for cases when the bootloader puts the kernel
337          * above 4G, but didn't enable 5-level paging for us.
338          *
339          * The same trampoline can be used to switch from 5- to 4-level paging
340          * mode, like when starting 4-level paging kernel via kexec() when
341          * original kernel worked in 5-level paging mode.
342          *
343          * For the trampoline, we need the top page table to reside in lower
344          * memory as we don't have a way to load 64-bit values into CR3 in
345          * 32-bit mode.
346          *
347          * We go though the trampoline even if we don't have to: if we're
348          * already in a desired paging mode. This way the trampoline code gets
349          * tested on every boot.
350          */
351
352         /* Make sure we have GDT with 32-bit code segment */
353         leaq    gdt(%rip), %rax
354         movq    %rax, gdt64+2(%rip)
355         lgdt    gdt64(%rip)
356
357         /*
358          * paging_prepare() sets up the trampoline and checks if we need to
359          * enable 5-level paging.
360          *
361          * paging_prepare() returns a two-quadword structure which lands
362          * into RDX:RAX:
363          *   - Address of the trampoline is returned in RAX.
364          *   - Non zero RDX means trampoline needs to enable 5-level
365          *     paging.
366          *
367          * RSI holds real mode data and needs to be preserved across
368          * this function call.
369          */
370         pushq   %rsi
371         movq    %rsi, %rdi              /* real mode address */
372         call    paging_prepare
373         popq    %rsi
374
375         /* Save the trampoline address in RCX */
376         movq    %rax, %rcx
377
378         /*
379          * Load the address of trampoline_return() into RDI.
380          * It will be used by the trampoline to return to the main code.
381          */
382         leaq    trampoline_return(%rip), %rdi
383
384         /* Switch to compatibility mode (CS.L = 0 CS.D = 1) via far return */
385         pushq   $__KERNEL32_CS
386         leaq    TRAMPOLINE_32BIT_CODE_OFFSET(%rax), %rax
387         pushq   %rax
388         lretq
389 trampoline_return:
390         /* Restore the stack, the 32-bit trampoline uses its own stack */
391         leaq    boot_stack_end(%rbx), %rsp
392
393         /*
394          * cleanup_trampoline() would restore trampoline memory.
395          *
396          * RDI is address of the page table to use instead of page table
397          * in trampoline memory (if required).
398          *
399          * RSI holds real mode data and needs to be preserved across
400          * this function call.
401          */
402         pushq   %rsi
403         leaq    top_pgtable(%rbx), %rdi
404         call    cleanup_trampoline
405         popq    %rsi
406
407         /* Zero EFLAGS */
408         pushq   $0
409         popfq
410
411         /*
412          * Previously we've adjusted the GOT with address the binary was
413          * loaded at. Now we need to re-adjust for relocation address.
414          *
415          * Calculate the address the binary is loaded at, so that we can
416          * undo the previous GOT adjustment.
417          */
418         call    1f
419 1:      popq    %rax
420         subq    $1b, %rax
421
422         /* The new adjustment is the relocation address */
423         movq    %rbx, %rdi
424         call    adjust_got
425
426 /*
427  * Copy the compressed kernel to the end of our buffer
428  * where decompression in place becomes safe.
429  */
430         pushq   %rsi
431         leaq    (_bss-8)(%rip), %rsi
432         leaq    (_bss-8)(%rbx), %rdi
433         movq    $_bss /* - $startup_32 */, %rcx
434         shrq    $3, %rcx
435         std
436         rep     movsq
437         cld
438         popq    %rsi
439
440 /*
441  * Jump to the relocated address.
442  */
443         leaq    relocated(%rbx), %rax
444         jmp     *%rax
445
446 #ifdef CONFIG_EFI_STUB
447
448 /* The entry point for the PE/COFF executable is efi_pe_entry. */
449 ENTRY(efi_pe_entry)
450         movq    %rcx, efi64_config(%rip)        /* Handle */
451         movq    %rdx, efi64_config+8(%rip) /* EFI System table pointer */
452
453         leaq    efi64_config(%rip), %rax
454         movq    %rax, efi_config(%rip)
455
456         call    1f
457 1:      popq    %rbp
458         subq    $1b, %rbp
459
460         /*
461          * Relocate efi_config->call().
462          */
463         addq    %rbp, efi64_config+40(%rip)
464
465         movq    %rax, %rdi
466         call    make_boot_params
467         cmpq    $0,%rax
468         je      fail
469         mov     %rax, %rsi
470         leaq    startup_32(%rip), %rax
471         movl    %eax, BP_code32_start(%rsi)
472         jmp     2f              /* Skip the relocation */
473
474 handover_entry:
475         call    1f
476 1:      popq    %rbp
477         subq    $1b, %rbp
478
479         /*
480          * Relocate efi_config->call().
481          */
482         movq    efi_config(%rip), %rax
483         addq    %rbp, 40(%rax)
484 2:
485         movq    efi_config(%rip), %rdi
486         call    efi_main
487         movq    %rax,%rsi
488         cmpq    $0,%rax
489         jne     2f
490 fail:
491         /* EFI init failed, so hang. */
492         hlt
493         jmp     fail
494 2:
495         movl    BP_code32_start(%esi), %eax
496         leaq    startup_64(%rax), %rax
497         jmp     *%rax
498 ENDPROC(efi_pe_entry)
499
500         .org 0x390
501 ENTRY(efi64_stub_entry)
502         movq    %rdi, efi64_config(%rip)        /* Handle */
503         movq    %rsi, efi64_config+8(%rip) /* EFI System table pointer */
504
505         leaq    efi64_config(%rip), %rax
506         movq    %rax, efi_config(%rip)
507
508         movq    %rdx, %rsi
509         jmp     handover_entry
510 ENDPROC(efi64_stub_entry)
511 #endif
512
513         .text
514 relocated:
515
516 /*
517  * Clear BSS (stack is currently empty)
518  */
519         xorl    %eax, %eax
520         leaq    _bss(%rip), %rdi
521         leaq    _ebss(%rip), %rcx
522         subq    %rdi, %rcx
523         shrq    $3, %rcx
524         rep     stosq
525
526 /*
527  * Do the extraction, and jump to the new kernel..
528  */
529         pushq   %rsi                    /* Save the real mode argument */
530         movq    %rsi, %rdi              /* real mode address */
531         leaq    boot_heap(%rip), %rsi   /* malloc area for uncompression */
532         leaq    input_data(%rip), %rdx  /* input_data */
533         movl    $z_input_len, %ecx      /* input_len */
534         movq    %rbp, %r8               /* output target address */
535         movq    $z_output_len, %r9      /* decompressed length, end of relocs */
536         call    extract_kernel          /* returns kernel location in %rax */
537         popq    %rsi
538
539 /*
540  * Jump to the decompressed kernel.
541  */
542         jmp     *%rax
543
544 /*
545  * Adjust the global offset table
546  *
547  * RAX is the previous adjustment of the table to undo (use 0 if it's the
548  * first time we touch GOT).
549  * RDI is the new adjustment to apply.
550  */
551 adjust_got:
552         /* Walk through the GOT adding the address to the entries */
553         leaq    _got(%rip), %rdx
554         leaq    _egot(%rip), %rcx
555 1:
556         cmpq    %rcx, %rdx
557         jae     2f
558         subq    %rax, (%rdx)    /* Undo previous adjustment */
559         addq    %rdi, (%rdx)    /* Apply the new adjustment */
560         addq    $8, %rdx
561         jmp     1b
562 2:
563         ret
564
565         .code32
566 /*
567  * This is the 32-bit trampoline that will be copied over to low memory.
568  *
569  * RDI contains the return address (might be above 4G).
570  * ECX contains the base address of the trampoline memory.
571  * Non zero RDX means trampoline needs to enable 5-level paging.
572  */
573 ENTRY(trampoline_32bit_src)
574         /* Set up data and stack segments */
575         movl    $__KERNEL_DS, %eax
576         movl    %eax, %ds
577         movl    %eax, %ss
578
579         /* Set up new stack */
580         leal    TRAMPOLINE_32BIT_STACK_END(%ecx), %esp
581
582         /* Disable paging */
583         movl    %cr0, %eax
584         btrl    $X86_CR0_PG_BIT, %eax
585         movl    %eax, %cr0
586
587         /* Check what paging mode we want to be in after the trampoline */
588         cmpl    $0, %edx
589         jz      1f
590
591         /* We want 5-level paging: don't touch CR3 if it already points to 5-level page tables */
592         movl    %cr4, %eax
593         testl   $X86_CR4_LA57, %eax
594         jnz     3f
595         jmp     2f
596 1:
597         /* We want 4-level paging: don't touch CR3 if it already points to 4-level page tables */
598         movl    %cr4, %eax
599         testl   $X86_CR4_LA57, %eax
600         jz      3f
601 2:
602         /* Point CR3 to the trampoline's new top level page table */
603         leal    TRAMPOLINE_32BIT_PGTABLE_OFFSET(%ecx), %eax
604         movl    %eax, %cr3
605 3:
606         /* Set EFER.LME=1 as a precaution in case hypervsior pulls the rug */
607         pushl   %ecx
608         pushl   %edx
609         movl    $MSR_EFER, %ecx
610         rdmsr
611         btsl    $_EFER_LME, %eax
612         wrmsr
613         popl    %edx
614         popl    %ecx
615
616         /* Enable PAE and LA57 (if required) paging modes */
617         movl    $X86_CR4_PAE, %eax
618         cmpl    $0, %edx
619         jz      1f
620         orl     $X86_CR4_LA57, %eax
621 1:
622         movl    %eax, %cr4
623
624         /* Calculate address of paging_enabled() once we are executing in the trampoline */
625         leal    paging_enabled - trampoline_32bit_src + TRAMPOLINE_32BIT_CODE_OFFSET(%ecx), %eax
626
627         /* Prepare the stack for far return to Long Mode */
628         pushl   $__KERNEL_CS
629         pushl   %eax
630
631         /* Enable paging again */
632         movl    $(X86_CR0_PG | X86_CR0_PE), %eax
633         movl    %eax, %cr0
634
635         lret
636
637         .code64
638 paging_enabled:
639         /* Return from the trampoline */
640         jmp     *%rdi
641
642         /*
643          * The trampoline code has a size limit.
644          * Make sure we fail to compile if the trampoline code grows
645          * beyond TRAMPOLINE_32BIT_CODE_SIZE bytes.
646          */
647         .org    trampoline_32bit_src + TRAMPOLINE_32BIT_CODE_SIZE
648
649         .code32
650 no_longmode:
651         /* This isn't an x86-64 CPU, so hang intentionally, we cannot continue */
652 1:
653         hlt
654         jmp     1b
655
656 #include "../../kernel/verify_cpu.S"
657
658         .data
659 gdt64:
660         .word   gdt_end - gdt
661         .quad   0
662         .balign 8
663 gdt:
664         .word   gdt_end - gdt
665         .long   gdt
666         .word   0
667         .quad   0x00cf9a000000ffff      /* __KERNEL32_CS */
668         .quad   0x00af9a000000ffff      /* __KERNEL_CS */
669         .quad   0x00cf92000000ffff      /* __KERNEL_DS */
670         .quad   0x0080890000000000      /* TS descriptor */
671         .quad   0x0000000000000000      /* TS continued */
672 gdt_end:
673
674 #ifdef CONFIG_EFI_STUB
675 efi_config:
676         .quad   0
677
678 #ifdef CONFIG_EFI_MIXED
679         .global efi32_config
680 efi32_config:
681         .fill   5,8,0
682         .quad   efi64_thunk
683         .byte   0
684 #endif
685
686         .global efi64_config
687 efi64_config:
688         .fill   5,8,0
689         .quad   efi_call
690         .byte   1
691 #endif /* CONFIG_EFI_STUB */
692
693 /*
694  * Stack and heap for uncompression
695  */
696         .bss
697         .balign 4
698 boot_heap:
699         .fill BOOT_HEAP_SIZE, 1, 0
700 boot_stack:
701         .fill BOOT_STACK_SIZE, 1, 0
702 boot_stack_end:
703
704 /*
705  * Space for page tables (not in .bss so not zeroed)
706  */
707         .section ".pgtable","a",@nobits
708         .balign 4096
709 pgtable:
710         .fill BOOT_PGT_SIZE, 1, 0
711
712 /*
713  * The page table is going to be used instead of page table in the trampoline
714  * memory.
715  */
716 top_pgtable:
717         .fill PAGE_SIZE, 1, 0