x86: bios: Synchronize stack between real and protected mode
[oweals/u-boot.git] / arch / x86 / cpu / cpu.c
1 /*
2  * (C) Copyright 2008-2011
3  * Graeme Russ, <graeme.russ@gmail.com>
4  *
5  * (C) Copyright 2002
6  * Daniel Engström, Omicron Ceti AB, <daniel@omicron.se>
7  *
8  * (C) Copyright 2002
9  * Sysgo Real-Time Solutions, GmbH <www.elinos.com>
10  * Marius Groeger <mgroeger@sysgo.de>
11  *
12  * (C) Copyright 2002
13  * Sysgo Real-Time Solutions, GmbH <www.elinos.com>
14  * Alex Zuepke <azu@sysgo.de>
15  *
16  * Part of this file is adapted from coreboot
17  * src/arch/x86/lib/cpu.c
18  *
19  * SPDX-License-Identifier:     GPL-2.0+
20  */
21
22 #include <common.h>
23 #include <command.h>
24 #include <dm.h>
25 #include <errno.h>
26 #include <malloc.h>
27 #include <asm/control_regs.h>
28 #include <asm/cpu.h>
29 #include <asm/lapic.h>
30 #include <asm/mp.h>
31 #include <asm/post.h>
32 #include <asm/processor.h>
33 #include <asm/processor-flags.h>
34 #include <asm/interrupt.h>
35 #include <asm/tables.h>
36 #include <linux/compiler.h>
37
38 DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR;
39
40 /*
41  * Constructor for a conventional segment GDT (or LDT) entry
42  * This is a macro so it can be used in initialisers
43  */
44 #define GDT_ENTRY(flags, base, limit)                   \
45         ((((base)  & 0xff000000ULL) << (56-24)) |       \
46          (((flags) & 0x0000f0ffULL) << 40) |            \
47          (((limit) & 0x000f0000ULL) << (48-16)) |       \
48          (((base)  & 0x00ffffffULL) << 16) |            \
49          (((limit) & 0x0000ffffULL)))
50
51 struct gdt_ptr {
52         u16 len;
53         u32 ptr;
54 } __packed;
55
56 struct cpu_device_id {
57         unsigned vendor;
58         unsigned device;
59 };
60
61 struct cpuinfo_x86 {
62         uint8_t x86;            /* CPU family */
63         uint8_t x86_vendor;     /* CPU vendor */
64         uint8_t x86_model;
65         uint8_t x86_mask;
66 };
67
68 /*
69  * List of cpu vendor strings along with their normalized
70  * id values.
71  */
72 static struct {
73         int vendor;
74         const char *name;
75 } x86_vendors[] = {
76         { X86_VENDOR_INTEL,     "GenuineIntel", },
77         { X86_VENDOR_CYRIX,     "CyrixInstead", },
78         { X86_VENDOR_AMD,       "AuthenticAMD", },
79         { X86_VENDOR_UMC,       "UMC UMC UMC ", },
80         { X86_VENDOR_NEXGEN,    "NexGenDriven", },
81         { X86_VENDOR_CENTAUR,   "CentaurHauls", },
82         { X86_VENDOR_RISE,      "RiseRiseRise", },
83         { X86_VENDOR_TRANSMETA, "GenuineTMx86", },
84         { X86_VENDOR_TRANSMETA, "TransmetaCPU", },
85         { X86_VENDOR_NSC,       "Geode by NSC", },
86         { X86_VENDOR_SIS,       "SiS SiS SiS ", },
87 };
88
89 static const char *const x86_vendor_name[] = {
90         [X86_VENDOR_INTEL]     = "Intel",
91         [X86_VENDOR_CYRIX]     = "Cyrix",
92         [X86_VENDOR_AMD]       = "AMD",
93         [X86_VENDOR_UMC]       = "UMC",
94         [X86_VENDOR_NEXGEN]    = "NexGen",
95         [X86_VENDOR_CENTAUR]   = "Centaur",
96         [X86_VENDOR_RISE]      = "Rise",
97         [X86_VENDOR_TRANSMETA] = "Transmeta",
98         [X86_VENDOR_NSC]       = "NSC",
99         [X86_VENDOR_SIS]       = "SiS",
100 };
101
102 static void load_ds(u32 segment)
103 {
104         asm volatile("movl %0, %%ds" : : "r" (segment * X86_GDT_ENTRY_SIZE));
105 }
106
107 static void load_es(u32 segment)
108 {
109         asm volatile("movl %0, %%es" : : "r" (segment * X86_GDT_ENTRY_SIZE));
110 }
111
112 static void load_fs(u32 segment)
113 {
114         asm volatile("movl %0, %%fs" : : "r" (segment * X86_GDT_ENTRY_SIZE));
115 }
116
117 static void load_gs(u32 segment)
118 {
119         asm volatile("movl %0, %%gs" : : "r" (segment * X86_GDT_ENTRY_SIZE));
120 }
121
122 static void load_ss(u32 segment)
123 {
124         asm volatile("movl %0, %%ss" : : "r" (segment * X86_GDT_ENTRY_SIZE));
125 }
126
127 static void load_gdt(const u64 *boot_gdt, u16 num_entries)
128 {
129         struct gdt_ptr gdt;
130
131         gdt.len = (num_entries * X86_GDT_ENTRY_SIZE) - 1;
132         gdt.ptr = (u32)boot_gdt;
133
134         asm volatile("lgdtl %0\n" : : "m" (gdt));
135 }
136
137 void setup_gdt(gd_t *id, u64 *gdt_addr)
138 {
139         id->arch.gdt = gdt_addr;
140         /* CS: code, read/execute, 4 GB, base 0 */
141         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_32BIT_CS] = GDT_ENTRY(0xc09b, 0, 0xfffff);
142
143         /* DS: data, read/write, 4 GB, base 0 */
144         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS] = GDT_ENTRY(0xc093, 0, 0xfffff);
145
146         /* FS: data, read/write, 4 GB, base (Global Data Pointer) */
147         id->arch.gd_addr = id;
148         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_32BIT_FS] = GDT_ENTRY(0xc093,
149                      (ulong)&id->arch.gd_addr, 0xfffff);
150
151         /* 16-bit CS: code, read/execute, 64 kB, base 0 */
152         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_16BIT_CS] = GDT_ENTRY(0x009b, 0, 0x0ffff);
153
154         /* 16-bit DS: data, read/write, 64 kB, base 0 */
155         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_16BIT_DS] = GDT_ENTRY(0x0093, 0, 0x0ffff);
156
157         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_16BIT_FLAT_CS] = GDT_ENTRY(0x809b, 0, 0xfffff);
158         gdt_addr[X86_GDT_ENTRY_16BIT_FLAT_DS] = GDT_ENTRY(0x8093, 0, 0xfffff);
159
160         load_gdt(gdt_addr, X86_GDT_NUM_ENTRIES);
161         load_ds(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
162         load_es(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
163         load_gs(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
164         load_ss(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
165         load_fs(X86_GDT_ENTRY_32BIT_FS);
166 }
167
168 #ifdef CONFIG_HAVE_FSP
169 /*
170  * Setup FSP execution environment GDT
171  *
172  * Per Intel FSP external architecture specification, before calling any FSP
173  * APIs, we need make sure the system is in flat 32-bit mode and both the code
174  * and data selectors should have full 4GB access range. Here we reuse the one
175  * we used in arch/x86/cpu/start16.S, and reload the segement registers.
176  */
177 void setup_fsp_gdt(void)
178 {
179         load_gdt((const u64 *)(gdt_rom + CONFIG_RESET_SEG_START), 4);
180         load_ds(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
181         load_ss(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
182         load_es(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
183         load_fs(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
184         load_gs(X86_GDT_ENTRY_32BIT_DS);
185 }
186 #endif
187
188 int __weak x86_cleanup_before_linux(void)
189 {
190 #ifdef CONFIG_BOOTSTAGE_STASH
191         bootstage_stash((void *)CONFIG_BOOTSTAGE_STASH_ADDR,
192                         CONFIG_BOOTSTAGE_STASH_SIZE);
193 #endif
194
195         return 0;
196 }
197
198 /*
199  * Cyrix CPUs without cpuid or with cpuid not yet enabled can be detected
200  * by the fact that they preserve the flags across the division of 5/2.
201  * PII and PPro exhibit this behavior too, but they have cpuid available.
202  */
203
204 /*
205  * Perform the Cyrix 5/2 test. A Cyrix won't change
206  * the flags, while other 486 chips will.
207  */
208 static inline int test_cyrix_52div(void)
209 {
210         unsigned int test;
211
212         __asm__ __volatile__(
213              "sahf\n\t"         /* clear flags (%eax = 0x0005) */
214              "div %b2\n\t"      /* divide 5 by 2 */
215              "lahf"             /* store flags into %ah */
216              : "=a" (test)
217              : "0" (5), "q" (2)
218              : "cc");
219
220         /* AH is 0x02 on Cyrix after the divide.. */
221         return (unsigned char) (test >> 8) == 0x02;
222 }
223
224 /*
225  *      Detect a NexGen CPU running without BIOS hypercode new enough
226  *      to have CPUID. (Thanks to Herbert Oppmann)
227  */
228
229 static int deep_magic_nexgen_probe(void)
230 {
231         int ret;
232
233         __asm__ __volatile__ (
234                 "       movw    $0x5555, %%ax\n"
235                 "       xorw    %%dx,%%dx\n"
236                 "       movw    $2, %%cx\n"
237                 "       divw    %%cx\n"
238                 "       movl    $0, %%eax\n"
239                 "       jnz     1f\n"
240                 "       movl    $1, %%eax\n"
241                 "1:\n"
242                 : "=a" (ret) : : "cx", "dx");
243         return  ret;
244 }
245
246 static bool has_cpuid(void)
247 {
248         return flag_is_changeable_p(X86_EFLAGS_ID);
249 }
250
251 static bool has_mtrr(void)
252 {
253         return cpuid_edx(0x00000001) & (1 << 12) ? true : false;
254 }
255
256 static int build_vendor_name(char *vendor_name)
257 {
258         struct cpuid_result result;
259         result = cpuid(0x00000000);
260         unsigned int *name_as_ints = (unsigned int *)vendor_name;
261
262         name_as_ints[0] = result.ebx;
263         name_as_ints[1] = result.edx;
264         name_as_ints[2] = result.ecx;
265
266         return result.eax;
267 }
268
269 static void identify_cpu(struct cpu_device_id *cpu)
270 {
271         char vendor_name[16];
272         int i;
273
274         vendor_name[0] = '\0'; /* Unset */
275         cpu->device = 0; /* fix gcc 4.4.4 warning */
276
277         /* Find the id and vendor_name */
278         if (!has_cpuid()) {
279                 /* Its a 486 if we can modify the AC flag */
280                 if (flag_is_changeable_p(X86_EFLAGS_AC))
281                         cpu->device = 0x00000400; /* 486 */
282                 else
283                         cpu->device = 0x00000300; /* 386 */
284                 if ((cpu->device == 0x00000400) && test_cyrix_52div()) {
285                         memcpy(vendor_name, "CyrixInstead", 13);
286                         /* If we ever care we can enable cpuid here */
287                 }
288                 /* Detect NexGen with old hypercode */
289                 else if (deep_magic_nexgen_probe())
290                         memcpy(vendor_name, "NexGenDriven", 13);
291         }
292         if (has_cpuid()) {
293                 int  cpuid_level;
294
295                 cpuid_level = build_vendor_name(vendor_name);
296                 vendor_name[12] = '\0';
297
298                 /* Intel-defined flags: level 0x00000001 */
299                 if (cpuid_level >= 0x00000001) {
300                         cpu->device = cpuid_eax(0x00000001);
301                 } else {
302                         /* Have CPUID level 0 only unheard of */
303                         cpu->device = 0x00000400;
304                 }
305         }
306         cpu->vendor = X86_VENDOR_UNKNOWN;
307         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(x86_vendors); i++) {
308                 if (memcmp(vendor_name, x86_vendors[i].name, 12) == 0) {
309                         cpu->vendor = x86_vendors[i].vendor;
310                         break;
311                 }
312         }
313 }
314
315 static inline void get_fms(struct cpuinfo_x86 *c, uint32_t tfms)
316 {
317         c->x86 = (tfms >> 8) & 0xf;
318         c->x86_model = (tfms >> 4) & 0xf;
319         c->x86_mask = tfms & 0xf;
320         if (c->x86 == 0xf)
321                 c->x86 += (tfms >> 20) & 0xff;
322         if (c->x86 >= 0x6)
323                 c->x86_model += ((tfms >> 16) & 0xF) << 4;
324 }
325
326 int x86_cpu_init_f(void)
327 {
328         const u32 em_rst = ~X86_CR0_EM;
329         const u32 mp_ne_set = X86_CR0_MP | X86_CR0_NE;
330
331         /* initialize FPU, reset EM, set MP and NE */
332         asm ("fninit\n" \
333              "movl %%cr0, %%eax\n" \
334              "andl %0, %%eax\n" \
335              "orl  %1, %%eax\n" \
336              "movl %%eax, %%cr0\n" \
337              : : "i" (em_rst), "i" (mp_ne_set) : "eax");
338
339         /* identify CPU via cpuid and store the decoded info into gd->arch */
340         if (has_cpuid()) {
341                 struct cpu_device_id cpu;
342                 struct cpuinfo_x86 c;
343
344                 identify_cpu(&cpu);
345                 get_fms(&c, cpu.device);
346                 gd->arch.x86 = c.x86;
347                 gd->arch.x86_vendor = cpu.vendor;
348                 gd->arch.x86_model = c.x86_model;
349                 gd->arch.x86_mask = c.x86_mask;
350                 gd->arch.x86_device = cpu.device;
351
352                 gd->arch.has_mtrr = has_mtrr();
353         }
354
355         return 0;
356 }
357
358 void x86_enable_caches(void)
359 {
360         unsigned long cr0;
361
362         cr0 = read_cr0();
363         cr0 &= ~(X86_CR0_NW | X86_CR0_CD);
364         write_cr0(cr0);
365         wbinvd();
366 }
367 void enable_caches(void) __attribute__((weak, alias("x86_enable_caches")));
368
369 void x86_disable_caches(void)
370 {
371         unsigned long cr0;
372
373         cr0 = read_cr0();
374         cr0 |= X86_CR0_NW | X86_CR0_CD;
375         wbinvd();
376         write_cr0(cr0);
377         wbinvd();
378 }
379 void disable_caches(void) __attribute__((weak, alias("x86_disable_caches")));
380
381 int x86_init_cache(void)
382 {
383         enable_caches();
384
385         return 0;
386 }
387 int init_cache(void) __attribute__((weak, alias("x86_init_cache")));
388
389 int do_reset(cmd_tbl_t *cmdtp, int flag, int argc, char * const argv[])
390 {
391         printf("resetting ...\n");
392
393         /* wait 50 ms */
394         udelay(50000);
395         disable_interrupts();
396         reset_cpu(0);
397
398         /*NOTREACHED*/
399         return 0;
400 }
401
402 void  flush_cache(unsigned long dummy1, unsigned long dummy2)
403 {
404         asm("wbinvd\n");
405 }
406
407 __weak void reset_cpu(ulong addr)
408 {
409         /* Do a hard reset through the chipset's reset control register */
410         outb(SYS_RST | RST_CPU, PORT_RESET);
411         for (;;)
412                 cpu_hlt();
413 }
414
415 void x86_full_reset(void)
416 {
417         outb(FULL_RST | SYS_RST | RST_CPU, PORT_RESET);
418 }
419
420 int dcache_status(void)
421 {
422         return !(read_cr0() & 0x40000000);
423 }
424
425 /* Define these functions to allow ehch-hcd to function */
426 void flush_dcache_range(unsigned long start, unsigned long stop)
427 {
428 }
429
430 void invalidate_dcache_range(unsigned long start, unsigned long stop)
431 {
432 }
433
434 void dcache_enable(void)
435 {
436         enable_caches();
437 }
438
439 void dcache_disable(void)
440 {
441         disable_caches();
442 }
443
444 void icache_enable(void)
445 {
446 }
447
448 void icache_disable(void)
449 {
450 }
451
452 int icache_status(void)
453 {
454         return 1;
455 }
456
457 void cpu_enable_paging_pae(ulong cr3)
458 {
459         __asm__ __volatile__(
460                 /* Load the page table address */
461                 "movl   %0, %%cr3\n"
462                 /* Enable pae */
463                 "movl   %%cr4, %%eax\n"
464                 "orl    $0x00000020, %%eax\n"
465                 "movl   %%eax, %%cr4\n"
466                 /* Enable paging */
467                 "movl   %%cr0, %%eax\n"
468                 "orl    $0x80000000, %%eax\n"
469                 "movl   %%eax, %%cr0\n"
470                 :
471                 : "r" (cr3)
472                 : "eax");
473 }
474
475 void cpu_disable_paging_pae(void)
476 {
477         /* Turn off paging */
478         __asm__ __volatile__ (
479                 /* Disable paging */
480                 "movl   %%cr0, %%eax\n"
481                 "andl   $0x7fffffff, %%eax\n"
482                 "movl   %%eax, %%cr0\n"
483                 /* Disable pae */
484                 "movl   %%cr4, %%eax\n"
485                 "andl   $0xffffffdf, %%eax\n"
486                 "movl   %%eax, %%cr4\n"
487                 :
488                 :
489                 : "eax");
490 }
491
492 static bool can_detect_long_mode(void)
493 {
494         return cpuid_eax(0x80000000) > 0x80000000UL;
495 }
496
497 static bool has_long_mode(void)
498 {
499         return cpuid_edx(0x80000001) & (1 << 29) ? true : false;
500 }
501
502 int cpu_has_64bit(void)
503 {
504         return has_cpuid() && can_detect_long_mode() &&
505                 has_long_mode();
506 }
507
508 const char *cpu_vendor_name(int vendor)
509 {
510         const char *name;
511         name = "<invalid cpu vendor>";
512         if ((vendor < (ARRAY_SIZE(x86_vendor_name))) &&
513             (x86_vendor_name[vendor] != 0))
514                 name = x86_vendor_name[vendor];
515
516         return name;
517 }
518
519 char *cpu_get_name(char *name)
520 {
521         unsigned int *name_as_ints = (unsigned int *)name;
522         struct cpuid_result regs;
523         char *ptr;
524         int i;
525
526         /* This bit adds up to 48 bytes */
527         for (i = 0; i < 3; i++) {
528                 regs = cpuid(0x80000002 + i);
529                 name_as_ints[i * 4 + 0] = regs.eax;
530                 name_as_ints[i * 4 + 1] = regs.ebx;
531                 name_as_ints[i * 4 + 2] = regs.ecx;
532                 name_as_ints[i * 4 + 3] = regs.edx;
533         }
534         name[CPU_MAX_NAME_LEN - 1] = '\0';
535
536         /* Skip leading spaces. */
537         ptr = name;
538         while (*ptr == ' ')
539                 ptr++;
540
541         return ptr;
542 }
543
544 int default_print_cpuinfo(void)
545 {
546         printf("CPU: %s, vendor %s, device %xh\n",
547                cpu_has_64bit() ? "x86_64" : "x86",
548                cpu_vendor_name(gd->arch.x86_vendor), gd->arch.x86_device);
549
550         return 0;
551 }
552
553 #define PAGETABLE_SIZE          (6 * 4096)
554
555 /**
556  * build_pagetable() - build a flat 4GiB page table structure for 64-bti mode
557  *
558  * @pgtable: Pointer to a 24iKB block of memory
559  */
560 static void build_pagetable(uint32_t *pgtable)
561 {
562         uint i;
563
564         memset(pgtable, '\0', PAGETABLE_SIZE);
565
566         /* Level 4 needs a single entry */
567         pgtable[0] = (uint32_t)&pgtable[1024] + 7;
568
569         /* Level 3 has one 64-bit entry for each GiB of memory */
570         for (i = 0; i < 4; i++) {
571                 pgtable[1024 + i * 2] = (uint32_t)&pgtable[2048] +
572                                                         0x1000 * i + 7;
573         }
574
575         /* Level 2 has 2048 64-bit entries, each repesenting 2MiB */
576         for (i = 0; i < 2048; i++)
577                 pgtable[2048 + i * 2] = 0x183 + (i << 21UL);
578 }
579
580 int cpu_jump_to_64bit(ulong setup_base, ulong target)
581 {
582         uint32_t *pgtable;
583
584         pgtable = memalign(4096, PAGETABLE_SIZE);
585         if (!pgtable)
586                 return -ENOMEM;
587
588         build_pagetable(pgtable);
589         cpu_call64((ulong)pgtable, setup_base, target);
590         free(pgtable);
591
592         return -EFAULT;
593 }
594
595 void show_boot_progress(int val)
596 {
597 #if MIN_PORT80_KCLOCKS_DELAY
598         /*
599          * Scale the time counter reading to avoid using 64 bit arithmetics.
600          * Can't use get_timer() here becuase it could be not yet
601          * initialized or even implemented.
602          */
603         if (!gd->arch.tsc_prev) {
604                 gd->arch.tsc_base_kclocks = rdtsc() / 1000;
605                 gd->arch.tsc_prev = 0;
606         } else {
607                 uint32_t now;
608
609                 do {
610                         now = rdtsc() / 1000 - gd->arch.tsc_base_kclocks;
611                 } while (now < (gd->arch.tsc_prev + MIN_PORT80_KCLOCKS_DELAY));
612                 gd->arch.tsc_prev = now;
613         }
614 #endif
615         outb(val, POST_PORT);
616 }
617
618 #ifndef CONFIG_SYS_COREBOOT
619 int last_stage_init(void)
620 {
621         write_tables();
622
623         return 0;
624 }
625 #endif
626
627 #ifdef CONFIG_SMP
628 static int enable_smis(struct udevice *cpu, void *unused)
629 {
630         return 0;
631 }
632
633 static struct mp_flight_record mp_steps[] = {
634         MP_FR_BLOCK_APS(mp_init_cpu, NULL, mp_init_cpu, NULL),
635         /* Wait for APs to finish initialization before proceeding */
636         MP_FR_BLOCK_APS(NULL, NULL, enable_smis, NULL),
637 };
638
639 static int x86_mp_init(void)
640 {
641         struct mp_params mp_params;
642
643         mp_params.parallel_microcode_load = 0,
644         mp_params.flight_plan = &mp_steps[0];
645         mp_params.num_records = ARRAY_SIZE(mp_steps);
646         mp_params.microcode_pointer = 0;
647
648         if (mp_init(&mp_params)) {
649                 printf("Warning: MP init failure\n");
650                 return -EIO;
651         }
652
653         return 0;
654 }
655 #endif
656
657 __weak int x86_init_cpus(void)
658 {
659 #ifdef CONFIG_SMP
660         debug("Init additional CPUs\n");
661         x86_mp_init();
662 #endif
663
664         return 0;
665 }
666
667 int cpu_init_r(void)
668 {
669         return x86_init_cpus();
670 }