arch/i386/kernel/head.S

   1 /*
   2  *  linux/arch/i386/kernel/head.S -- the 32-bit startup code.
   3  *
   4  *  Copyright (C) 1991, 1992  Linus Torvalds
   5  *
   6  *  Enhanced CPU detection and feature setting code by Mike Jagdis
   7  *  and Martin Mares, November 1997.
   8  */
   9
  10 .text
  11 #include <linux/config.h>
  12 #include <linux/threads.h>
  13 #include <linux/linkage.h>
  14 #include <asm/segment.h>
  15 #include <asm/page.h>
  16 #include <asm/pgtable.h>
  17 #include <asm/desc.h>
  18 #include <asm/cache.h>
  19 #include <asm/thread_info.h>
  20 #include <asm/asm-offsets.h>
  21 #include <asm/setup.h>
  22
  23 /*
  24  * References to members of the new_cpu_data structure.
  25  */
  26
  27 #define X86             new_cpu_data+CPUINFO_x86
  28 #define X86_VENDOR      new_cpu_data+CPUINFO_x86_vendor
  29 #define X86_MODEL       new_cpu_data+CPUINFO_x86_model
  30 #define X86_MASK        new_cpu_data+CPUINFO_x86_mask
  31 #define X86_HARD_MATH   new_cpu_data+CPUINFO_hard_math
  32 #define X86_CPUID       new_cpu_data+CPUINFO_cpuid_level
  33 #define X86_CAPABILITY  new_cpu_data+CPUINFO_x86_capability
  34 #define X86_VENDOR_ID   new_cpu_data+CPUINFO_x86_vendor_id
  35
  36 /*
  37  * This is how much memory *in addition to the memory covered up to
  38  * and including _end* we need mapped initially.  We need one bit for
  39  * each possible page, but only in low memory, which means
  40  * 2^32/4096/8 = 128K worst case (4G/4G split.)
  41  *
  42  * Modulo rounding, each megabyte assigned here requires a kilobyte of
  43  * memory, which is currently unreclaimed.
  44  *
  45  * This should be a multiple of a page.
  46  */
  47 #define INIT_MAP_BEYOND_END     (128*1024)
  48
  49
  50 /*
  51  * 32-bit kernel entrypoint; only used by the boot CPU.  On entry,
  52  * %esi points to the real-mode code as a 32-bit pointer.
  53  * CS and DS must be 4 GB flat segments, but we don't depend on
  54  * any particular GDT layout, because we load our own as soon as we
  55  * can.
  56  */
  57 ENTRY(startup_32)
  58
  59 /*
  60  * Set segments to known values.
  61  */
  62         cld
  63         lgdt boot_gdt_descr - __PAGE_OFFSET
  64         movl $(__BOOT_DS),%eax
  65         movl %eax,%ds
  66         movl %eax,%es
  67         movl %eax,%fs
  68         movl %eax,%gs
  69
  70 /*
  71  * Clear BSS first so that there are no surprises...
  72  * No need to cld as DF is already clear from cld above...
  73  */
  74         xorl %eax,%eax
  75         movl $__bss_start - __PAGE_OFFSET,%edi
  76         movl $__bss_stop - __PAGE_OFFSET,%ecx
  77         subl %edi,%ecx
  78         shrl $2,%ecx
  79         rep ; stosl
  80 /*
  81  * Copy bootup parameters out of the way.
  82  * Note: %esi still has the pointer to the real-mode data.
  83  * With the kexec as boot loader, parameter segment might be loaded beyond
  84  * kernel image and might not even be addressable by early boot page tables.
  85  * (kexec on panic case). Hence copy out the parameters before initializing
  86  * page tables.
  87  */
  88         movl $(boot_params - __PAGE_OFFSET),%edi
  89         movl $(PARAM_SIZE/4),%ecx
  90         cld
  91         rep
  92         movsl
  93         movl boot_params - __PAGE_OFFSET + NEW_CL_POINTER,%esi
  94         andl %esi,%esi
  95         jnz 2f                  # New command line protocol
  96         cmpw $(OLD_CL_MAGIC),OLD_CL_MAGIC_ADDR
  97         jne 1f
  98         movzwl OLD_CL_OFFSET,%esi
  99         addl $(OLD_CL_BASE_ADDR),%esi
 100 2:
 101         movl $(saved_command_line - __PAGE_OFFSET),%edi
 102         movl $(COMMAND_LINE_SIZE/4),%ecx
 103         rep
 104         movsl
 105 1:
 106
 107 /*
 108  * Initialize page tables.  This creates a PDE and a set of page
 109  * tables, which are located immediately beyond _end.  The variable
 110  * init_pg_tables_end is set up to point to the first "safe" location.
 111  * Mappings are created both at virtual address 0 (identity mapping)
 112  * and PAGE_OFFSET for up to _end+sizeof(page tables)+INIT_MAP_BEYOND_END.
 113  *
 114  * Warning: don't use %esi or the stack in this code.  However, %esp
 115  * can be used as a GPR if you really need it...
 116  */
 117 page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20);
 118
 119         movl $(pg0 - __PAGE_OFFSET), %edi
 120         movl $(swapper_pg_dir - __PAGE_OFFSET), %edx
 121         movl $0x007, %eax                       /* 0x007 = PRESENT+RW+USER */
 122 10:
 123         leal 0x007(%edi),%ecx                   /* Create PDE entry */
 124         movl %ecx,(%edx)                        /* Store identity PDE entry */
 125         movl %ecx,page_pde_offset(%edx)         /* Store kernel PDE entry */
 126         addl $4,%edx
 127         movl $1024, %ecx
 128 11:
 129         stosl
 130         addl $0x1000,%eax
 131         loop 11b
 132         /* End condition: we must map up to and including INIT_MAP_BEYOND_END */
 133         /* bytes beyond the end of our own page tables; the +0x007 is the attribute bits */
 134         leal (INIT_MAP_BEYOND_END+0x007)(%edi),%ebp
 135         cmpl %ebp,%eax
 136         jb 10b
 137         movl %edi,(init_pg_tables_end - __PAGE_OFFSET)
 138
 139 #ifdef CONFIG_SMP
 140         xorl %ebx,%ebx                          /* This is the boot CPU (BSP) */
 141         jmp 3f
 142
 143 /*
 144  * Non-boot CPU entry point; entered from trampoline.S
 145  * We can't lgdt here, because lgdt itself uses a data segment, but
 146  * we know the trampoline has already loaded the boot_gdt_table GDT
 147  * for us.
 148  */
 149 ENTRY(startup_32_smp)
 150         cld
 151         movl $(__BOOT_DS),%eax
 152         movl %eax,%ds
 153         movl %eax,%es
 154         movl %eax,%fs
 155         movl %eax,%gs
 156
 157 /*
 158  *      New page tables may be in 4Mbyte page mode and may
 159  *      be using the global pages.
 160  *
 161  *      NOTE! If we are on a 486 we may have no cr4 at all!
 162  *      So we do not try to touch it unless we really have
 163  *      some bits in it to set.  This won't work if the BSP
 164  *      implements cr4 but this AP does not -- very unlikely
 165  *      but be warned!  The same applies to the pse feature
 166  *      if not equally supported. --macro
 167  *
 168  *      NOTE! We have to correct for the fact that we're
 169  *      not yet offset PAGE_OFFSET..
 170  */
 171 #define cr4_bits mmu_cr4_features-__PAGE_OFFSET
 172         movl cr4_bits,%edx
 173         andl %edx,%edx
 174         jz 6f
 175         movl %cr4,%eax          # Turn on paging options (PSE,PAE,..)
 176         orl %edx,%eax
 177         movl %eax,%cr4
 178
 179         btl $5, %eax            # check if PAE is enabled
 180         jnc 6f
 181
 182         /* Check if extended functions are implemented */
 183         movl $0x80000000, %eax
 184         cpuid
 185         cmpl $0x80000000, %eax
 186         jbe 6f
 187         mov $0x80000001, %eax
 188         cpuid
 189         /* Execute Disable bit supported? */
 190         btl $20, %edx
 191         jnc 6f
 192
 193         /* Setup EFER (Extended Feature Enable Register) */
 194         movl $0xc0000080, %ecx
 195         rdmsr
 196
 197         btsl $11, %eax
 198         /* Make changes effective */
 199         wrmsr
 200
 201 6:
 202         /* This is a secondary processor (AP) */
 203         xorl %ebx,%ebx
 204         incl %ebx
 205
 206 3:
 207 #endif /* CONFIG_SMP */
 208
 209 /*
 210  * Enable paging
 211  */
 212         movl $swapper_pg_dir-__PAGE_OFFSET,%eax
 213         movl %eax,%cr3          /* set the page table pointer.. */
 214         movl %cr0,%eax
 215         orl $0x80000000,%eax
 216         movl %eax,%cr0          /* ..and set paging (PG) bit */
 217         ljmp $__BOOT_CS,$1f     /* Clear prefetch and normalize %eip */
 218 1:
 219         /* Set up the stack pointer */
 220         lss stack_start,%esp
 221
 222 /*
 223  * Initialize eflags.  Some BIOS's leave bits like NT set.  This would
 224  * confuse the debugger if this code is traced.
 225  * XXX - best to initialize before switching to protected mode.
 226  */
 227         pushl $0
 228         popfl
 229
 230 #ifdef CONFIG_SMP
 231         andl %ebx,%ebx
 232         jz  1f                          /* Initial CPU cleans BSS */
 233         jmp checkCPUtype
 234 1:
 235 #endif /* CONFIG_SMP */
 236
 237 /*
 238  * start system 32-bit setup. We need to re-do some of the things done
 239  * in 16-bit mode for the "real" operations.
 240  */
 241         call setup_idt
 242
 243 checkCPUtype:
 244
 245         movl $-1,X86_CPUID              #  -1 for no CPUID initially
 246
 247 /* check if it is 486 or 386. */
 248 /*
 249  * XXX - this does a lot of unnecessary setup.  Alignment checks don't
 250  * apply at our cpl of 0 and the stack ought to be aligned already, and
 251  * we don't need to preserve eflags.
 252  */
 253
 254         movb $3,X86             # at least 386
 255         pushfl                  # push EFLAGS
 256         popl %eax               # get EFLAGS
 257         movl %eax,%ecx          # save original EFLAGS
 258         xorl $0x240000,%eax     # flip AC and ID bits in EFLAGS
 259         pushl %eax              # copy to EFLAGS
 260         popfl                   # set EFLAGS
 261         pushfl                  # get new EFLAGS
 262         popl %eax               # put it in eax
 263         xorl %ecx,%eax          # change in flags
 264         pushl %ecx              # restore original EFLAGS
 265         popfl
 266         testl $0x40000,%eax     # check if AC bit changed
 267         je is386
 268
 269         movb $4,X86             # at least 486
 270         testl $0x200000,%eax    # check if ID bit changed
 271         je is486
 272
 273         /* get vendor info */
 274         xorl %eax,%eax                  # call CPUID with 0 -> return vendor ID
 275         cpuid
 276         movl %eax,X86_CPUID             # save CPUID level
 277         movl %ebx,X86_VENDOR_ID         # lo 4 chars
 278         movl %edx,X86_VENDOR_ID+4       # next 4 chars
 279         movl %ecx,X86_VENDOR_ID+8       # last 4 chars
 280
 281         orl %eax,%eax                   # do we have processor info as well?
 282         je is486
 283
 284         movl $1,%eax            # Use the CPUID instruction to get CPU type
 285         cpuid
 286         movb %al,%cl            # save reg for future use
 287         andb $0x0f,%ah          # mask processor family
 288         movb %ah,X86
 289         andb $0xf0,%al          # mask model
 290         shrb $4,%al
 291         movb %al,X86_MODEL
 292         andb $0x0f,%cl          # mask mask revision
 293         movb %cl,X86_MASK
 294         movl %edx,X86_CAPABILITY
 295
 296 is486:  movl $0x50022,%ecx      # set AM, WP, NE and MP
 297         jmp 2f
 298
 299 is386:  movl $2,%ecx            # set MP
 300 2:      movl %cr0,%eax
 301         andl $0x80000011,%eax   # Save PG,PE,ET
 302         orl %ecx,%eax
 303         movl %eax,%cr0
 304
 305         call check_x87
 306         lgdt cpu_gdt_descr
 307         lidt idt_descr
 308         ljmp $(__KERNEL_CS),$1f
 309 1:      movl $(__KERNEL_DS),%eax        # reload all the segment registers
 310         movl %eax,%ss                   # after changing gdt.
 311
 312         movl $(__USER_DS),%eax          # DS/ES contains default USER segment
 313         movl %eax,%ds
 314         movl %eax,%es
 315
 316         xorl %eax,%eax                  # Clear FS/GS and LDT
 317         movl %eax,%fs
 318         movl %eax,%gs
 319         lldt %ax
 320         cld                     # gcc2 wants the direction flag cleared at all times
 321 #ifdef CONFIG_SMP
 322         movb ready, %cl
 323         movb $1, ready
 324         cmpb $0,%cl
 325         je 1f                   # the first CPU calls start_kernel
 326                                 # all other CPUs call initialize_secondary
 327         call initialize_secondary
 328         jmp L6
 329 1:
 330 #endif /* CONFIG_SMP */
 331         call start_kernel
 332 L6:
 333         jmp L6                  # main should never return here, but
 334                                 # just in case, we know what happens.
 335
 336 /*
 337  * We depend on ET to be correct. This checks for 287/387.
 338  */
 339 check_x87:
 340         movb $0,X86_HARD_MATH
 341         clts
 342         fninit
 343         fstsw %ax
 344         cmpb $0,%al
 345         je 1f
 346         movl %cr0,%eax          /* no coprocessor: have to set bits */
 347         xorl $4,%eax            /* set EM */
 348         movl %eax,%cr0
 349         ret
 350         ALIGN
 351 1:      movb $1,X86_HARD_MATH
 352         .byte 0xDB,0xE4         /* fsetpm for 287, ignored by 387 */
 353         ret
 354
 355 /*
 356  *  setup_idt
 357  *
 358  *  sets up a idt with 256 entries pointing to
 359  *  ignore_int, interrupt gates. It doesn't actually load
 360  *  idt - that can be done only after paging has been enabled
 361  *  and the kernel moved to PAGE_OFFSET. Interrupts
 362  *  are enabled elsewhere, when we can be relatively
 363  *  sure everything is ok.
 364  *
 365  *  Warning: %esi is live across this function.
 366  */
 367 setup_idt:
 368         lea ignore_int,%edx
 369         movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
 370         movw %dx,%ax            /* selector = 0x0010 = cs */
 371         movw $0x8E00,%dx        /* interrupt gate - dpl=0, present */
 372
 373         lea idt_table,%edi
 374         mov $256,%ecx
 375 rp_sidt:
 376         movl %eax,(%edi)
 377         movl %edx,4(%edi)
 378         addl $8,%edi
 379         dec %ecx
 380         jne rp_sidt
 381         ret
 382
 383 /* This is the default interrupt "handler" :-) */
 384         ALIGN
 385 ignore_int:
 386         cld
 387 #ifdef CONFIG_PRINTK
 388         pushl %eax
 389         pushl %ecx
 390         pushl %edx
 391         pushl %es
 392         pushl %ds
 393         movl $(__KERNEL_DS),%eax
 394         movl %eax,%ds
 395         movl %eax,%es
 396         pushl 16(%esp)
 397         pushl 24(%esp)
 398         pushl 32(%esp)
 399         pushl 40(%esp)
 400         pushl $int_msg
 401 #ifdef CONFIG_EARLY_PRINTK
 402         call early_printk
 403 #else
 404         call printk
 405 #endif
 406         addl $(5*4),%esp
 407         popl %ds
 408         popl %es
 409         popl %edx
 410         popl %ecx
 411         popl %eax
 412 #endif
 413         iret
 414
 415 /*
 416  * Real beginning of normal "text" segment
 417  */
 418 ENTRY(stext)
 419 ENTRY(_stext)
 420
 421 /*
 422  * BSS section
 423  */
 424 .section ".bss.page_aligned","w"
 425 ENTRY(swapper_pg_dir)
 426         .fill 1024,4,0
 427 ENTRY(empty_zero_page)
 428         .fill 4096,1,0
 429
 430 /*
 431  * This starts the data section.
 432  */
 433 .data
 434
 435 ENTRY(stack_start)
 436         .long init_thread_union+THREAD_SIZE
 437         .long __BOOT_DS
 438
 439 ready:  .byte 0
 440
 441 int_msg:
 442         .asciz "Unknown interrupt or fault at EIP %p %p %p\n"
 443
 444 /*
 445  * The IDT and GDT 'descriptors' are a strange 48-bit object
 446  * only used by the lidt and lgdt instructions. They are not
 447  * like usual segment descriptors - they consist of a 16-bit
 448  * segment size, and 32-bit linear address value:
 449  */
 450
 451 .globl boot_gdt_descr
 452 .globl idt_descr
 453 .globl cpu_gdt_descr
 454
 455         ALIGN
 456 # early boot GDT descriptor (must use 1:1 address mapping)
 457         .word 0                         # 32 bit align gdt_desc.address
 458 boot_gdt_descr:
 459         .word __BOOT_DS+7
 460         .long boot_gdt_table - __PAGE_OFFSET
 461
 462         .word 0                         # 32-bit align idt_desc.address
 463 idt_descr:
 464         .word IDT_ENTRIES*8-1           # idt contains 256 entries
 465         .long idt_table
 466
 467 # boot GDT descriptor (later on used by CPU#0):
 468         .word 0                         # 32 bit align gdt_desc.address
 469 cpu_gdt_descr:
 470         .word GDT_ENTRIES*8-1
 471         .long cpu_gdt_table
 472
 473         .fill NR_CPUS-1,8,0             # space for the other GDT descriptors
 474
 475 /*
 476  * The boot_gdt_table must mirror the equivalent in setup.S and is
 477  * used only for booting.
 478  */
 479         .align L1_CACHE_BYTES
 480 ENTRY(boot_gdt_table)
 481         .fill GDT_ENTRY_BOOT_CS,8,0
 482         .quad 0x00cf9a000000ffff        /* kernel 4GB code at 0x00000000 */
 483         .quad 0x00cf92000000ffff        /* kernel 4GB data at 0x00000000 */
 484
 485 /*
 486  * The Global Descriptor Table contains 28 quadwords, per-CPU.
 487  */
 488         .align PAGE_SIZE_asm
 489 ENTRY(cpu_gdt_table)
 490         .quad 0x0000000000000000        /* NULL descriptor */
 491         .quad 0x0000000000000000        /* 0x0b reserved */
 492         .quad 0x0000000000000000        /* 0x13 reserved */
 493         .quad 0x0000000000000000        /* 0x1b reserved */
 494         .quad 0x0000000000000000        /* 0x20 unused */
 495         .quad 0x0000000000000000        /* 0x28 unused */
 496         .quad 0x0000000000000000        /* 0x33 TLS entry 1 */
 497         .quad 0x0000000000000000        /* 0x3b TLS entry 2 */
 498         .quad 0x0000000000000000        /* 0x43 TLS entry 3 */
 499         .quad 0x0000000000000000        /* 0x4b reserved */
 500         .quad 0x0000000000000000        /* 0x53 reserved */
 501         .quad 0x0000000000000000        /* 0x5b reserved */
 502
 503         .quad 0x00cf9a000000ffff        /* 0x60 kernel 4GB code at 0x00000000 */
 504         .quad 0x00cf92000000ffff        /* 0x68 kernel 4GB data at 0x00000000 */
 505         .quad 0x00cffa000000ffff        /* 0x73 user 4GB code at 0x00000000 */
 506         .quad 0x00cff2000000ffff        /* 0x7b user 4GB data at 0x00000000 */
 507
 508         .quad 0x0000000000000000        /* 0x80 TSS descriptor */
 509         .quad 0x0000000000000000        /* 0x88 LDT descriptor */
 510
 511         /*
 512          * Segments used for calling PnP BIOS have byte granularity.
 513          * They code segments and data segments have fixed 64k limits,
 514          * the transfer segment sizes are set at run time.
 515          */
 516         .quad 0x00409a000000ffff        /* 0x90 32-bit code */
 517         .quad 0x00009a000000ffff        /* 0x98 16-bit code */
 518         .quad 0x000092000000ffff        /* 0xa0 16-bit data */
 519         .quad 0x0000920000000000        /* 0xa8 16-bit data */
 520         .quad 0x0000920000000000        /* 0xb0 16-bit data */
 521
 522         /*
 523          * The APM segments have byte granularity and their bases
 524          * are set at run time.  All have 64k limits.
 525          */
 526         .quad 0x00409a000000ffff        /* 0xb8 APM CS    code */
 527         .quad 0x00009a000000ffff        /* 0xc0 APM CS 16 code (16 bit) */
 528         .quad 0x004092000000ffff        /* 0xc8 APM DS    data */
 529
 530         .quad 0x0000920000000000        /* 0xd0 - ESPFIX 16-bit SS */
 531         .quad 0x0000000000000000        /* 0xd8 - unused */
 532         .quad 0x0000000000000000        /* 0xe0 - unused */
 533         .quad 0x0000000000000000        /* 0xe8 - unused */
 534         .quad 0x0000000000000000        /* 0xf0 - unused */
 535         .quad 0x0000000000000000        /* 0xf8 - GDT entry 31: double-fault TSS */
 536