arch/x86/kernel/fpu/init.c

   1 /*
   2  * x86 FPU boot time init code:
   3  */
   4 #include <asm/fpu/internal.h>
   5 #include <asm/tlbflush.h>
   6 #include <asm/setup.h>
   7 #include <asm/cmdline.h>
   8
   9 #include <linux/sched.h>
  10 #include <linux/init.h>
  11
  12 /*
  13  * Initialize the TS bit in CR0 according to the style of context-switches
  14  * we are using:
  15  */
  16 static void fpu__init_cpu_ctx_switch(void)
  17 {
  18         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_EAGER_FPU))
  19                 stts();
  20         else
  21                 clts();
  22 }
  23
  24 /*
  25  * Initialize the registers found in all CPUs, CR0 and CR4:
  26  */
  27 static void fpu__init_cpu_generic(void)
  28 {
  29         unsigned long cr0;
  30         unsigned long cr4_mask = 0;
  31
  32         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_FXSR))
  33                 cr4_mask |= X86_CR4_OSFXSR;
  34         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_XMM))
  35                 cr4_mask |= X86_CR4_OSXMMEXCPT;
  36         if (cr4_mask)
  37                 cr4_set_bits(cr4_mask);
  38
  39         cr0 = read_cr0();
  40         cr0 &= ~(X86_CR0_TS|X86_CR0_EM); /* clear TS and EM */
  41         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_FPU))
  42                 cr0 |= X86_CR0_EM;
  43         write_cr0(cr0);
  44
  45         /* Flush out any pending x87 state: */
  46 #ifdef CONFIG_MATH_EMULATION
  47         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_FPU))
  48                 fpstate_init_soft(&current->thread.fpu.state.soft);
  49         else
  50 #endif
  51                 asm volatile ("fninit");
  52 }
  53
  54 /*
  55  * Enable all supported FPU features. Called when a CPU is brought online:
  56  */
  57 void fpu__init_cpu(void)
  58 {
  59         fpu__init_cpu_generic();
  60         fpu__init_cpu_xstate();
  61         fpu__init_cpu_ctx_switch();
  62 }
  63
  64 /*
  65  * The earliest FPU detection code.
  66  *
  67  * Set the X86_FEATURE_FPU CPU-capability bit based on
  68  * trying to execute an actual sequence of FPU instructions:
  69  */
  70 static void fpu__init_system_early_generic(struct cpuinfo_x86 *c)
  71 {
  72         unsigned long cr0;
  73         u16 fsw, fcw;
  74
  75         fsw = fcw = 0xffff;
  76
  77         cr0 = read_cr0();
  78         cr0 &= ~(X86_CR0_TS | X86_CR0_EM);
  79         write_cr0(cr0);
  80
  81         if (!test_bit(X86_FEATURE_FPU, (unsigned long *)cpu_caps_cleared)) {
  82                 asm volatile("fninit ; fnstsw %0 ; fnstcw %1"
  83                              : "+m" (fsw), "+m" (fcw));
  84
  85                 if (fsw == 0 && (fcw & 0x103f) == 0x003f)
  86                         set_cpu_cap(c, X86_FEATURE_FPU);
  87                 else
  88                         clear_cpu_cap(c, X86_FEATURE_FPU);
  89         }
  90
  91 #ifndef CONFIG_MATH_EMULATION
  92         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_FPU)) {
  93                 pr_emerg("x86/fpu: Giving up, no FPU found and no math emulation present\n");
  94                 for (;;)
  95                         asm volatile("hlt");
  96         }
  97 #endif
  98 }
  99
 100 /*
 101  * Boot time FPU feature detection code:
 102  */
 103 unsigned int mxcsr_feature_mask __read_mostly = 0xffffffffu;
 104
 105 static void __init fpu__init_system_mxcsr(void)
 106 {
 107         unsigned int mask = 0;
 108
 109         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_FXSR)) {
 110                 /* Static because GCC does not get 16-byte stack alignment right: */
 111                 static struct fxregs_state fxregs __initdata;
 112
 113                 asm volatile("fxsave %0" : "+m" (fxregs));
 114
 115                 mask = fxregs.mxcsr_mask;
 116
 117                 /*
 118                  * If zero then use the default features mask,
 119                  * which has all features set, except the
 120                  * denormals-are-zero feature bit:
 121                  */
 122                 if (mask == 0)
 123                         mask = 0x0000ffbf;
 124         }
 125         mxcsr_feature_mask &= mask;
 126 }
 127
 128 /*
 129  * Once per bootup FPU initialization sequences that will run on most x86 CPUs:
 130  */
 131 static void __init fpu__init_system_generic(void)
 132 {
 133         /*
 134          * Set up the legacy init FPU context. (xstate init might overwrite this
 135          * with a more modern format, if the CPU supports it.)
 136          */
 137         fpstate_init(&init_fpstate);
 138
 139         fpu__init_system_mxcsr();
 140 }
 141
 142 /*
 143  * Size of the FPU context state. All tasks in the system use the
 144  * same context size, regardless of what portion they use.
 145  * This is inherent to the XSAVE architecture which puts all state
 146  * components into a single, continuous memory block:
 147  */
 148 unsigned int fpu_kernel_xstate_size;
 149 EXPORT_SYMBOL_GPL(fpu_kernel_xstate_size);
 150
 151 /* Get alignment of the TYPE. */
 152 #define TYPE_ALIGN(TYPE) offsetof(struct { char x; TYPE test; }, test)
 153
 154 /*
 155  * Enforce that 'MEMBER' is the last field of 'TYPE'.
 156  *
 157  * Align the computed size with alignment of the TYPE,
 158  * because that's how C aligns structs.
 159  */
 160 #define CHECK_MEMBER_AT_END_OF(TYPE, MEMBER) \
 161         BUILD_BUG_ON(sizeof(TYPE) != ALIGN(offsetofend(TYPE, MEMBER), \
 162                                            TYPE_ALIGN(TYPE)))
 163
 164 /*
 165  * We append the 'struct fpu' to the task_struct:
 166  */
 167 static void __init fpu__init_task_struct_size(void)
 168 {
 169         int task_size = sizeof(struct task_struct);
 170
 171         /*
 172          * Subtract off the static size of the register state.
 173          * It potentially has a bunch of padding.
 174          */
 175         task_size -= sizeof(((struct task_struct *)0)->thread.fpu.state);
 176
 177         /*
 178          * Add back the dynamically-calculated register state
 179          * size.
 180          */
 181         task_size += fpu_kernel_xstate_size;
 182
 183         /*
 184          * We dynamically size 'struct fpu', so we require that
 185          * it be at the end of 'thread_struct' and that
 186          * 'thread_struct' be at the end of 'task_struct'.  If
 187          * you hit a compile error here, check the structure to
 188          * see if something got added to the end.
 189          */
 190         CHECK_MEMBER_AT_END_OF(struct fpu, state);
 191         CHECK_MEMBER_AT_END_OF(struct thread_struct, fpu);
 192         CHECK_MEMBER_AT_END_OF(struct task_struct, thread);
 193
 194         arch_task_struct_size = task_size;
 195 }
 196
 197 /*
 198  * Set up the user and kernel xstate sizes based on the legacy FPU context size.
 199  *
 200  * We set this up first, and later it will be overwritten by
 201  * fpu__init_system_xstate() if the CPU knows about xstates.
 202  */
 203 static void __init fpu__init_system_xstate_size_legacy(void)
 204 {
 205         static int on_boot_cpu __initdata = 1;
 206
 207         WARN_ON_FPU(!on_boot_cpu);
 208         on_boot_cpu = 0;
 209
 210         /*
 211          * Note that xstate sizes might be overwritten later during
 212          * fpu__init_system_xstate().
 213          */
 214
 215         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_FPU)) {
 216                 /*
 217                  * Disable xsave as we do not support it if i387
 218                  * emulation is enabled.
 219                  */
 220                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_XSAVE);
 221                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_XSAVEOPT);
 222                 fpu_kernel_xstate_size = sizeof(struct swregs_state);
 223         } else {
 224                 if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_FXSR))
 225                         fpu_kernel_xstate_size =
 226                                 sizeof(struct fxregs_state);
 227                 else
 228                         fpu_kernel_xstate_size =
 229                                 sizeof(struct fregs_state);
 230         }
 231
 232         fpu_user_xstate_size = fpu_kernel_xstate_size;
 233
 234         /*
 235          * Quirk: we don't yet handle the XSAVES* instructions
 236          * correctly, as we don't correctly convert between
 237          * standard and compacted format when interfacing
 238          * with user-space - so disable it for now.
 239          *
 240          * The difference is small: with recent CPUs the
 241          * compacted format is only marginally smaller than
 242          * the standard FPU state format.
 243          *
 244          * ( This is easy to backport while we are fixing
 245          *   XSAVES* support. )
 246          */
 247         setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_XSAVES);
 248 }
 249
 250 /*
 251  * FPU context switching strategies:
 252  *
 253  * Against popular belief, we don't do lazy FPU saves, due to the
 254  * task migration complications it brings on SMP - we only do
 255  * lazy FPU restores.
 256  *
 257  * 'lazy' is the traditional strategy, which is based on setting
 258  * CR0::TS to 1 during context-switch (instead of doing a full
 259  * restore of the FPU state), which causes the first FPU instruction
 260  * after the context switch (whenever it is executed) to fault - at
 261  * which point we lazily restore the FPU state into FPU registers.
 262  *
 263  * Tasks are of course under no obligation to execute FPU instructions,
 264  * so it can easily happen that another context-switch occurs without
 265  * a single FPU instruction being executed. If we eventually switch
 266  * back to the original task (that still owns the FPU) then we have
 267  * not only saved the restores along the way, but we also have the
 268  * FPU ready to be used for the original task.
 269  *
 270  * 'lazy' is deprecated because it's almost never a performance win
 271  * and it's much more complicated than 'eager'.
 272  *
 273  * 'eager' switching is by default on all CPUs, there we switch the FPU
 274  * state during every context switch, regardless of whether the task
 275  * has used FPU instructions in that time slice or not. This is done
 276  * because modern FPU context saving instructions are able to optimize
 277  * state saving and restoration in hardware: they can detect both
 278  * unused and untouched FPU state and optimize accordingly.
 279  *
 280  * [ Note that even in 'lazy' mode we might optimize context switches
 281  *   to use 'eager' restores, if we detect that a task is using the FPU
 282  *   frequently. See the fpu->counter logic in fpu/internal.h for that. ]
 283  */
 284 static enum { ENABLE, DISABLE } eagerfpu = ENABLE;
 285
 286 /*
 287  * Find supported xfeatures based on cpu features and command-line input.
 288  * This must be called after fpu__init_parse_early_param() is called and
 289  * xfeatures_mask is enumerated.
 290  */
 291 u64 __init fpu__get_supported_xfeatures_mask(void)
 292 {
 293         /* Support all xfeatures known to us */
 294         if (eagerfpu != DISABLE)
 295                 return XCNTXT_MASK;
 296
 297         /* Warning of xfeatures being disabled for no eagerfpu mode */
 298         if (xfeatures_mask & XFEATURE_MASK_EAGER) {
 299                 pr_err("x86/fpu: eagerfpu switching disabled, disabling the following xstate features: 0x%llx.\n",
 300                         xfeatures_mask & XFEATURE_MASK_EAGER);
 301         }
 302
 303         /* Return a mask that masks out all features requiring eagerfpu mode */
 304         return ~XFEATURE_MASK_EAGER;
 305 }
 306
 307 /*
 308  * Disable features dependent on eagerfpu.
 309  */
 310 static void __init fpu__clear_eager_fpu_features(void)
 311 {
 312         setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_MPX);
 313 }
 314
 315 /*
 316  * Pick the FPU context switching strategy:
 317  *
 318  * When eagerfpu is AUTO or ENABLE, we ensure it is ENABLE if either of
 319  * the following is true:
 320  *
 321  * (1) the cpu has xsaveopt, as it has the optimization and doing eager
 322  *     FPU switching has a relatively low cost compared to a plain xsave;
 323  * (2) the cpu has xsave features (e.g. MPX) that depend on eager FPU
 324  *     switching. Should the kernel boot with noxsaveopt, we support MPX
 325  *     with eager FPU switching at a higher cost.
 326  */
 327 static void __init fpu__init_system_ctx_switch(void)
 328 {
 329         static bool on_boot_cpu __initdata = 1;
 330
 331         WARN_ON_FPU(!on_boot_cpu);
 332         on_boot_cpu = 0;
 333
 334         WARN_ON_FPU(current->thread.fpu.fpstate_active);
 335         current_thread_info()->status = 0;
 336
 337         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_XSAVEOPT) && eagerfpu != DISABLE)
 338                 eagerfpu = ENABLE;
 339
 340         if (xfeatures_mask & XFEATURE_MASK_EAGER)
 341                 eagerfpu = ENABLE;
 342
 343         if (eagerfpu == ENABLE)
 344                 setup_force_cpu_cap(X86_FEATURE_EAGER_FPU);
 345
 346         printk(KERN_INFO "x86/fpu: Using '%s' FPU context switches.\n", eagerfpu == ENABLE ? "eager" : "lazy");
 347 }
 348
 349 /*
 350  * We parse fpu parameters early because fpu__init_system() is executed
 351  * before parse_early_param().
 352  */
 353 static void __init fpu__init_parse_early_param(void)
 354 {
 355         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "eagerfpu=off")) {
 356                 eagerfpu = DISABLE;
 357                 fpu__clear_eager_fpu_features();
 358         }
 359
 360         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "no387"))
 361                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_FPU);
 362
 363         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "nofxsr")) {
 364                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_FXSR);
 365                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_FXSR_OPT);
 366                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_XMM);
 367         }
 368
 369         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "noxsave"))
 370                 fpu__xstate_clear_all_cpu_caps();
 371
 372         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "noxsaveopt"))
 373                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_XSAVEOPT);
 374
 375         if (cmdline_find_option_bool(boot_command_line, "noxsaves"))
 376                 setup_clear_cpu_cap(X86_FEATURE_XSAVES);
 377 }
 378
 379 /*
 380  * Called on the boot CPU once per system bootup, to set up the initial
 381  * FPU state that is later cloned into all processes:
 382  */
 383 void __init fpu__init_system(struct cpuinfo_x86 *c)
 384 {
 385         fpu__init_parse_early_param();
 386         fpu__init_system_early_generic(c);
 387
 388         /*
 389          * The FPU has to be operational for some of the
 390          * later FPU init activities:
 391          */
 392         fpu__init_cpu();
 393
 394         /*
 395          * But don't leave CR0::TS set yet, as some of the FPU setup
 396          * methods depend on being able to execute FPU instructions
 397          * that will fault on a set TS, such as the FXSAVE in
 398          * fpu__init_system_mxcsr().
 399          */
 400         clts();
 401
 402         fpu__init_system_generic();
 403         fpu__init_system_xstate_size_legacy();
 404         fpu__init_system_xstate();
 405         fpu__init_task_struct_size();
 406
 407         fpu__init_system_ctx_switch();
 408 }