Documentation/x86/entry_64.txt

   1 This file documents some of the kernel entries in
   2 arch/x86/entry/entry_64.S.  A lot of this explanation is adapted from
   3 an email from Ingo Molnar:
   4
   5 http://lkml.kernel.org/r/<20110529191055.GC9835%40elte.hu>
   6
   7 The x86 architecture has quite a few different ways to jump into
   8 kernel code.  Most of these entry points are registered in
   9 arch/x86/kernel/traps.c and implemented in arch/x86/entry/entry_64.S
  10 for 64-bit, arch/x86/entry/entry_32.S for 32-bit and finally
  11 arch/x86/entry/entry_64_compat.S which implements the 32-bit compatibility
  12 syscall entry points and thus provides for 32-bit processes the
  13 ability to execute syscalls when running on 64-bit kernels.
  14
  15 The IDT vector assignments are listed in arch/x86/include/asm/irq_vectors.h.
  16
  17 Some of these entries are:
  18
  19  - system_call: syscall instruction from 64-bit code.
  20
  21  - entry_INT80_compat: int 0x80 from 32-bit or 64-bit code; compat syscall
  22    either way.
  23
  24  - entry_INT80_compat, ia32_sysenter: syscall and sysenter from 32-bit
  25    code
  26
  27  - interrupt: An array of entries.  Every IDT vector that doesn't
  28    explicitly point somewhere else gets set to the corresponding
  29    value in interrupts.  These point to a whole array of
  30    magically-generated functions that make their way to do_IRQ with
  31    the interrupt number as a parameter.
  32
  33  - APIC interrupts: Various special-purpose interrupts for things
  34    like TLB shootdown.
  35
  36  - Architecturally-defined exceptions like divide_error.
  37
  38 There are a few complexities here.  The different x86-64 entries
  39 have different calling conventions.  The syscall and sysenter
  40 instructions have their own peculiar calling conventions.  Some of
  41 the IDT entries push an error code onto the stack; others don't.
  42 IDT entries using the IST alternative stack mechanism need their own
  43 magic to get the stack frames right.  (You can find some
  44 documentation in the AMD APM, Volume 2, Chapter 8 and the Intel SDM,
  45 Volume 3, Chapter 6.)
  46
  47 Dealing with the swapgs instruction is especially tricky.  Swapgs
  48 toggles whether gs is the kernel gs or the user gs.  The swapgs
  49 instruction is rather fragile: it must nest perfectly and only in
  50 single depth, it should only be used if entering from user mode to
  51 kernel mode and then when returning to user-space, and precisely
  52 so. If we mess that up even slightly, we crash.
  53
  54 So when we have a secondary entry, already in kernel mode, we *must
  55 not* use SWAPGS blindly - nor must we forget doing a SWAPGS when it's
  56 not switched/swapped yet.
  57
  58 Now, there's a secondary complication: there's a cheap way to test
  59 which mode the CPU is in and an expensive way.
  60
  61 The cheap way is to pick this info off the entry frame on the kernel
  62 stack, from the CS of the ptregs area of the kernel stack:
  63
  64         xorl %ebx,%ebx
  65         testl $3,CS+8(%rsp)
  66         je error_kernelspace
  67         SWAPGS
  68
  69 The expensive (paranoid) way is to read back the MSR_GS_BASE value
  70 (which is what SWAPGS modifies):
  71
  72         movl $1,%ebx
  73         movl $MSR_GS_BASE,%ecx
  74         rdmsr
  75         testl %edx,%edx
  76         js 1f   /* negative -> in kernel */
  77         SWAPGS
  78         xorl %ebx,%ebx
  79 1:      ret
  80
  81 If we are at an interrupt or user-trap/gate-alike boundary then we can
  82 use the faster check: the stack will be a reliable indicator of
  83 whether SWAPGS was already done: if we see that we are a secondary
  84 entry interrupting kernel mode execution, then we know that the GS
  85 base has already been switched. If it says that we interrupted
  86 user-space execution then we must do the SWAPGS.
  87
  88 But if we are in an NMI/MCE/DEBUG/whatever super-atomic entry context,
  89 which might have triggered right after a normal entry wrote CS to the
  90 stack but before we executed SWAPGS, then the only safe way to check
  91 for GS is the slower method: the RDMSR.
  92
  93 Therefore, super-atomic entries (except NMI, which is handled separately)
  94 must use idtentry with paranoid=1 to handle gsbase correctly.  This
  95 triggers three main behavior changes:
  96
  97  - Interrupt entry will use the slower gsbase check.
  98  - Interrupt entry from user mode will switch off the IST stack.
  99  - Interrupt exit to kernel mode will not attempt to reschedule.
 100
 101 We try to only use IST entries and the paranoid entry code for vectors
 102 that absolutely need the more expensive check for the GS base - and we
 103 generate all 'normal' entry points with the regular (faster) paranoid=0
 104 variant.