chiark / gitweb /
Merge branch '2.4.x' into 2.5.x
[catacomb] / base / dispatch.c
1 /* -*-c-*-
2  *
3  * CPU-specific dispatch
4  *
5  * (c) 2015 Straylight/Edgeware
6  */
7
8 /*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
9  *
10  * This file is part of Catacomb.
11  *
12  * Catacomb is free software; you can redistribute it and/or modify
13  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
14  * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
15  * License, or (at your option) any later version.
16  *
17  * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
20  * GNU Library General Public License for more details.
21  *
22  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
23  * License along with Catacomb; if not, write to the Free
24  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
25  * MA 02111-1307, USA.
26  */
27
28 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
29
30 #include "config.h"
31
32 #include <ctype.h>
33 #include <stdarg.h>
34 #include <stdio.h>
35 #include <stdlib.h>
36 #include <string.h>
37
38 #include <mLib/macros.h>
39
40 #include "dispatch.h"
41
42 /*----- Intel x86/AMD64 feature probing -----------------------------------*/
43
44 #if CPUFAM_X86 || CPUFAM_AMD64
45
46 #  define EFLAGS_ID (1u << 21)
47 #  define CPUID1D_SSE2 (1u << 26)
48 #  define CPUID1D_FXSR (1u << 24)
49 #  define CPUID1C_PCLMUL (1u << 1)
50 #  define CPUID1C_SSSE3 (1u << 9)
51 #  define CPUID1C_AESNI (1u << 25)
52 #  define CPUID1C_AVX (1u << 28)
53 #  define CPUID1C_RDRAND (1u << 30)
54
55 struct cpuid { unsigned a, b, c, d; };
56
57 /* --- @cpuid@ --- *
58  *
59  * Arguments:   @struct cpuid *cc@ = where to write the result
60  *              @unsigned a, c@ = EAX and ECX registers to set
61  *
62  * Returns:     ---
63  *
64  * Use:         Minimal C wrapper around the x86 `CPUID' instruction.  Checks
65  *              that the instruction is actually available before invoking
66  *              it; fills the output structure with zero if it's not going to
67  *              work.
68  */
69
70 #ifdef __GNUC__
71 #  if CPUFAM_X86
72 static __inline__ unsigned getflags(void)
73   { unsigned f; __asm__ ("pushf; popl %0" : "=g" (f)); return (f); }
74 static __inline__ unsigned setflags(unsigned f)
75 {
76   unsigned ff;
77   __asm__ ("pushf; pushl %1; popf; pushf; popl %0; popf"
78            : "=r" (ff)
79            : "r" (f));
80   return (ff);
81 }
82 #  else
83 static __inline__ unsigned long getflags(void)
84   { unsigned long f; __asm__ ("pushf; popq %0" : "=g" (f)); return (f); }
85 static __inline__ unsigned long long setflags(unsigned long f)
86 {
87   unsigned long ff;
88   __asm__ ("pushf; pushq %1; popf; pushf; popq %0; popf"
89            : "=r" (ff)
90            : "r" (f));
91   return (ff);
92 }
93 #  endif
94 #endif
95
96 static void cpuid(struct cpuid *cc, unsigned a, unsigned c)
97 {
98 #ifdef __GNUC__
99   unsigned f;
100 #endif
101
102   cc->a = cc->b = cc->c = cc->d = 0;
103
104 #ifdef __GNUC__
105   /* Stupid dance to detect whether the CPUID instruction is available. */
106   f = getflags();
107   if (!(setflags(f |  EFLAGS_ID) & EFLAGS_ID) ||
108         setflags(f & ~EFLAGS_ID) & EFLAGS_ID) {
109     dispatch_debug("CPUID instruction not available");
110     return;
111   }
112   setflags(f);
113
114   /* Alas, EBX is magical in PIC code, so abuse ESI instead.  This isn't
115    * pretty, but it works.
116    */
117 #  if CPUFAM_X86
118   __asm__ ("pushl %%ebx; cpuid; movl %%ebx, %%esi; popl %%ebx"
119            : "=a" (cc->a), "=S" (cc->b), "=c" (cc->c), "=d" (cc->d)
120            : "a" (a) , "c" (c));
121 #  elif CPUFAM_AMD64
122   __asm__ ("pushq %%rbx; cpuid; movl %%ebx, %%esi; popq %%rbx"
123            : "=a" (cc->a), "=S" (cc->b), "=c" (cc->c), "=d" (cc->d)
124            : "a" (a) , "c" (c));
125 #  else
126 #    error "I'm confused."
127 #  endif
128   dispatch_debug("CPUID(%08x, %08x) -> %08x, %08x, %08x, %08x",
129                  a, c, cc->a, cc->b, cc->c, cc->d);
130 #else
131   dispatch_debug("GNU inline assembler not available; can't CPUID");
132 #endif
133 }
134
135 static unsigned cpuid_maxleaf(void)
136   { struct cpuid c; cpuid(&c, 0, 0); return (c.a); }
137
138 /* --- @cpuid_features_p@ --- *
139  *
140  * Arguments:   @unsigned dbits@ = bits to check in EDX
141  *              @unsigned cbits@ = bits to check in ECX
142  *
143  * Returns:     Nonzero if all the requested bits are set in the CPUID result
144  *              on leaf 1.
145  */
146
147 static int cpuid_features_p(unsigned dbits, unsigned cbits)
148 {
149   struct cpuid c;
150   if (cpuid_maxleaf() < 1) return (0);
151   cpuid(&c, 1, 0);
152   return ((c.d & dbits) == dbits && (c.c & cbits) == cbits);
153 }
154
155 /* --- @xmm_registers_available_p@ --- *
156  *
157  * Arguments:   ---
158  *
159  * Returns:     Nonzero if the operating system has made the XMM registers
160  *              available for use.
161  */
162
163 static int xmm_registers_available_p(void)
164 {
165 #ifdef __GNUC__
166   unsigned f;
167   /* This hack is by Agner Fog.  Use FXSAVE/FXRSTOR to figure out whether the
168    * XMM registers are actually alive.
169    */
170   if (!cpuid_features_p(CPUID1D_FXSR, 0)) return (0);
171 #  if CPUFAM_X86
172   __asm__ ("movl %%esp, %%edx; subl $512, %%esp; andl $~15, %%esp\n"
173            "fxsave (%%esp)\n"
174            "movl 160(%%esp), %%eax; xorl $0xaaaa5555, 160(%%esp)\n"
175            "fxrstor (%%esp); fxsave (%%esp)\n"
176            "movl 160(%%esp), %%ecx; movl %%eax, 160(%%esp)\n"
177            "fxrstor (%%esp); movl %%edx, %%esp\n"
178            "xorl %%ecx, %%eax"
179            : "=a" (f)
180            : /* no inputs */
181            : "%ecx", "%edx");
182 #  elif CPUFAM_AMD64
183   __asm__ ("movq %%rsp, %%rdx; subq $512, %%rsp; andq $~15, %%rsp\n"
184            "fxsave (%%rsp)\n"
185            "movl 160(%%rsp), %%eax; xorl $0xaaaa5555, 160(%%rsp)\n"
186            "fxrstor (%%rsp); fxsave (%%rsp)\n"
187            "movl 160(%%rsp), %%ecx; movl %%eax, 160(%%rsp)\n"
188            "fxrstor (%%rsp); movq %%rdx, %%rsp\n"
189            "xorl %%ecx, %%eax"
190            : "=a" (f)
191            : /* no inputs */
192            : "%ecx", "%rdx");
193 #  else
194 #    error "I'm confused."
195 #  endif
196   dispatch_debug("XMM registers %savailable", f ? "" : "not ");
197   return (f);
198 #else
199   dispatch_debug("GNU inline assembler not available; can't check for XMM");
200   return (0);
201 #endif
202 }
203
204 /* --- @rdrand_works_p@ --- *
205  *
206  *
207  * Arguments:   ---
208  *
209  * Returns:     Nonzero if the `rdrand' instruction actually works.  Assumes
210  *              that it's already been verified to be safe to issue.
211  */
212
213 #ifdef __GNUC__
214 static int rdrand(unsigned *x)
215 {
216   int i, rc;
217   unsigned _t;
218
219   i = 16;
220   __asm__ ("" : "=g" (_t));
221   __asm__ ("0: rdrand %2; jc 1f; decl %1; jnz 0b\n"
222            "mov $-1, %0; jmp 9f\n"
223            "1: movl %2, (%3); xorl %0, %0\n"
224            "9:"
225            : "=r" (rc), "+r" (i), "+r" (_t)
226            : "r" (x)
227            : "cc");
228   return (rc);
229 }
230 #endif
231
232 static int rdrand_works_p(void)
233 {
234   unsigned ref, x, i;
235
236   /* Check that it doesn't always give the same answer.  Try four times: this
237    * will fail with probability %$2^{-128}$% with a truly random generator,
238    * which seems fair enough.
239    */
240   if (rdrand(&ref)) goto fail;
241   for (i = 0; i < 4; i++) {
242     if (rdrand(&x)) goto fail;
243     if (x != ref) goto not_stuck;
244   }
245   dispatch_debug("RDRAND always returns 0x%08x!", ref);
246   return (0);
247
248 not_stuck:
249   dispatch_debug("RDRAND instruction looks plausible");
250   return (1);
251
252 fail:
253   dispatch_debug("RDRAND instruction fails too often");
254   return (0);
255 }
256
257 #endif
258
259 /*----- General feature probing using auxiliary vectors -------------------*/
260
261 /* Try to find the system's definitions for auxiliary vector entries. */
262 #ifdef HAVE_SYS_AUXV_H
263 #  include <sys/auxv.h>
264 #endif
265 #ifdef HAVE_LINUX_AUXVEC_H
266 #  include <linux/auxvec.h>
267 #endif
268 #ifdef HAVE_ASM_HWCAP_H
269 #  include <asm/hwcap.h>
270 #endif
271
272 /* The type of entries in the auxiliary vector.  I'm assuming that `unsigned
273  * long' matches each platform's word length; if this is false then we'll
274  * need some host-specific tweaking here.
275  */
276 union auxval { long i; unsigned long u; const void *p; };
277 struct auxentry { unsigned long type; union auxval value; };
278
279 /* Register each CPU family's interest in the auxiliary vector.  Make sure
280  * that the necessary entry types are defined.  This is primarily ordered by
281  * entry type to minimize duplication.
282  */
283 #if defined(AT_HWCAP) && CPUFAM_ARMEL
284 #  define WANT_ANY 1
285 #  define WANT_AT_HWCAP(_) _(AT_HWCAP, u, hwcap)
286 #endif
287
288 #if defined(AT_HWCAP) && CPUFAM_ARM64
289 #  define WANT_ANY 1
290 #  define WANT_AT_HWCAP(_) _(AT_HWCAP, u, hwcap)
291 #endif
292
293 #if defined(AT_HWCAP2) && CPUFAM_ARMEL
294 #  define WANT_ANY 1
295 #  define WANT_AT_HWCAP2(_) _(AT_HWCAP2, u, hwcap2)
296 #endif
297
298 /* If we couldn't find any interesting entries then we can switch all of this
299  * machinery off.  Also do that if we have no means for atomic updates.
300  */
301 #if WANT_ANY && CPU_DISPATCH_P
302
303 /* The main output of this section is a bitmask of detected features.  The
304  * least significant bit will be set if we've tried to probe.  Always access
305  * this using `DISPATCH_LOAD' and `DISPATCH_STORE'.
306  */
307 static unsigned hwcaps = 0;
308
309 /* For each potentially interesting type which turned out not to exist or be
310  * wanted, define a dummy macro for the sake of the next step.
311  */
312 #ifndef WANT_AT_HWCAP
313 #  define WANT_AT_HWCAP(_)
314 #endif
315 #ifndef WANT_AT_HWCAP2
316 #  define WANT_AT_HWCAP2(_)
317 #endif
318
319 /* For each CPU family, define two lists.
320  *
321  *   * `WANTAUX' is a list of the `WANT_AT_MUMBLE' macros which the CPU
322  *     family tried to register interest in above.  Each entry contains the
323  *     interesting auxiliary vector entry type, the name of the union branch
324  *     for its value, and the name of the slot in `struct auxprobe' in which
325  *     to store the value.
326  *
327  *   * `CAPMAP' is a list describing the output features which the CPU family
328  *     intends to satisfy from the auxiliary vector.  Each entry contains a
329  *     feature name suffix, and the token name (for `check_env').
330  */
331 #if CPUFAM_ARMEL
332 #  define WANTAUX(_)                                                    \
333         WANT_AT_HWCAP(_)                                                \
334         WANT_AT_HWCAP2(_)
335 #  define CAPMAP(_)                                                     \
336         _(ARM_VFP, "arm:vfp")                                           \
337         _(ARM_NEON, "arm:neon")                                         \
338         _(ARM_V4, "arm:v4")                                             \
339         _(ARM_D32, "arm:d32")                                           \
340         _(ARM_AES, "arm:aes")                                           \
341         _(ARM_PMULL, "arm:pmull")
342 #endif
343 #if CPUFAM_ARM64
344 #  define WANTAUX(_)                                                    \
345         WANT_AT_HWCAP(_)
346 #  define CAPMAP(_)                                                     \
347         _(ARM_NEON, "arm:neon")                                         \
348         _(ARM_AES, "arm:aes")                                           \
349         _(ARM_PMULL, "arm:pmull")
350 #endif
351
352 /* Build the bitmask for `hwcaps' from the `CAPMAP' list. */
353 enum {
354   HFI_PROBED = 0,
355 #define HFI__ENUM(feat, tok) HFI_##feat,
356   CAPMAP(HFI__ENUM)
357 #undef HFI__ENUM
358   HFI__END
359 };
360 enum {
361   HF_PROBED = 1,
362 #define HF__FLAG(feat, tok) HF_##feat = 1 << HFI_##feat,
363   CAPMAP(HF__FLAG)
364 #undef HF__FLAG
365   HF__END
366 };
367
368 /* Build a structure in which we can capture the interesting data from the
369  * auxiliary vector.
370  */
371 #define AUXUTYPE_i long
372 #define AUXUTYPE_u unsigned long
373 #define AUXUTYPE_p const void *
374 struct auxprobe {
375 #define AUXPROBE__SLOT(type, ubranch, slot) AUXUTYPE_##ubranch slot;
376   WANTAUX(AUXPROBE__SLOT)
377 #undef AUXPROBE_SLOT
378 };
379
380 /* --- @probe_hwcaps@ --- *
381  *
382  * Arguments:   ---
383  *
384  * Returns:     ---
385  *
386  * Use:         Attempt to find the auxiliary vector (which is well hidden)
387  *              and discover interesting features from it.
388  */
389
390 static void probe_hwcaps(void)
391 {
392   unsigned hw = HF_PROBED;
393   struct auxprobe probed = { 0 };
394
395   /* Populate `probed' with the information we manage to retrieve from the
396    * auxiliary vector.  Slots we couldn't find are left zero-valued.
397    */
398 #if defined(HAVE_GETAUXVAL)
399   /* Shiny new libc lets us request individual entry types.  This is almost
400    * too easy.
401    */
402 #  define CAP__GET(type, ubranch, slot)                                 \
403         probed.slot = (AUXUTYPE_##ubranch)getauxval(type);
404   WANTAUX(CAP__GET)
405 #else
406   /* Otherwise we're a bit stuck, really.  Modern Linux kernels make a copy
407    * of the vector available in `/procc' so we could try that.
408    *
409    * The usual place is stuck on the end of the environment vector, but that
410    * may well have moved, and we have no way of telling whether it has or
411    * whether there was ever an auxiliary vector there at all; so don't do
412    * that.
413    */
414   {
415     FILE *fp = 0;
416     unsigned char *p = 0, *q = 0;
417     const struct auxentry *a;
418     size_t sz, off, n;
419
420     /* Open the file and read it into a memory chunk. */
421     if ((fp = fopen("/proc/self/auxv", "rb")) == 0) goto clean;
422     sz = 4096; off = 0;
423     if ((p = malloc(sz)) == 0) goto clean;
424     for (;;) {
425       n = fread(p + off, 1, sz - off, fp);
426       off += n;
427       if (off < sz) break;
428       sz *= 2; if ((q = realloc(p, sz)) == 0) break;
429       p = q;
430     }
431
432     /* Work through the vector (or as much of it as we found) and extract the
433      * types we're interested in.
434      */
435     for (a = (const struct auxentry *)p,
436            n = sz/sizeof(struct auxentry);
437          n--; a++) {
438       switch (a->type) {
439 #define CAP__SWITCH(type, ubranch, slot)                                \
440         case type: probed.slot = a->value.ubranch; break;
441         WANTAUX(CAP__SWITCH)
442         case AT_NULL: goto clean;
443       }
444     }
445
446   clean:
447     if (p) free(p);
448     if (fp) fclose(fp);
449   }
450 #endif
451
452   /* Each CPU family now has to pick through what was found and stashed in
453    * `probed', and set the appropriate flag bits in `hw'.
454    */
455 #if CPUFAM_ARMEL
456   if (probed.hwcap & HWCAP_VFPv3) hw |= HF_ARM_VFP;
457   if (probed.hwcap & HWCAP_NEON) hw |= HF_ARM_NEON;
458   if (probed.hwcap & HWCAP_VFPD32) hw |= HF_ARM_D32;
459   if (probed.hwcap & HWCAP_VFPv4) hw |= HF_ARM_V4;
460 #  ifdef HWCAP2_AES
461   if (probed.hwcap2 & HWCAP2_AES) hw |= HF_ARM_AES;
462 #  endif
463 #  ifdef HWCAP2_PMULL
464   if (probed.hwcap2 & HWCAP2_PMULL) hw |= HF_ARM_PMULL;
465 #  endif
466 #endif
467 #if CPUFAM_ARM64
468   if (probed.hwcap & HWCAP_ASIMD) hw |= HF_ARM_NEON;
469   if (probed.hwcap & HWCAP_AES) hw |= HF_ARM_AES;
470   if (probed.hwcap & HWCAP_PMULL) hw |= HF_ARM_PMULL;
471 #endif
472
473   /* Store the bitmask of features we probed for everyone to see. */
474   DISPATCH_STORE(hwcaps, hw);
475
476   /* Finally, make a report about the things we found.  (Doing this earlier
477    * will pointlessly widen the window in which multiple threads will do the
478    * above auxiliary-vector probing.)
479    */
480 #define CAP__DEBUG(feat, tok)                                           \
481   dispatch_debug("check auxv for feature `%s': %s", tok,                \
482                  hw & HF_##feat ? "available" : "absent");
483   CAPMAP(CAP__DEBUG)
484 #undef CAP__DEBUG
485 }
486
487 /* --- @get_hwcaps@ --- *
488  *
489  * Arguments:   ---
490  *
491  * Returns:     A mask of hardware capabilities and other features, as probed
492  *              from the auxiliary vector.
493  */
494
495 static unsigned get_hwcaps(void)
496 {
497   unsigned hw;
498
499   DISPATCH_LOAD(hwcaps, hw);
500   if (!(hwcaps & HF_PROBED)) { probe_hwcaps(); DISPATCH_LOAD(hwcaps, hw); }
501   return (hw);
502 }
503
504 #endif
505
506 /*----- External interface ------------------------------------------------*/
507
508 /* --- @dispatch_debug@ --- *
509  *
510  * Arguments:   @const char *fmt@ = a format string
511  *              @...@ = additional arguments
512  *
513  * Returns:     ---
514  *
515  * Use:         Writes a formatted message to standard output if dispatch
516  *              debugging is enabled.
517  */
518
519 void dispatch_debug(const char *fmt, ...)
520 {
521   va_list ap;
522   const char *e = getenv("CATACOMB_CPUDISPATCH_DEBUG");
523
524   if (e && *e != 'n' && *e != '0') {
525     va_start(ap, fmt);
526     fputs("Catacomb CPUDISPATCH: ", stderr);
527     vfprintf(stderr, fmt, ap);
528     fputc('\n', stderr);
529     va_end(ap);
530   }
531 }
532
533 /* --- @check_env@ --- *
534  *
535  * Arguments:   @const char *ftok@ = feature token
536  *
537  * Returns:     Zero if the feature is forced off; positive if it's forced
538  *              on; negative if the user hasn't decided.
539  *
540  * Use:         Checks the environment variable `CATACOMB_CPUFEAT' for the
541  *              feature token @ftok@.  The variable, if it exists, should be
542  *              a space-separated sequence of `+tok' and `-tok' items.  These
543  *              tokens may end in `*', which matches any suffix.
544  */
545
546 static int IGNORABLE check_env(const char *ftok)
547 {
548   const char *p, *q, *pp;
549   int d;
550
551   p = getenv("CATACOMB_CPUFEAT");
552   if (!p) return (-1);
553
554   for (;;) {
555     while (isspace((unsigned char)*p)) p++;
556     if (!*p) return (-1);
557     switch (*p) {
558       case '+': d = +1; p++; break;
559       case '-': d =  0; p++; break;
560       default:  d = -1;      break;
561     }
562     for (q = p; *q && !isspace((unsigned char)*q); q++);
563     if (d >= 0) {
564       for (pp = ftok; p < q && *pp && *p == *pp; p++, pp++);
565       if ((p == q && !*pp) || (*p == '*' && p + 1 == q)) return (d);
566     }
567     p = q;
568   }
569   return (-1);
570 }
571
572 /* --- @cpu_feature_p@ --- *
573  *
574  * Arguments:   @unsigned feat@ = a @CPUFEAT_...@ code
575  *
576  * Returns:     Nonzero if the feature is available.
577  */
578
579 #include <stdio.h>
580
581 static int IGNORABLE
582   feat_debug(const char *ftok, const char *check, int verdict)
583 {
584   if (verdict >= 0) {
585     dispatch_debug("feature `%s': %s -> %s", ftok, check,
586                    verdict ? "available" : "absent");
587   }
588   return (verdict);
589 }
590
591 int cpu_feature_p(int feat)
592 {
593   int IGNORABLE f;
594   IGNORE(f);
595 #define CASE_CPUFEAT(feat, ftok, cond) case CPUFEAT_##feat:             \
596   if ((f = feat_debug(ftok, "environment override",                     \
597                       check_env(ftok))) >= 0)                           \
598     return (f);                                                         \
599   else                                                                  \
600     return (feat_debug(ftok, "runtime probe", cond));
601
602   switch (feat) {
603 #if CPUFAM_X86 || CPUFAM_AMD64
604     CASE_CPUFEAT(X86_SSE2, "x86:sse2",
605                  cpuid_features_p(CPUID1D_SSE2, 0) &&
606                  xmm_registers_available_p());
607     CASE_CPUFEAT(X86_AESNI, "x86:aesni",
608                  cpuid_features_p(CPUID1D_SSE2, CPUID1C_AESNI) &&
609                  xmm_registers_available_p());
610     CASE_CPUFEAT(X86_RDRAND, "x86:rdrand",
611                  cpuid_features_p(0, CPUID1C_RDRAND) && rdrand_works_p());
612     CASE_CPUFEAT(X86_AVX, "x86:avx",
613                  cpuid_features_p(0, CPUID1C_AVX) &&
614                  xmm_registers_available_p());
615     CASE_CPUFEAT(X86_SSSE3, "x86:ssse3",
616                  cpuid_features_p(0, CPUID1C_SSSE3) &&
617                  xmm_registers_available_p());
618     CASE_CPUFEAT(X86_PCLMUL, "x86:pclmul",
619                  cpuid_features_p(0, CPUID1C_PCLMUL) &&
620                  xmm_registers_available_p());
621 #endif
622 #ifdef CAPMAP
623 #  define FEATP__CASE(feat, tok)                                        \
624         CASE_CPUFEAT(feat, tok, get_hwcaps() & HF_##feat)
625     CAPMAP(FEATP__CASE)
626 #undef FEATP__CASE
627 #endif
628     default:
629       dispatch_debug("denying unknown feature %d", feat);
630       return (0);
631   }
632 #undef CASE_CPUFEAT
633 }
634
635 /*----- That's all, folks -------------------------------------------------*/