xref: /openbmc/linux/tools/objtool/arch/x86/decode.c (revision 6b342707)
1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
2 /*
3  * Copyright (C) 2015 Josh Poimboeuf <jpoimboe@redhat.com>
4  */
5 
6 #include <stdio.h>
7 #include <stdlib.h>
8 
9 #define unlikely(cond) (cond)
10 #include <asm/insn.h>
11 #include "../../../arch/x86/lib/inat.c"
12 #include "../../../arch/x86/lib/insn.c"
13 
14 #define CONFIG_64BIT 1
15 #include <asm/nops.h>
16 
17 #include <asm/orc_types.h>
18 #include <objtool/check.h>
19 #include <objtool/elf.h>
20 #include <objtool/arch.h>
21 #include <objtool/warn.h>
22 #include <objtool/endianness.h>
23 #include <objtool/builtin.h>
24 #include <arch/elf.h>
25 
26 static int is_x86_64(const struct elf *elf)
27 {
28 	switch (elf->ehdr.e_machine) {
29 	case EM_X86_64:
30 		return 1;
31 	case EM_386:
32 		return 0;
33 	default:
34 		WARN("unexpected ELF machine type %d", elf->ehdr.e_machine);
35 		return -1;
36 	}
37 }
38 
39 bool arch_callee_saved_reg(unsigned char reg)
40 {
41 	switch (reg) {
42 	case CFI_BP:
43 	case CFI_BX:
44 	case CFI_R12:
45 	case CFI_R13:
46 	case CFI_R14:
47 	case CFI_R15:
48 		return true;
49 
50 	case CFI_AX:
51 	case CFI_CX:
52 	case CFI_DX:
53 	case CFI_SI:
54 	case CFI_DI:
55 	case CFI_SP:
56 	case CFI_R8:
57 	case CFI_R9:
58 	case CFI_R10:
59 	case CFI_R11:
60 	case CFI_RA:
61 	default:
62 		return false;
63 	}
64 }
65 
66 unsigned long arch_dest_reloc_offset(int addend)
67 {
68 	return addend + 4;
69 }
70 
71 unsigned long arch_jump_destination(struct instruction *insn)
72 {
73 	return insn->offset + insn->len + insn->immediate;
74 }
75 
76 #define ADD_OP(op) \
77 	if (!(op = calloc(1, sizeof(*op)))) \
78 		return -1; \
79 	else for (list_add_tail(&op->list, ops_list); op; op = NULL)
80 
81 /*
82  * Helpers to decode ModRM/SIB:
83  *
84  * r/m| AX  CX  DX  BX |  SP |  BP |  SI  DI |
85  *    | R8  R9 R10 R11 | R12 | R13 | R14 R15 |
86  * Mod+----------------+-----+-----+---------+
87  * 00 |    [r/m]       |[SIB]|[IP+]|  [r/m]  |
88  * 01 |  [r/m + d8]    |[S+d]|   [r/m + d8]  |
89  * 10 |  [r/m + d32]   |[S+D]|   [r/m + d32] |
90  * 11 |                   r/ m               |
91  */
92 
93 #define mod_is_mem()	(modrm_mod != 3)
94 #define mod_is_reg()	(modrm_mod == 3)
95 
96 #define is_RIP()   ((modrm_rm & 7) == CFI_BP && modrm_mod == 0)
97 #define have_SIB() ((modrm_rm & 7) == CFI_SP && mod_is_mem())
98 
99 #define rm_is(reg) (have_SIB() ? \
100 		    sib_base == (reg) && sib_index == CFI_SP : \
101 		    modrm_rm == (reg))
102 
103 #define rm_is_mem(reg)	(mod_is_mem() && !is_RIP() && rm_is(reg))
104 #define rm_is_reg(reg)	(mod_is_reg() && modrm_rm == (reg))
105 
106 int arch_decode_instruction(struct objtool_file *file, const struct section *sec,
107 			    unsigned long offset, unsigned int maxlen,
108 			    unsigned int *len, enum insn_type *type,
109 			    unsigned long *immediate,
110 			    struct list_head *ops_list)
111 {
112 	const struct elf *elf = file->elf;
113 	struct insn insn;
114 	int x86_64, ret;
115 	unsigned char op1, op2,
116 		      rex = 0, rex_b = 0, rex_r = 0, rex_w = 0, rex_x = 0,
117 		      modrm = 0, modrm_mod = 0, modrm_rm = 0, modrm_reg = 0,
118 		      sib = 0, /* sib_scale = 0, */ sib_index = 0, sib_base = 0;
119 	struct stack_op *op = NULL;
120 	struct symbol *sym;
121 	u64 imm;
122 
123 	x86_64 = is_x86_64(elf);
124 	if (x86_64 == -1)
125 		return -1;
126 
127 	ret = insn_decode(&insn, sec->data->d_buf + offset, maxlen,
128 			  x86_64 ? INSN_MODE_64 : INSN_MODE_32);
129 	if (ret < 0) {
130 		WARN("can't decode instruction at %s:0x%lx", sec->name, offset);
131 		return -1;
132 	}
133 
134 	*len = insn.length;
135 	*type = INSN_OTHER;
136 
137 	if (insn.vex_prefix.nbytes)
138 		return 0;
139 
140 	op1 = insn.opcode.bytes[0];
141 	op2 = insn.opcode.bytes[1];
142 
143 	if (insn.rex_prefix.nbytes) {
144 		rex = insn.rex_prefix.bytes[0];
145 		rex_w = X86_REX_W(rex) >> 3;
146 		rex_r = X86_REX_R(rex) >> 2;
147 		rex_x = X86_REX_X(rex) >> 1;
148 		rex_b = X86_REX_B(rex);
149 	}
150 
151 	if (insn.modrm.nbytes) {
152 		modrm = insn.modrm.bytes[0];
153 		modrm_mod = X86_MODRM_MOD(modrm);
154 		modrm_reg = X86_MODRM_REG(modrm) + 8*rex_r;
155 		modrm_rm  = X86_MODRM_RM(modrm)  + 8*rex_b;
156 	}
157 
158 	if (insn.sib.nbytes) {
159 		sib = insn.sib.bytes[0];
160 		/* sib_scale = X86_SIB_SCALE(sib); */
161 		sib_index = X86_SIB_INDEX(sib) + 8*rex_x;
162 		sib_base  = X86_SIB_BASE(sib)  + 8*rex_b;
163 	}
164 
165 	switch (op1) {
166 
167 	case 0x1:
168 	case 0x29:
169 		if (rex_w && rm_is_reg(CFI_SP)) {
170 
171 			/* add/sub reg, %rsp */
172 			ADD_OP(op) {
173 				op->src.type = OP_SRC_ADD;
174 				op->src.reg = modrm_reg;
175 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
176 				op->dest.reg = CFI_SP;
177 			}
178 		}
179 		break;
180 
181 	case 0x50 ... 0x57:
182 
183 		/* push reg */
184 		ADD_OP(op) {
185 			op->src.type = OP_SRC_REG;
186 			op->src.reg = (op1 & 0x7) + 8*rex_b;
187 			op->dest.type = OP_DEST_PUSH;
188 		}
189 
190 		break;
191 
192 	case 0x58 ... 0x5f:
193 
194 		/* pop reg */
195 		ADD_OP(op) {
196 			op->src.type = OP_SRC_POP;
197 			op->dest.type = OP_DEST_REG;
198 			op->dest.reg = (op1 & 0x7) + 8*rex_b;
199 		}
200 
201 		break;
202 
203 	case 0x68:
204 	case 0x6a:
205 		/* push immediate */
206 		ADD_OP(op) {
207 			op->src.type = OP_SRC_CONST;
208 			op->dest.type = OP_DEST_PUSH;
209 		}
210 		break;
211 
212 	case 0x70 ... 0x7f:
213 		*type = INSN_JUMP_CONDITIONAL;
214 		break;
215 
216 	case 0x80 ... 0x83:
217 		/*
218 		 * 1000 00sw : mod OP r/m : immediate
219 		 *
220 		 * s - sign extend immediate
221 		 * w - imm8 / imm32
222 		 *
223 		 * OP: 000 ADD    100 AND
224 		 *     001 OR     101 SUB
225 		 *     010 ADC    110 XOR
226 		 *     011 SBB    111 CMP
227 		 */
228 
229 		/* 64bit only */
230 		if (!rex_w)
231 			break;
232 
233 		/* %rsp target only */
234 		if (!rm_is_reg(CFI_SP))
235 			break;
236 
237 		imm = insn.immediate.value;
238 		if (op1 & 2) { /* sign extend */
239 			if (op1 & 1) { /* imm32 */
240 				imm <<= 32;
241 				imm = (s64)imm >> 32;
242 			} else { /* imm8 */
243 				imm <<= 56;
244 				imm = (s64)imm >> 56;
245 			}
246 		}
247 
248 		switch (modrm_reg & 7) {
249 		case 5:
250 			imm = -imm;
251 			/* fallthrough */
252 		case 0:
253 			/* add/sub imm, %rsp */
254 			ADD_OP(op) {
255 				op->src.type = OP_SRC_ADD;
256 				op->src.reg = CFI_SP;
257 				op->src.offset = imm;
258 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
259 				op->dest.reg = CFI_SP;
260 			}
261 			break;
262 
263 		case 4:
264 			/* and imm, %rsp */
265 			ADD_OP(op) {
266 				op->src.type = OP_SRC_AND;
267 				op->src.reg = CFI_SP;
268 				op->src.offset = insn.immediate.value;
269 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
270 				op->dest.reg = CFI_SP;
271 			}
272 			break;
273 
274 		default:
275 			/* WARN ? */
276 			break;
277 		}
278 
279 		break;
280 
281 	case 0x89:
282 		if (!rex_w)
283 			break;
284 
285 		if (modrm_reg == CFI_SP) {
286 
287 			if (mod_is_reg()) {
288 				/* mov %rsp, reg */
289 				ADD_OP(op) {
290 					op->src.type = OP_SRC_REG;
291 					op->src.reg = CFI_SP;
292 					op->dest.type = OP_DEST_REG;
293 					op->dest.reg = modrm_rm;
294 				}
295 				break;
296 
297 			} else {
298 				/* skip RIP relative displacement */
299 				if (is_RIP())
300 					break;
301 
302 				/* skip nontrivial SIB */
303 				if (have_SIB()) {
304 					modrm_rm = sib_base;
305 					if (sib_index != CFI_SP)
306 						break;
307 				}
308 
309 				/* mov %rsp, disp(%reg) */
310 				ADD_OP(op) {
311 					op->src.type = OP_SRC_REG;
312 					op->src.reg = CFI_SP;
313 					op->dest.type = OP_DEST_REG_INDIRECT;
314 					op->dest.reg = modrm_rm;
315 					op->dest.offset = insn.displacement.value;
316 				}
317 				break;
318 			}
319 
320 			break;
321 		}
322 
323 		if (rm_is_reg(CFI_SP)) {
324 
325 			/* mov reg, %rsp */
326 			ADD_OP(op) {
327 				op->src.type = OP_SRC_REG;
328 				op->src.reg = modrm_reg;
329 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
330 				op->dest.reg = CFI_SP;
331 			}
332 			break;
333 		}
334 
335 		/* fallthrough */
336 	case 0x88:
337 		if (!rex_w)
338 			break;
339 
340 		if (rm_is_mem(CFI_BP)) {
341 
342 			/* mov reg, disp(%rbp) */
343 			ADD_OP(op) {
344 				op->src.type = OP_SRC_REG;
345 				op->src.reg = modrm_reg;
346 				op->dest.type = OP_DEST_REG_INDIRECT;
347 				op->dest.reg = CFI_BP;
348 				op->dest.offset = insn.displacement.value;
349 			}
350 			break;
351 		}
352 
353 		if (rm_is_mem(CFI_SP)) {
354 
355 			/* mov reg, disp(%rsp) */
356 			ADD_OP(op) {
357 				op->src.type = OP_SRC_REG;
358 				op->src.reg = modrm_reg;
359 				op->dest.type = OP_DEST_REG_INDIRECT;
360 				op->dest.reg = CFI_SP;
361 				op->dest.offset = insn.displacement.value;
362 			}
363 			break;
364 		}
365 
366 		break;
367 
368 	case 0x8b:
369 		if (!rex_w)
370 			break;
371 
372 		if (rm_is_mem(CFI_BP)) {
373 
374 			/* mov disp(%rbp), reg */
375 			ADD_OP(op) {
376 				op->src.type = OP_SRC_REG_INDIRECT;
377 				op->src.reg = CFI_BP;
378 				op->src.offset = insn.displacement.value;
379 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
380 				op->dest.reg = modrm_reg;
381 			}
382 			break;
383 		}
384 
385 		if (rm_is_mem(CFI_SP)) {
386 
387 			/* mov disp(%rsp), reg */
388 			ADD_OP(op) {
389 				op->src.type = OP_SRC_REG_INDIRECT;
390 				op->src.reg = CFI_SP;
391 				op->src.offset = insn.displacement.value;
392 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
393 				op->dest.reg = modrm_reg;
394 			}
395 			break;
396 		}
397 
398 		break;
399 
400 	case 0x8d:
401 		if (mod_is_reg()) {
402 			WARN("invalid LEA encoding at %s:0x%lx", sec->name, offset);
403 			break;
404 		}
405 
406 		/* skip non 64bit ops */
407 		if (!rex_w)
408 			break;
409 
410 		/* skip RIP relative displacement */
411 		if (is_RIP())
412 			break;
413 
414 		/* skip nontrivial SIB */
415 		if (have_SIB()) {
416 			modrm_rm = sib_base;
417 			if (sib_index != CFI_SP)
418 				break;
419 		}
420 
421 		/* lea disp(%src), %dst */
422 		ADD_OP(op) {
423 			op->src.offset = insn.displacement.value;
424 			if (!op->src.offset) {
425 				/* lea (%src), %dst */
426 				op->src.type = OP_SRC_REG;
427 			} else {
428 				/* lea disp(%src), %dst */
429 				op->src.type = OP_SRC_ADD;
430 			}
431 			op->src.reg = modrm_rm;
432 			op->dest.type = OP_DEST_REG;
433 			op->dest.reg = modrm_reg;
434 		}
435 		break;
436 
437 	case 0x8f:
438 		/* pop to mem */
439 		ADD_OP(op) {
440 			op->src.type = OP_SRC_POP;
441 			op->dest.type = OP_DEST_MEM;
442 		}
443 		break;
444 
445 	case 0x90:
446 		*type = INSN_NOP;
447 		break;
448 
449 	case 0x9c:
450 		/* pushf */
451 		ADD_OP(op) {
452 			op->src.type = OP_SRC_CONST;
453 			op->dest.type = OP_DEST_PUSHF;
454 		}
455 		break;
456 
457 	case 0x9d:
458 		/* popf */
459 		ADD_OP(op) {
460 			op->src.type = OP_SRC_POPF;
461 			op->dest.type = OP_DEST_MEM;
462 		}
463 		break;
464 
465 	case 0x0f:
466 
467 		if (op2 == 0x01) {
468 
469 			if (modrm == 0xca)
470 				*type = INSN_CLAC;
471 			else if (modrm == 0xcb)
472 				*type = INSN_STAC;
473 
474 		} else if (op2 >= 0x80 && op2 <= 0x8f) {
475 
476 			*type = INSN_JUMP_CONDITIONAL;
477 
478 		} else if (op2 == 0x05 || op2 == 0x07 || op2 == 0x34 ||
479 			   op2 == 0x35) {
480 
481 			/* sysenter, sysret */
482 			*type = INSN_CONTEXT_SWITCH;
483 
484 		} else if (op2 == 0x0b || op2 == 0xb9) {
485 
486 			/* ud2 */
487 			*type = INSN_BUG;
488 
489 		} else if (op2 == 0x0d || op2 == 0x1f) {
490 
491 			/* nopl/nopw */
492 			*type = INSN_NOP;
493 
494 		} else if (op2 == 0xa0 || op2 == 0xa8) {
495 
496 			/* push fs/gs */
497 			ADD_OP(op) {
498 				op->src.type = OP_SRC_CONST;
499 				op->dest.type = OP_DEST_PUSH;
500 			}
501 
502 		} else if (op2 == 0xa1 || op2 == 0xa9) {
503 
504 			/* pop fs/gs */
505 			ADD_OP(op) {
506 				op->src.type = OP_SRC_POP;
507 				op->dest.type = OP_DEST_MEM;
508 			}
509 		}
510 
511 		break;
512 
513 	case 0xc9:
514 		/*
515 		 * leave
516 		 *
517 		 * equivalent to:
518 		 * mov bp, sp
519 		 * pop bp
520 		 */
521 		ADD_OP(op) {
522 			op->src.type = OP_SRC_REG;
523 			op->src.reg = CFI_BP;
524 			op->dest.type = OP_DEST_REG;
525 			op->dest.reg = CFI_SP;
526 		}
527 		ADD_OP(op) {
528 			op->src.type = OP_SRC_POP;
529 			op->dest.type = OP_DEST_REG;
530 			op->dest.reg = CFI_BP;
531 		}
532 		break;
533 
534 	case 0xcc:
535 		/* int3 */
536 		*type = INSN_TRAP;
537 		break;
538 
539 	case 0xe3:
540 		/* jecxz/jrcxz */
541 		*type = INSN_JUMP_CONDITIONAL;
542 		break;
543 
544 	case 0xe9:
545 	case 0xeb:
546 		*type = INSN_JUMP_UNCONDITIONAL;
547 		break;
548 
549 	case 0xc2:
550 	case 0xc3:
551 		*type = INSN_RETURN;
552 		break;
553 
554 	case 0xc7: /* mov imm, r/m */
555 		if (!noinstr)
556 			break;
557 
558 		if (insn.length == 3+4+4 && !strncmp(sec->name, ".init.text", 10)) {
559 			struct reloc *immr, *disp;
560 			struct symbol *func;
561 			int idx;
562 
563 			immr = find_reloc_by_dest(elf, (void *)sec, offset+3);
564 			disp = find_reloc_by_dest(elf, (void *)sec, offset+7);
565 
566 			if (!immr || strcmp(immr->sym->name, "pv_ops"))
567 				break;
568 
569 			idx = (immr->addend + 8) / sizeof(void *);
570 
571 			func = disp->sym;
572 			if (disp->sym->type == STT_SECTION)
573 				func = find_symbol_by_offset(disp->sym->sec, disp->addend);
574 			if (!func) {
575 				WARN("no func for pv_ops[]");
576 				return -1;
577 			}
578 
579 			objtool_pv_add(file, idx, func);
580 		}
581 
582 		break;
583 
584 	case 0xcf: /* iret */
585 		/*
586 		 * Handle sync_core(), which has an IRET to self.
587 		 * All other IRET are in STT_NONE entry code.
588 		 */
589 		sym = find_symbol_containing(sec, offset);
590 		if (sym && sym->type == STT_FUNC) {
591 			ADD_OP(op) {
592 				/* add $40, %rsp */
593 				op->src.type = OP_SRC_ADD;
594 				op->src.reg = CFI_SP;
595 				op->src.offset = 5*8;
596 				op->dest.type = OP_DEST_REG;
597 				op->dest.reg = CFI_SP;
598 			}
599 			break;
600 		}
601 
602 		/* fallthrough */
603 
604 	case 0xca: /* retf */
605 	case 0xcb: /* retf */
606 		*type = INSN_CONTEXT_SWITCH;
607 		break;
608 
609 	case 0xe8:
610 		*type = INSN_CALL;
611 		/*
612 		 * For the impact on the stack, a CALL behaves like
613 		 * a PUSH of an immediate value (the return address).
614 		 */
615 		ADD_OP(op) {
616 			op->src.type = OP_SRC_CONST;
617 			op->dest.type = OP_DEST_PUSH;
618 		}
619 		break;
620 
621 	case 0xfc:
622 		*type = INSN_CLD;
623 		break;
624 
625 	case 0xfd:
626 		*type = INSN_STD;
627 		break;
628 
629 	case 0xff:
630 		if (modrm_reg == 2 || modrm_reg == 3)
631 
632 			*type = INSN_CALL_DYNAMIC;
633 
634 		else if (modrm_reg == 4)
635 
636 			*type = INSN_JUMP_DYNAMIC;
637 
638 		else if (modrm_reg == 5)
639 
640 			/* jmpf */
641 			*type = INSN_CONTEXT_SWITCH;
642 
643 		else if (modrm_reg == 6) {
644 
645 			/* push from mem */
646 			ADD_OP(op) {
647 				op->src.type = OP_SRC_CONST;
648 				op->dest.type = OP_DEST_PUSH;
649 			}
650 		}
651 
652 		break;
653 
654 	default:
655 		break;
656 	}
657 
658 	*immediate = insn.immediate.nbytes ? insn.immediate.value : 0;
659 
660 	return 0;
661 }
662 
663 void arch_initial_func_cfi_state(struct cfi_init_state *state)
664 {
665 	int i;
666 
667 	for (i = 0; i < CFI_NUM_REGS; i++) {
668 		state->regs[i].base = CFI_UNDEFINED;
669 		state->regs[i].offset = 0;
670 	}
671 
672 	/* initial CFA (call frame address) */
673 	state->cfa.base = CFI_SP;
674 	state->cfa.offset = 8;
675 
676 	/* initial RA (return address) */
677 	state->regs[CFI_RA].base = CFI_CFA;
678 	state->regs[CFI_RA].offset = -8;
679 }
680 
681 const char *arch_nop_insn(int len)
682 {
683 	static const char nops[5][5] = {
684 		{ BYTES_NOP1 },
685 		{ BYTES_NOP2 },
686 		{ BYTES_NOP3 },
687 		{ BYTES_NOP4 },
688 		{ BYTES_NOP5 },
689 	};
690 
691 	if (len < 1 || len > 5) {
692 		WARN("invalid NOP size: %d\n", len);
693 		return NULL;
694 	}
695 
696 	return nops[len-1];
697 }
698 
699 #define BYTE_RET	0xC3
700 
701 const char *arch_ret_insn(int len)
702 {
703 	static const char ret[5][5] = {
704 		{ BYTE_RET },
705 		{ BYTE_RET, 0xcc },
706 		{ BYTE_RET, 0xcc, BYTES_NOP1 },
707 		{ BYTE_RET, 0xcc, BYTES_NOP2 },
708 		{ BYTE_RET, 0xcc, BYTES_NOP3 },
709 	};
710 
711 	if (len < 1 || len > 5) {
712 		WARN("invalid RET size: %d\n", len);
713 		return NULL;
714 	}
715 
716 	return ret[len-1];
717 }
718 
719 int arch_decode_hint_reg(u8 sp_reg, int *base)
720 {
721 	switch (sp_reg) {
722 	case ORC_REG_UNDEFINED:
723 		*base = CFI_UNDEFINED;
724 		break;
725 	case ORC_REG_SP:
726 		*base = CFI_SP;
727 		break;
728 	case ORC_REG_BP:
729 		*base = CFI_BP;
730 		break;
731 	case ORC_REG_SP_INDIRECT:
732 		*base = CFI_SP_INDIRECT;
733 		break;
734 	case ORC_REG_R10:
735 		*base = CFI_R10;
736 		break;
737 	case ORC_REG_R13:
738 		*base = CFI_R13;
739 		break;
740 	case ORC_REG_DI:
741 		*base = CFI_DI;
742 		break;
743 	case ORC_REG_DX:
744 		*base = CFI_DX;
745 		break;
746 	default:
747 		return -1;
748 	}
749 
750 	return 0;
751 }
752 
753 bool arch_is_retpoline(struct symbol *sym)
754 {
755 	return !strncmp(sym->name, "__x86_indirect_", 15);
756 }
757