shrink window size field
[cor.git] / Documentation / asm-annotations.rst
blobf55c2bb74d006bd0409f79a88b9078c29d9665a5
1 Assembler Annotations
2 =====================
4 Copyright (c) 2017-2019 Jiri Slaby
6 This document describes the new macros for annotation of data and code in
7 assembly. In particular, it contains information about ``SYM_FUNC_START``,
8 ``SYM_FUNC_END``, ``SYM_CODE_START``, and similar.
10 Rationale
11 ---------
12 Some code like entries, trampolines, or boot code needs to be written in
13 assembly. The same as in C, such code is grouped into functions and
14 accompanied with data. Standard assemblers do not force users into precisely
15 marking these pieces as code, data, or even specifying their length.
16 Nevertheless, assemblers provide developers with such annotations to aid
17 debuggers throughout assembly. On top of that, developers also want to mark
18 some functions as *global* in order to be visible outside of their translation
19 units.
21 Over time, the Linux kernel has adopted macros from various projects (like
22 ``binutils``) to facilitate such annotations. So for historic reasons,
23 developers have been using ``ENTRY``, ``END``, ``ENDPROC``, and other
24 annotations in assembly.  Due to the lack of their documentation, the macros
25 are used in rather wrong contexts at some locations. Clearly, ``ENTRY`` was
26 intended to denote the beginning of global symbols (be it data or code).
27 ``END`` used to mark the end of data or end of special functions with
28 *non-standard* calling convention. In contrast, ``ENDPROC`` should annotate
29 only ends of *standard* functions.
31 When these macros are used correctly, they help assemblers generate a nice
32 object with both sizes and types set correctly. For example, the result of
33 ``arch/x86/lib/putuser.S``::
35    Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
36     25: 0000000000000000    33 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 __put_user_1
37     29: 0000000000000030    37 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 __put_user_2
38     32: 0000000000000060    36 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 __put_user_4
39     35: 0000000000000090    37 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 __put_user_8
41 This is not only important for debugging purposes. When there are properly
42 annotated objects like this, tools can be run on them to generate more useful
43 information. In particular, on properly annotated objects, ``objtool`` can be
44 run to check and fix the object if needed. Currently, ``objtool`` can report
45 missing frame pointer setup/destruction in functions. It can also
46 automatically generate annotations for :doc:`ORC unwinder <x86/orc-unwinder>`
47 for most code. Both of these are especially important to support reliable
48 stack traces which are in turn necessary for :doc:`Kernel live patching
49 <livepatch/livepatch>`.
51 Caveat and Discussion
52 ---------------------
53 As one might realize, there were only three macros previously. That is indeed
54 insufficient to cover all the combinations of cases:
56 * standard/non-standard function
57 * code/data
58 * global/local symbol
60 There was a discussion_ and instead of extending the current ``ENTRY/END*``
61 macros, it was decided that brand new macros should be introduced instead::
63     So how about using macro names that actually show the purpose, instead
64     of importing all the crappy, historic, essentially randomly chosen
65     debug symbol macro names from the binutils and older kernels?
67 .. _discussion: https://lkml.kernel.org/r/20170217104757.28588-1-jslaby@suse.cz
69 Macros Description
70 ------------------
72 The new macros are prefixed with the ``SYM_`` prefix and can be divided into
73 three main groups:
75 1. ``SYM_FUNC_*`` -- to annotate C-like functions. This means functions with
76    standard C calling conventions, i.e. the stack contains a return address at
77    the predefined place and a return from the function can happen in a
78    standard way. When frame pointers are enabled, save/restore of frame
79    pointer shall happen at the start/end of a function, respectively, too.
81    Checking tools like ``objtool`` should ensure such marked functions conform
82    to these rules. The tools can also easily annotate these functions with
83    debugging information (like *ORC data*) automatically.
85 2. ``SYM_CODE_*`` -- special functions called with special stack. Be it
86    interrupt handlers with special stack content, trampolines, or startup
87    functions.
89    Checking tools mostly ignore checking of these functions. But some debug
90    information still can be generated automatically. For correct debug data,
91    this code needs hints like ``UNWIND_HINT_REGS`` provided by developers.
93 3. ``SYM_DATA*`` -- obviously data belonging to ``.data`` sections and not to
94    ``.text``. Data do not contain instructions, so they have to be treated
95    specially by the tools: they should not treat the bytes as instructions,
96    nor assign any debug information to them.
98 Instruction Macros
99 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
100 This section covers ``SYM_FUNC_*`` and ``SYM_CODE_*`` enumerated above.
102 * ``SYM_FUNC_START`` and ``SYM_FUNC_START_LOCAL`` are supposed to be **the
103   most frequent markings**. They are used for functions with standard calling
104   conventions -- global and local. Like in C, they both align the functions to
105   architecture specific ``__ALIGN`` bytes. There are also ``_NOALIGN`` variants
106   for special cases where developers do not want this implicit alignment.
108   ``SYM_FUNC_START_WEAK`` and ``SYM_FUNC_START_WEAK_NOALIGN`` markings are
109   also offered as an assembler counterpart to the *weak* attribute known from
110   C.
112   All of these **shall** be coupled with ``SYM_FUNC_END``. First, it marks
113   the sequence of instructions as a function and computes its size to the
114   generated object file. Second, it also eases checking and processing such
115   object files as the tools can trivially find exact function boundaries.
117   So in most cases, developers should write something like in the following
118   example, having some asm instructions in between the macros, of course::
120     SYM_FUNC_START(memset)
121         ... asm insns ...
122     SYM_FUNC_END(memset)
124   In fact, this kind of annotation corresponds to the now deprecated ``ENTRY``
125   and ``ENDPROC`` macros.
127 * ``SYM_FUNC_START_ALIAS`` and ``SYM_FUNC_START_LOCAL_ALIAS`` serve for those
128   who decided to have two or more names for one function. The typical use is::
130     SYM_FUNC_START_ALIAS(__memset)
131     SYM_FUNC_START(memset)
132         ... asm insns ...
133     SYM_FUNC_END(memset)
134     SYM_FUNC_END_ALIAS(__memset)
136   In this example, one can call ``__memset`` or ``memset`` with the same
137   result, except the debug information for the instructions is generated to
138   the object file only once -- for the non-``ALIAS`` case.
140 * ``SYM_CODE_START`` and ``SYM_CODE_START_LOCAL`` should be used only in
141   special cases -- if you know what you are doing. This is used exclusively
142   for interrupt handlers and similar where the calling convention is not the C
143   one. ``_NOALIGN`` variants exist too. The use is the same as for the ``FUNC``
144   category above::
146     SYM_CODE_START_LOCAL(bad_put_user)
147         ... asm insns ...
148     SYM_CODE_END(bad_put_user)
150   Again, every ``SYM_CODE_START*`` **shall** be coupled by ``SYM_CODE_END``.
152   To some extent, this category corresponds to deprecated ``ENTRY`` and
153   ``END``. Except ``END`` had several other meanings too.
155 * ``SYM_INNER_LABEL*`` is used to denote a label inside some
156   ``SYM_{CODE,FUNC}_START`` and ``SYM_{CODE,FUNC}_END``.  They are very similar
157   to C labels, except they can be made global. An example of use::
159     SYM_CODE_START(ftrace_caller)
160         /* save_mcount_regs fills in first two parameters */
161         ...
163     SYM_INNER_LABEL(ftrace_caller_op_ptr, SYM_L_GLOBAL)
164         /* Load the ftrace_ops into the 3rd parameter */
165         ...
167     SYM_INNER_LABEL(ftrace_call, SYM_L_GLOBAL)
168         call ftrace_stub
169         ...
170         retq
171     SYM_CODE_END(ftrace_caller)
173 Data Macros
174 ~~~~~~~~~~~
175 Similar to instructions, there is a couple of macros to describe data in the
176 assembly.
178 * ``SYM_DATA_START`` and ``SYM_DATA_START_LOCAL`` mark the start of some data
179   and shall be used in conjunction with either ``SYM_DATA_END``, or
180   ``SYM_DATA_END_LABEL``. The latter adds also a label to the end, so that
181   people can use ``lstack`` and (local) ``lstack_end`` in the following
182   example::
184     SYM_DATA_START_LOCAL(lstack)
185         .skip 4096
186     SYM_DATA_END_LABEL(lstack, SYM_L_LOCAL, lstack_end)
188 * ``SYM_DATA`` and ``SYM_DATA_LOCAL`` are variants for simple, mostly one-line
189   data::
191     SYM_DATA(HEAP,     .long rm_heap)
192     SYM_DATA(heap_end, .long rm_stack)
194   In the end, they expand to ``SYM_DATA_START`` with ``SYM_DATA_END``
195   internally.
197 Support Macros
198 ~~~~~~~~~~~~~~
199 All the above reduce themselves to some invocation of ``SYM_START``,
200 ``SYM_END``, or ``SYM_ENTRY`` at last. Normally, developers should avoid using
201 these.
203 Further, in the above examples, one could see ``SYM_L_LOCAL``. There are also
204 ``SYM_L_GLOBAL`` and ``SYM_L_WEAK``. All are intended to denote linkage of a
205 symbol marked by them. They are used either in ``_LABEL`` variants of the
206 earlier macros, or in ``SYM_START``.
209 Overriding Macros
210 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
211 Architecture can also override any of the macros in their own
212 ``asm/linkage.h``, including macros specifying the type of a symbol
213 (``SYM_T_FUNC``, ``SYM_T_OBJECT``, and ``SYM_T_NONE``).  As every macro
214 described in this file is surrounded by ``#ifdef`` + ``#endif``, it is enough
215 to define the macros differently in the aforementioned architecture-dependent
216 header.