// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
/*
 * Copyright (C) 2020 - Google LLC
 * Author: David Brazdil <dbrazdil@google.com>
 *
 * Generates relocation information used by the kernel to convert
 * absolute addresses in hyp data from kernel VAs to hyp VAs.
 *
 * This is necessary because hyp code is linked into the same binary
 * as the kernel but executes under different memory mappings.
 * If the compiler used absolute addressing, those addresses need to
 * be converted before they are used by hyp code.
 *
 * The input of this program is the relocatable ELF object containing
 * all hyp code/data, not yet linked into vmlinux. Hyp section names
 * should have been prefixed with `.hyp` at this point.
 *
 * The output (printed to stdout) is an assembly file containing
 * an array of 32-bit integers and static relocations that instruct
 * the linker of `vmlinux` to populate the array entries with offsets
 * to positions in the kernel binary containing VAs used by hyp code.
 *
 * Note that dynamic relocations could be used for the same purpose.
 * However, those are only generated if CONFIG_RELOCATABLE=y.
 */

#include <elf.h>
#include <endian.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

#include <generated/autoconf.h>

#define HYP_SECTION_PREFIX  ".hyp"
#define HYP_RELOC_SECTION  ".hyp.reloc"
#define HYP_SECTION_SYMBOL_PREFIX "__hyp_section_"

/*
 * AArch64 relocation type constants.
 * Included in case these are not defined in the host toolchain.
 */
#ifndef R_AARCH64_ABS64
#define R_AARCH64_ABS64   257
#endif
#ifndef R_AARCH64_ABS32
#define R_AARCH64_ABS32   258
#endif
#ifndef R_AARCH64_PREL64
#define R_AARCH64_PREL64  260
#endif
#ifndef R_AARCH64_PREL32
#define R_AARCH64_PREL32  261
#endif
#ifndef R_AARCH64_PREL16
#define R_AARCH64_PREL16  262
#endif
#ifndef R_AARCH64_PLT32
#define R_AARCH64_PLT32   314
#endif
#ifndef R_AARCH64_LD_PREL_LO19
#define R_AARCH64_LD_PREL_LO19  273
#endif
#ifndef R_AARCH64_ADR_PREL_LO21
#define R_AARCH64_ADR_PREL_LO21  274
#endif
#ifndef R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21
#define R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21 275
#endif
#ifndef R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21_NC
#define R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21_NC 276
#endif
#ifndef R_AARCH64_ADD_ABS_LO12_NC
#define R_AARCH64_ADD_ABS_LO12_NC 277
#endif
#ifndef R_AARCH64_LDST8_ABS_LO12_NC
#define R_AARCH64_LDST8_ABS_LO12_NC 278
#endif
#ifndef R_AARCH64_TSTBR14
#define R_AARCH64_TSTBR14  279
#endif
#ifndef R_AARCH64_CONDBR19
#define R_AARCH64_CONDBR19  280
#endif
#ifndef R_AARCH64_JUMP26
#define R_AARCH64_JUMP26  282
#endif
#ifndef R_AARCH64_CALL26
#define R_AARCH64_CALL26  283
#endif
#ifndef R_AARCH64_LDST16_ABS_LO12_NC
#define R_AARCH64_LDST16_ABS_LO12_NC 284
#endif
#ifndef R_AARCH64_LDST32_ABS_LO12_NC
#define R_AARCH64_LDST32_ABS_LO12_NC 285
#endif
#ifndef R_AARCH64_LDST64_ABS_LO12_NC
#define R_AARCH64_LDST64_ABS_LO12_NC 286
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G0
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G0  287
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G0_NC
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G0_NC 288
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G1
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G1  289
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G1_NC
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G1_NC 290
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G2
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G2  291
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G2_NC
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G2_NC 292
#endif
#ifndef R_AARCH64_MOVW_PREL_G3
#define R_AARCH64_MOVW_PREL_G3  293
#endif
#ifndef R_AARCH64_LDST128_ABS_LO12_NC
#define R_AARCH64_LDST128_ABS_LO12_NC 299
#endif

/* Global state of the processed ELF. */
static struct {
 const char *path;
 char  *begin;
 size_t  size;
 Elf64_Ehdr *ehdr;
 Elf64_Shdr *sh_table;
 const char *sh_string;
} elf;

#if defined(CONFIG_CPU_LITTLE_ENDIAN)

#define elf16toh(x) le16toh(x)
#define elf32toh(x) le32toh(x)
#define elf64toh(x) le64toh(x)

#define ELFENDIAN ELFDATA2LSB

#elif defined(CONFIG_CPU_BIG_ENDIAN)

#define elf16toh(x) be16toh(x)
#define elf32toh(x) be32toh(x)
#define elf64toh(x) be64toh(x)

#define ELFENDIAN ELFDATA2MSB

#else

#error PDP-endian sadly unsupported...

#endif

#define fatal_error(fmt, ...)      \
 ({        \
  fprintf(stderr, "error: %s: " fmt "\n",   \
   elf.path, ## __VA_ARGS__);   \
  exit(EXIT_FAILURE);     \
  __builtin_unreachable();    \
 })

#define fatal_perror(msg)      \
 ({        \
  fprintf(stderr, "error: %s: " msg ": %s\n",  \
   elf.path, strerror(errno));   \
  exit(EXIT_FAILURE);     \
  __builtin_unreachable();    \
 })

#define assert_op(lhs, rhs, fmt, op)     \
 ({        \
  typeof(lhs) _lhs = (lhs);    \
  typeof(rhs) _rhs = (rhs);    \
         \
  if (!(_lhs op _rhs)) {     \
   fatal_error("assertion " #lhs " " #op " " #rhs \
    " failed (lhs=" fmt ", rhs=" fmt \
    ", line=%d)", _lhs, _rhs, __LINE__); \
  }       \
 })

#define assert_eq(lhs, rhs, fmt) assert_op(lhs, rhs, fmt, ==)
#define assert_ne(lhs, rhs, fmt) assert_op(lhs, rhs, fmt, !=)
#define assert_lt(lhs, rhs, fmt) assert_op(lhs, rhs, fmt, <)
#define assert_ge(lhs, rhs, fmt) assert_op(lhs, rhs, fmt, >=)

/*
 * Return a pointer of a given type at a given offset from
 * the beginning of the ELF file.
 */
#define elf_ptr(type, off) ((type *)(elf.begin + (off)))

/* Iterate over all sections in the ELF. */
#define for_each_section(var) \
 for (var = elf.sh_table; var < elf.sh_table + elf16toh(elf.ehdr->e_shnum); ++var)

/* Iterate over all Elf64_Rela relocations in a given section. */
#define for_each_rela(shdr, var)     \
 for (var = elf_ptr(Elf64_Rela, elf64toh(shdr->sh_offset)); \
      var < elf_ptr(Elf64_Rela, elf64toh(shdr->sh_offset) + elf64toh(shdr->sh_size)); var++)

/* True if a string starts with a given prefix. */
static inline bool starts_with(const char *str, const char *prefix)
{
 return memcmp(str, prefix, strlen(prefix)) == 0;
}

/* Returns a string containing the name of a given section. */
static inline const char *section_name(Elf64_Shdr *shdr)
{
 return elf.sh_string + elf32toh(shdr->sh_name);
}

/* Returns a pointer to the first byte of section data. */
static inline const char *section_begin(Elf64_Shdr *shdr)
{
 return elf_ptr(char, elf64toh(shdr->sh_offset));
}

/* Find a section by its offset from the beginning of the file. */
static inline Elf64_Shdr *section_by_off(Elf64_Off off)
{
 assert_ne(off, 0UL, "%lu");
 return elf_ptr(Elf64_Shdr, off);
}

/* Find a section by its index. */
static inline Elf64_Shdr *section_by_idx(uint16_t idx)
{
 assert_ne(idx, SHN_UNDEF, "%u");
 return &elf.sh_table[idx];
}

/*
 * Memory-map the given ELF file, perform sanity checks, and
 * populate global state.
 */
static void init_elf(const char *path)
{
 int fd, ret;
 struct stat stat;

 /* Store path in the global struct for error printing. */
 elf.path = path;

 /* Open the ELF file. */
 fd = open(path, O_RDONLY);
 if (fd < 0)
  fatal_perror("Could not open ELF file");

 /* Get status of ELF file to obtain its size. */
 ret = fstat(fd, &stat);
 if (ret < 0) {
  close(fd);
  fatal_perror("Could not get status of ELF file");
 }

 /* mmap() the entire ELF file read-only at an arbitrary address. */
 elf.begin = mmap(0, stat.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
 if (elf.begin == MAP_FAILED) {
  close(fd);
  fatal_perror("Could not mmap ELF file");
 }

 /* mmap() was successful, close the FD. */
 close(fd);

 /* Get pointer to the ELF header. */
 assert_ge(stat.st_size, sizeof(*elf.ehdr), "%lu");
 elf.ehdr = elf_ptr(Elf64_Ehdr, 0);

 /* Check the ELF magic. */
 assert_eq(elf.ehdr->e_ident[EI_MAG0], ELFMAG0, "0x%x");
 assert_eq(elf.ehdr->e_ident[EI_MAG1], ELFMAG1, "0x%x");
 assert_eq(elf.ehdr->e_ident[EI_MAG2], ELFMAG2, "0x%x");
 assert_eq(elf.ehdr->e_ident[EI_MAG3], ELFMAG3, "0x%x");

 /* Sanity check that this is an ELF64 relocatable object for AArch64. */
 assert_eq(elf.ehdr->e_ident[EI_CLASS], ELFCLASS64, "%u");
 assert_eq(elf.ehdr->e_ident[EI_DATA], ELFENDIAN, "%u");
 assert_eq(elf16toh(elf.ehdr->e_type), ET_REL, "%u");
 assert_eq(elf16toh(elf.ehdr->e_machine), EM_AARCH64, "%u");

 /* Populate fields of the global struct. */
 elf.sh_table = section_by_off(elf64toh(elf.ehdr->e_shoff));
 elf.sh_string = section_begin(section_by_idx(elf16toh(elf.ehdr->e_shstrndx)));
}

/* Print the prologue of the output ASM file. */
static void emit_prologue(void)
{
 printf(".data\n"
        ".pushsection " HYP_RELOC_SECTION ", \"a\"\n");
}

/* Print ASM statements needed as a prologue to a processed hyp section. */
static void emit_section_prologue(const char *sh_orig_name)
{
 /* Declare the hyp section symbol. */
 printf(".global %s%s\n", HYP_SECTION_SYMBOL_PREFIX, sh_orig_name);
}

/*
 * Print ASM statements to create a hyp relocation entry for a given
 * R_AARCH64_ABS64 relocation.
 *
 * The linker of vmlinux will populate the position given by `rela` with
 * an absolute 64-bit kernel VA. If the kernel is relocatable, it will
 * also generate a dynamic relocation entry so that the kernel can shift
 * the address at runtime for KASLR.
 *
 * Emit a 32-bit offset from the current address to the position given
 * by `rela`. This way the kernel can iterate over all kernel VAs used
 * by hyp at runtime and convert them to hyp VAs. However, that offset
 * will not be known until linking of `vmlinux`, so emit a PREL32
 * relocation referencing a symbol that the hyp linker script put at
 * the beginning of the relocated section + the offset from `rela`.
 */
static void emit_rela_abs64(Elf64_Rela *rela, const char *sh_orig_name)
{
 /* Offset of this reloc from the beginning of HYP_RELOC_SECTION. */
 static size_t reloc_offset;

 /* Create storage for the 32-bit offset. */
 printf(".word 0\n");

 /*
  * Create a PREL32 relocation which instructs the linker of `vmlinux`
  * to insert offset to position <base> + <offset>, where <base> is
  * a symbol at the beginning of the relocated section, and <offset>
  * is `rela->r_offset`.
 */
 printf(".reloc %lu, R_AARCH64_PREL32, %s%s + 0x%lx\n",
        reloc_offset, HYP_SECTION_SYMBOL_PREFIX, sh_orig_name,
        elf64toh(rela->r_offset));

 reloc_offset += 4;
}

/* Print the epilogue of the output ASM file. */
static void emit_epilogue(void)
{
 printf(".popsection\n");
}

/*
 * Iterate over all RELA relocations in a given section and emit
 * hyp relocation data for all absolute addresses in hyp code/data.
 *
 * Static relocations that generate PC-relative-addressing are ignored.
 * Failure is reported for unexpected relocation types.
 */
static void emit_rela_section(Elf64_Shdr *sh_rela)
{
 Elf64_Shdr *sh_orig = &elf.sh_table[elf32toh(sh_rela->sh_info)];
 const char *sh_orig_name = section_name(sh_orig);
 Elf64_Rela *rela;

 /* Skip all non-hyp sections. */
 if (!starts_with(sh_orig_name, HYP_SECTION_PREFIX))
  return;

 emit_section_prologue(sh_orig_name);

 for_each_rela(sh_rela, rela) {
  uint32_t type = (uint32_t)elf64toh(rela->r_info);

  /* Check that rela points inside the relocated section. */
  assert_lt(elf64toh(rela->r_offset), elf64toh(sh_orig->sh_size), "0x%lx");

  switch (type) {
  /*
   * Data relocations to generate absolute addressing.
   * Emit a hyp relocation.
 */
  case R_AARCH64_ABS64:
   emit_rela_abs64(rela, sh_orig_name);
   break;
  /* Allow 32-bit absolute relocation, for kCFI type hashes. */
  case R_AARCH64_ABS32:
   break;
  /* Allow position-relative data relocations. */
  case R_AARCH64_PREL64:
  case R_AARCH64_PREL32:
  case R_AARCH64_PREL16:
  case R_AARCH64_PLT32:
   break;
  /* Allow relocations to generate PC-relative addressing. */
  case R_AARCH64_LD_PREL_LO19:
  case R_AARCH64_ADR_PREL_LO21:
  case R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21:
  case R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21_NC:
  case R_AARCH64_ADD_ABS_LO12_NC:
  case R_AARCH64_LDST8_ABS_LO12_NC:
  case R_AARCH64_LDST16_ABS_LO12_NC:
  case R_AARCH64_LDST32_ABS_LO12_NC:
  case R_AARCH64_LDST64_ABS_LO12_NC:
  case R_AARCH64_LDST128_ABS_LO12_NC:
   break;
  /* Allow relative relocations for control-flow instructions. */
  case R_AARCH64_TSTBR14:
  case R_AARCH64_CONDBR19:
  case R_AARCH64_JUMP26:
  case R_AARCH64_CALL26:
   break;
  /* Allow group relocations to create PC-relative offset inline. */
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G0:
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G0_NC:
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G1:
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G1_NC:
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G2:
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G2_NC:
  case R_AARCH64_MOVW_PREL_G3:
   break;
  default:
   fatal_error("Unexpected RELA type %u", type);
  }
 }
}

/* Iterate over all sections and emit hyp relocation data for RELA sections. */
static void emit_all_relocs(void)
{
 Elf64_Shdr *shdr;

 for_each_section(shdr) {
  switch (elf32toh(shdr->sh_type)) {
  case SHT_REL:
   fatal_error("Unexpected SHT_REL section \"%s\"",
    section_name(shdr));
  case SHT_RELA:
   emit_rela_section(shdr);
   break;
  }
 }
}

int main(int argc, const char **argv)
{
 if (argc != 2) {
  fprintf(stderr, "Usage: %s <elf_input>\n", argv[0]);
  return EXIT_FAILURE;
 }

 init_elf(argv[1]);

 emit_prologue();
 emit_all_relocs();
 emit_epilogue();

 return EXIT_SUCCESS;
}