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1                 Cache and TLB Flushing
2                      Under Linux
4             David S. Miller <davem@redhat.com>
6 This document describes the cache/tlb flushing interfaces called
7 by the Linux VM subsystem.  It enumerates over each interface,
8 describes it's intended purpose, and what side effect is expected
9 after the interface is invoked.
11 The side effects described below are stated for a uniprocessor
12 implementation, and what is to happen on that single processor.  The
13 SMP cases are a simple extension, in that you just extend the
14 definition such that the side effect for a particular interface occurs
15 on all processors in the system.  Don't let this scare you into
16 thinking SMP cache/tlb flushing must be so inefficient, this is in
17 fact an area where many optimizations are possible.  For example,
18 if it can be proven that a user address space has never executed
19 on a cpu (see vma->cpu_vm_mask), one need not perform a flush
20 for this address space on that cpu.
22 First, the TLB flushing interfaces, since they are the simplest.  The
23 "TLB" is abstracted under Linux as something the cpu uses to cache
24 virtual-->physical address translations obtained from the software
25 page tables.  Meaning that if the software page tables change, it is
26 possible for stale translations to exist in this "TLB" cache.
27 Therefore when software page table changes occur, the kernel will
28 invoke one of the following flush methods _after_ the page table
29 changes occur:
31 1) void flush_tlb_all(void)
33         The most severe flush of all.  After this interface runs,
34         any previous page table modification whatsoever will be
35         visible to the cpu.
37         This is usually invoked when the kernel page tables are
38         changed, since such translations are "global" in nature.
40 2) void flush_tlb_mm(struct mm_struct *mm)
42         This interface flushes an entire user address space from
43         the TLB.  After running, this interface must make sure that
44         any previous page table modifications for the address space
45         'mm' will be visible to the cpu.  That is, after running,
46         there will be no entries in the TLB for 'mm'.
48         This interface is used to handle whole address space
49         page table operations such as what happens during
50         fork, and exec.
52         Platform developers note that generic code will always
53         invoke this interface without mm->page_table_lock held.
55 3) void flush_tlb_range(struct vm_area_struct *vma,
56                         unsigned long start, unsigned long end)
58         Here we are flushing a specific range of (user) virtual
59         address translations from the TLB.  After running, this
60         interface must make sure that any previous page table
61         modifications for the address space 'vma->vm_mm' in the range
62         'start' to 'end-1' will be visible to the cpu.  That is, after
63         running, here will be no entries in the TLB for 'mm' for
64         virtual addresses in the range 'start' to 'end-1'.
66         The "vma" is the backing store being used for the region.
67         Primarily, this is used for munmap() type operations.
69         The interface is provided in hopes that the port can find
70         a suitably efficient method for removing multiple page
71         sized translations from the TLB, instead of having the kernel
72         call flush_tlb_page (see below) for each entry which may be
73         modified.
75         Platform developers note that generic code will always
76         invoke this interface with mm->page_table_lock held.
78 4) void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr)
80         This time we need to remove the PAGE_SIZE sized translation
81         from the TLB.  The 'vma' is the backing structure used by
82         Linux to keep track of mmap'd regions for a process, the
83         address space is available via vma->vm_mm.  Also, one may
84         test (vma->vm_flags & VM_EXEC) to see if this region is
85         executable (and thus could be in the 'instruction TLB' in
86         split-tlb type setups).
88         After running, this interface must make sure that any previous
89         page table modification for address space 'vma->vm_mm' for
90         user virtual address 'addr' will be visible to the cpu.  That
91         is, after running, there will be no entries in the TLB for
92         'vma->vm_mm' for virtual address 'addr'.
94         This is used primarily during fault processing.
96         Platform developers note that generic code will always
97         invoke this interface with mm->page_table_lock held.
99 5) void flush_tlb_pgtables(struct mm_struct *mm,
100                            unsigned long start, unsigned long end)
102    The software page tables for address space 'mm' for virtual
103    addresses in the range 'start' to 'end-1' are being torn down.
105    Some platforms cache the lowest level of the software page tables
106    in a linear virtually mapped array, to make TLB miss processing
107    more efficient.  On such platforms, since the TLB is caching the
108    software page table structure, it needs to be flushed when parts
109    of the software page table tree are unlinked/freed.
111    Sparc64 is one example of a platform which does this.
113    Usually, when munmap()'ing an area of user virtual address
114    space, the kernel leaves the page table parts around and just
115    marks the individual pte's as invalid.  However, if very large
116    portions of the address space are unmapped, the kernel frees up
117    those portions of the software page tables to prevent potential
118    excessive kernel memory usage caused by erratic mmap/mmunmap
119    sequences.  It is at these times that flush_tlb_pgtables will
120    be invoked.
122 6) void update_mmu_cache(struct vm_area_struct *vma,
123                          unsigned long address, pte_t pte)
125         At the end of every page fault, this routine is invoked to
126         tell the architecture specific code that a translation
127         described by "pte" now exists at virtual address "address"
128         for address space "vma->vm_mm", in the software page tables.
130         A port may use this information in any way it so chooses.
131         For example, it could use this event to pre-load TLB
132         translations for software managed TLB configurations.
133         The sparc64 port currently does this.
135 7) void tlb_migrate_finish(struct mm_struct *mm)
137         This interface is called at the end of an explicit
138         process migration. This interface provides a hook
139         to allow a platform to update TLB or context-specific
140         information for the address space.
142         The ia64 sn2 platform is one example of a platform
143         that uses this interface.
146 Next, we have the cache flushing interfaces.  In general, when Linux
147 is changing an existing virtual-->physical mapping to a new value,
148 the sequence will be in one of the following forms:
150         1) flush_cache_mm(mm);
151            change_all_page_tables_of(mm);
152            flush_tlb_mm(mm);
154         2) flush_cache_range(vma, start, end);
155            change_range_of_page_tables(mm, start, end);
156            flush_tlb_range(vma, start, end);
158         3) flush_cache_page(vma, addr);
159            set_pte(pte_pointer, new_pte_val);
160            flush_tlb_page(vma, addr);
162 The cache level flush will always be first, because this allows
163 us to properly handle systems whose caches are strict and require
164 a virtual-->physical translation to exist for a virtual address
165 when that virtual address is flushed from the cache.  The HyperSparc
166 cpu is one such cpu with this attribute.
168 The cache flushing routines below need only deal with cache flushing
169 to the extent that it is necessary for a particular cpu.  Mostly,
170 these routines must be implemented for cpus which have virtually
171 indexed caches which must be flushed when virtual-->physical
172 translations are changed or removed.  So, for example, the physically
173 indexed physically tagged caches of IA32 processors have no need to
174 implement these interfaces since the caches are fully synchronized
175 and have no dependency on translation information.
177 Here are the routines, one by one:
179 1) void flush_cache_mm(struct mm_struct *mm)
181         This interface flushes an entire user address space from
182         the caches.  That is, after running, there will be no cache
183         lines associated with 'mm'.
185         This interface is used to handle whole address space
186         page table operations such as what happens during
187         fork, exit, and exec.
189 2) void flush_cache_range(struct vm_area_struct *vma,
190                           unsigned long start, unsigned long end)
192         Here we are flushing a specific range of (user) virtual
193         addresses from the cache.  After running, there will be no
194         entries in the cache for 'vma->vm_mm' for virtual addresses in
195         the range 'start' to 'end-1'.
197         The "vma" is the backing store being used for the region.
198         Primarily, this is used for munmap() type operations.
200         The interface is provided in hopes that the port can find
201         a suitably efficient method for removing multiple page
202         sized regions from the cache, instead of having the kernel
203         call flush_cache_page (see below) for each entry which may be
204         modified.
206 3) void flush_cache_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr)
208         This time we need to remove a PAGE_SIZE sized range
209         from the cache.  The 'vma' is the backing structure used by
210         Linux to keep track of mmap'd regions for a process, the
211         address space is available via vma->vm_mm.  Also, one may
212         test (vma->vm_flags & VM_EXEC) to see if this region is
213         executable (and thus could be in the 'instruction cache' in
214         "Harvard" type cache layouts).
216         After running, there will be no entries in the cache for
217         'vma->vm_mm' for virtual address 'addr'.
219         This is used primarily during fault processing.
221 4) void flush_cache_kmaps(void)
223         This routine need only be implemented if the platform utilizes
224         highmem.  It will be called right before all of the kmaps
225         are invalidated.
227         After running, there will be no entries in the cache for
228         the kernel virtual address range PKMAP_ADDR(0) to
229         PKMAP_ADDR(LAST_PKMAP).
231         This routing should be implemented in asm/highmem.h
233 5) void flush_cache_vmap(unsigned long start, unsigned long end)
234    void flush_cache_vunmap(unsigned long start, unsigned long end)
236         Here in these two interfaces we are flushing a specific range
237         of (kernel) virtual addresses from the cache.  After running,
238         there will be no entries in the cache for the kernel address
239         space for virtual addresses in the range 'start' to 'end-1'.
241         The first of these two routines is invoked after map_vm_area()
242         has installed the page table entries.  The second is invoked
243         before unmap_vm_area() deletes the page table entries.
245 There exists another whole class of cpu cache issues which currently
246 require a whole different set of interfaces to handle properly.
247 The biggest problem is that of virtual aliasing in the data cache
248 of a processor.
250 Is your port susceptible to virtual aliasing in it's D-cache?
251 Well, if your D-cache is virtually indexed, is larger in size than
252 PAGE_SIZE, and does not prevent multiple cache lines for the same
253 physical address from existing at once, you have this problem.
255 If your D-cache has this problem, first define asm/shmparam.h SHMLBA
256 properly, it should essentially be the size of your virtually
257 addressed D-cache (or if the size is variable, the largest possible
258 size).  This setting will force the SYSv IPC layer to only allow user
259 processes to mmap shared memory at address which are a multiple of
260 this value.
262 NOTE: This does not fix shared mmaps, check out the sparc64 port for
263 one way to solve this (in particular SPARC_FLAG_MMAPSHARED).
265 Next, you have to solve the D-cache aliasing issue for all
266 other cases.  Please keep in mind that fact that, for a given page
267 mapped into some user address space, there is always at least one more
268 mapping, that of the kernel in it's linear mapping starting at
269 PAGE_OFFSET.  So immediately, once the first user maps a given
270 physical page into its address space, by implication the D-cache
271 aliasing problem has the potential to exist since the kernel already
272 maps this page at its virtual address.
274   void copy_user_page(void *to, void *from, unsigned long addr, struct page *page)
275   void clear_user_page(void *to, unsigned long addr, struct page *page)
277         These two routines store data in user anonymous or COW
278         pages.  It allows a port to efficiently avoid D-cache alias
279         issues between userspace and the kernel.
281         For example, a port may temporarily map 'from' and 'to' to
282         kernel virtual addresses during the copy.  The virtual address
283         for these two pages is chosen in such a way that the kernel
284         load/store instructions happen to virtual addresses which are
285         of the same "color" as the user mapping of the page.  Sparc64
286         for example, uses this technique.
288         The 'addr' parameter tells the virtual address where the
289         user will ultimately have this page mapped, and the 'page'
290         parameter gives a pointer to the struct page of the target.
292         If D-cache aliasing is not an issue, these two routines may
293         simply call memcpy/memset directly and do nothing more.
295   void flush_dcache_page(struct page *page)
297         Any time the kernel writes to a page cache page, _OR_
298         the kernel is about to read from a page cache page and
299         user space shared/writable mappings of this page potentially
300         exist, this routine is called.
302         NOTE: This routine need only be called for page cache pages
303               which can potentially ever be mapped into the address
304               space of a user process.  So for example, VFS layer code
305               handling vfs symlinks in the page cache need not call
306               this interface at all.
308         The phrase "kernel writes to a page cache page" means,
309         specifically, that the kernel executes store instructions
310         that dirty data in that page at the page->virtual mapping
311         of that page.  It is important to flush here to handle
312         D-cache aliasing, to make sure these kernel stores are
313         visible to user space mappings of that page.
315         The corollary case is just as important, if there are users
316         which have shared+writable mappings of this file, we must make
317         sure that kernel reads of these pages will see the most recent
318         stores done by the user.
320         If D-cache aliasing is not an issue, this routine may
321         simply be defined as a nop on that architecture.
323         There is a bit set aside in page->flags (PG_arch_1) as
324         "architecture private".  The kernel guarantees that,
325         for pagecache pages, it will clear this bit when such
326         a page first enters the pagecache.
328         This allows these interfaces to be implemented much more
329         efficiently.  It allows one to "defer" (perhaps indefinitely)
330         the actual flush if there are currently no user processes
331         mapping this page.  See sparc64's flush_dcache_page and
332         update_mmu_cache implementations for an example of how to go
333         about doing this.
335         The idea is, first at flush_dcache_page() time, if
336         page->mapping->i_mmap is an empty tree and ->i_mmap_nonlinear
337         an empty list, just mark the architecture private page flag bit.
338         Later, in update_mmu_cache(), a check is made of this flag bit,
339         and if set the flush is done and the flag bit is cleared.
341         IMPORTANT NOTE: It is often important, if you defer the flush,
342                         that the actual flush occurs on the same CPU
343                         as did the cpu stores into the page to make it
344                         dirty.  Again, see sparc64 for examples of how
345                         to deal with this.
347   void copy_to_user_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page,
348                          unsigned long user_vaddr,
349                          void *dst, void *src, int len)
350   void copy_from_user_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page,
351                            unsigned long user_vaddr,
352                            void *dst, void *src, int len)
353         When the kernel needs to copy arbitrary data in and out
354         of arbitrary user pages (f.e. for ptrace()) it will use
355         these two routines.
357         Any necessary cache flushing or other coherency operations
358         that need to occur should happen here.  If the processor's
359         instruction cache does not snoop cpu stores, it is very
360         likely that you will need to flush the instruction cache
361         for copy_to_user_page().
363   void flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end)
364         When the kernel stores into addresses that it will execute
365         out of (eg when loading modules), this function is called.
367         If the icache does not snoop stores then this routine will need
368         to flush it.
370   void flush_icache_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page)
371         All the functionality of flush_icache_page can be implemented in
372         flush_dcache_page and update_mmu_cache. In 2.7 the hope is to
373         remove this interface completely.