ui: update keycodemapdb to get py3 fixes
[qemu/ar7.git] / docs / devel / memory.txt
blob8ed810f8b9a8c0128e90f1b2e91d28c44c20d666
1 The memory API
2 ==============
4 The memory API models the memory and I/O buses and controllers of a QEMU
5 machine.  It attempts to allow modelling of:
7  - ordinary RAM
8  - memory-mapped I/O (MMIO)
9  - memory controllers that can dynamically reroute physical memory regions
10    to different destinations
12 The memory model provides support for
14  - tracking RAM changes by the guest
15  - setting up coalesced memory for kvm
16  - setting up ioeventfd regions for kvm
18 Memory is modelled as an acyclic graph of MemoryRegion objects.  Sinks
19 (leaves) are RAM and MMIO regions, while other nodes represent
20 buses, memory controllers, and memory regions that have been rerouted.
22 In addition to MemoryRegion objects, the memory API provides AddressSpace
23 objects for every root and possibly for intermediate MemoryRegions too.
24 These represent memory as seen from the CPU or a device's viewpoint.
26 Types of regions
27 ----------------
29 There are multiple types of memory regions (all represented by a single C type
30 MemoryRegion):
32 - RAM: a RAM region is simply a range of host memory that can be made available
33   to the guest.
34   You typically initialize these with memory_region_init_ram().  Some special
35   purposes require the variants memory_region_init_resizeable_ram(),
36   memory_region_init_ram_from_file(), or memory_region_init_ram_ptr().
38 - MMIO: a range of guest memory that is implemented by host callbacks;
39   each read or write causes a callback to be called on the host.
40   You initialize these with memory_region_init_io(), passing it a
41   MemoryRegionOps structure describing the callbacks.
43 - ROM: a ROM memory region works like RAM for reads (directly accessing
44   a region of host memory), and forbids writes. You initialize these with
45   memory_region_init_rom().
47 - ROM device: a ROM device memory region works like RAM for reads
48   (directly accessing a region of host memory), but like MMIO for
49   writes (invoking a callback).  You initialize these with
50   memory_region_init_rom_device().
52 - IOMMU region: an IOMMU region translates addresses of accesses made to it
53   and forwards them to some other target memory region.  As the name suggests,
54   these are only needed for modelling an IOMMU, not for simple devices.
55   You initialize these with memory_region_init_iommu().
57 - container: a container simply includes other memory regions, each at
58   a different offset.  Containers are useful for grouping several regions
59   into one unit.  For example, a PCI BAR may be composed of a RAM region
60   and an MMIO region.
62   A container's subregions are usually non-overlapping.  In some cases it is
63   useful to have overlapping regions; for example a memory controller that
64   can overlay a subregion of RAM with MMIO or ROM, or a PCI controller
65   that does not prevent card from claiming overlapping BARs.
67   You initialize a pure container with memory_region_init().
69 - alias: a subsection of another region.  Aliases allow a region to be
70   split apart into discontiguous regions.  Examples of uses are memory banks
71   used when the guest address space is smaller than the amount of RAM
72   addressed, or a memory controller that splits main memory to expose a "PCI
73   hole".  Aliases may point to any type of region, including other aliases,
74   but an alias may not point back to itself, directly or indirectly.
75   You initialize these with memory_region_init_alias().
77 - reservation region: a reservation region is primarily for debugging.
78   It claims I/O space that is not supposed to be handled by QEMU itself.
79   The typical use is to track parts of the address space which will be
80   handled by the host kernel when KVM is enabled.
81   You initialize these with memory_region_init_reservation(), or by
82   passing a NULL callback parameter to memory_region_init_io().
84 It is valid to add subregions to a region which is not a pure container
85 (that is, to an MMIO, RAM or ROM region). This means that the region
86 will act like a container, except that any addresses within the container's
87 region which are not claimed by any subregion are handled by the
88 container itself (ie by its MMIO callbacks or RAM backing). However
89 it is generally possible to achieve the same effect with a pure container
90 one of whose subregions is a low priority "background" region covering
91 the whole address range; this is often clearer and is preferred.
92 Subregions cannot be added to an alias region.
94 Migration
95 ---------
97 Where the memory region is backed by host memory (RAM, ROM and
98 ROM device memory region types), this host memory needs to be
99 copied to the destination on migration. These APIs which allocate
100 the host memory for you will also register the memory so it is
101 migrated:
102  - memory_region_init_ram()
103  - memory_region_init_rom()
104  - memory_region_init_rom_device()
106 For most devices and boards this is the correct thing. If you
107 have a special case where you need to manage the migration of
108 the backing memory yourself, you can call the functions:
109  - memory_region_init_ram_nomigrate()
110  - memory_region_init_rom_nomigrate()
111  - memory_region_init_rom_device_nomigrate()
112 which only initialize the MemoryRegion and leave handling
113 migration to the caller.
115 The functions:
116  - memory_region_init_resizeable_ram()
117  - memory_region_init_ram_from_file()
118  - memory_region_init_ram_from_fd()
119  - memory_region_init_ram_ptr()
120  - memory_region_init_ram_device_ptr()
121 are for special cases only, and so they do not automatically
122 register the backing memory for migration; the caller must
123 manage migration if necessary.
125 Region names
126 ------------
128 Regions are assigned names by the constructor.  For most regions these are
129 only used for debugging purposes, but RAM regions also use the name to identify
130 live migration sections.  This means that RAM region names need to have ABI
131 stability.
133 Region lifecycle
134 ----------------
136 A region is created by one of the memory_region_init*() functions and
137 attached to an object, which acts as its owner or parent.  QEMU ensures
138 that the owner object remains alive as long as the region is visible to
139 the guest, or as long as the region is in use by a virtual CPU or another
140 device.  For example, the owner object will not die between an
141 address_space_map operation and the corresponding address_space_unmap.
143 After creation, a region can be added to an address space or a
144 container with memory_region_add_subregion(), and removed using
145 memory_region_del_subregion().
147 Various region attributes (read-only, dirty logging, coalesced mmio,
148 ioeventfd) can be changed during the region lifecycle.  They take effect
149 as soon as the region is made visible.  This can be immediately, later,
150 or never.
152 Destruction of a memory region happens automatically when the owner
153 object dies.
155 If however the memory region is part of a dynamically allocated data
156 structure, you should call object_unparent() to destroy the memory region
157 before the data structure is freed.  For an example see VFIOMSIXInfo
158 and VFIOQuirk in hw/vfio/pci.c.
160 You must not destroy a memory region as long as it may be in use by a
161 device or CPU.  In order to do this, as a general rule do not create or
162 destroy memory regions dynamically during a device's lifetime, and only
163 call object_unparent() in the memory region owner's instance_finalize
164 callback.  The dynamically allocated data structure that contains the
165 memory region then should obviously be freed in the instance_finalize
166 callback as well.
168 If you break this rule, the following situation can happen:
170 - the memory region's owner had a reference taken via memory_region_ref
171   (for example by address_space_map)
173 - the region is unparented, and has no owner anymore
175 - when address_space_unmap is called, the reference to the memory region's
176   owner is leaked.
179 There is an exception to the above rule: it is okay to call
180 object_unparent at any time for an alias or a container region.  It is
181 therefore also okay to create or destroy alias and container regions
182 dynamically during a device's lifetime.
184 This exceptional usage is valid because aliases and containers only help
185 QEMU building the guest's memory map; they are never accessed directly.
186 memory_region_ref and memory_region_unref are never called on aliases
187 or containers, and the above situation then cannot happen.  Exploiting
188 this exception is rarely necessary, and therefore it is discouraged,
189 but nevertheless it is used in a few places.
191 For regions that "have no owner" (NULL is passed at creation time), the
192 machine object is actually used as the owner.  Since instance_finalize is
193 never called for the machine object, you must never call object_unparent
194 on regions that have no owner, unless they are aliases or containers.
197 Overlapping regions and priority
198 --------------------------------
199 Usually, regions may not overlap each other; a memory address decodes into
200 exactly one target.  In some cases it is useful to allow regions to overlap,
201 and sometimes to control which of an overlapping regions is visible to the
202 guest.  This is done with memory_region_add_subregion_overlap(), which
203 allows the region to overlap any other region in the same container, and
204 specifies a priority that allows the core to decide which of two regions at
205 the same address are visible (highest wins).
206 Priority values are signed, and the default value is zero. This means that
207 you can use memory_region_add_subregion_overlap() both to specify a region
208 that must sit 'above' any others (with a positive priority) and also a
209 background region that sits 'below' others (with a negative priority).
211 If the higher priority region in an overlap is a container or alias, then
212 the lower priority region will appear in any "holes" that the higher priority
213 region has left by not mapping subregions to that area of its address range.
214 (This applies recursively -- if the subregions are themselves containers or
215 aliases that leave holes then the lower priority region will appear in these
216 holes too.)
218 For example, suppose we have a container A of size 0x8000 with two subregions
219 B and C. B is a container mapped at 0x2000, size 0x4000, priority 2; C is
220 an MMIO region mapped at 0x0, size 0x6000, priority 1. B currently has two
221 of its own subregions: D of size 0x1000 at offset 0 and E of size 0x1000 at
222 offset 0x2000. As a diagram:
224         0      1000   2000   3000   4000   5000   6000   7000   8000
225         |------|------|------|------|------|------|------|------|
226   A:    [                                                      ]
227   C:    [CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC]
228   B:                  [                          ]
229   D:                  [DDDDD]
230   E:                                [EEEEE]
232 The regions that will be seen within this address range then are:
233         [CCCCCCCCCCCC][DDDDD][CCCCC][EEEEE][CCCCC]
235 Since B has higher priority than C, its subregions appear in the flat map
236 even where they overlap with C. In ranges where B has not mapped anything
237 C's region appears.
239 If B had provided its own MMIO operations (ie it was not a pure container)
240 then these would be used for any addresses in its range not handled by
241 D or E, and the result would be:
242         [CCCCCCCCCCCC][DDDDD][BBBBB][EEEEE][BBBBB]
244 Priority values are local to a container, because the priorities of two
245 regions are only compared when they are both children of the same container.
246 This means that the device in charge of the container (typically modelling
247 a bus or a memory controller) can use them to manage the interaction of
248 its child regions without any side effects on other parts of the system.
249 In the example above, the priorities of D and E are unimportant because
250 they do not overlap each other. It is the relative priority of B and C
251 that causes D and E to appear on top of C: D and E's priorities are never
252 compared against the priority of C.
254 Visibility
255 ----------
256 The memory core uses the following rules to select a memory region when the
257 guest accesses an address:
259 - all direct subregions of the root region are matched against the address, in
260   descending priority order
261   - if the address lies outside the region offset/size, the subregion is
262     discarded
263   - if the subregion is a leaf (RAM or MMIO), the search terminates, returning
264     this leaf region
265   - if the subregion is a container, the same algorithm is used within the
266     subregion (after the address is adjusted by the subregion offset)
267   - if the subregion is an alias, the search is continued at the alias target
268     (after the address is adjusted by the subregion offset and alias offset)
269   - if a recursive search within a container or alias subregion does not
270     find a match (because of a "hole" in the container's coverage of its
271     address range), then if this is a container with its own MMIO or RAM
272     backing the search terminates, returning the container itself. Otherwise
273     we continue with the next subregion in priority order
274 - if none of the subregions match the address then the search terminates
275   with no match found
277 Example memory map
278 ------------------
280 system_memory: container@0-2^48-1
282  +---- lomem: alias@0-0xdfffffff ---> #ram (0-0xdfffffff)
284  +---- himem: alias@0x100000000-0x11fffffff ---> #ram (0xe0000000-0xffffffff)
286  +---- vga-window: alias@0xa0000-0xbffff ---> #pci (0xa0000-0xbffff)
287  |      (prio 1)
289  +---- pci-hole: alias@0xe0000000-0xffffffff ---> #pci (0xe0000000-0xffffffff)
291 pci (0-2^32-1)
293  +--- vga-area: container@0xa0000-0xbffff
294  |      |
295  |      +--- alias@0x00000-0x7fff  ---> #vram (0x010000-0x017fff)
296  |      |
297  |      +--- alias@0x08000-0xffff  ---> #vram (0x020000-0x027fff)
299  +---- vram: ram@0xe1000000-0xe1ffffff
301  +---- vga-mmio: mmio@0xe2000000-0xe200ffff
303 ram: ram@0x00000000-0xffffffff
305 This is a (simplified) PC memory map. The 4GB RAM block is mapped into the
306 system address space via two aliases: "lomem" is a 1:1 mapping of the first
307 3.5GB; "himem" maps the last 0.5GB at address 4GB.  This leaves 0.5GB for the
308 so-called PCI hole, that allows a 32-bit PCI bus to exist in a system with
309 4GB of memory.
311 The memory controller diverts addresses in the range 640K-768K to the PCI
312 address space.  This is modelled using the "vga-window" alias, mapped at a
313 higher priority so it obscures the RAM at the same addresses.  The vga window
314 can be removed by programming the memory controller; this is modelled by
315 removing the alias and exposing the RAM underneath.
317 The pci address space is not a direct child of the system address space, since
318 we only want parts of it to be visible (we accomplish this using aliases).
319 It has two subregions: vga-area models the legacy vga window and is occupied
320 by two 32K memory banks pointing at two sections of the framebuffer.
321 In addition the vram is mapped as a BAR at address e1000000, and an additional
322 BAR containing MMIO registers is mapped after it.
324 Note that if the guest maps a BAR outside the PCI hole, it would not be
325 visible as the pci-hole alias clips it to a 0.5GB range.
327 MMIO Operations
328 ---------------
330 MMIO regions are provided with ->read() and ->write() callbacks; in addition
331 various constraints can be supplied to control how these callbacks are called:
333  - .valid.min_access_size, .valid.max_access_size define the access sizes
334    (in bytes) which the device accepts; accesses outside this range will
335    have device and bus specific behaviour (ignored, or machine check)
336  - .valid.unaligned specifies that the *device being modelled* supports
337     unaligned accesses; if false, unaligned accesses will invoke the
338     appropriate bus or CPU specific behaviour.
339  - .impl.min_access_size, .impl.max_access_size define the access sizes
340    (in bytes) supported by the *implementation*; other access sizes will be
341    emulated using the ones available.  For example a 4-byte write will be
342    emulated using four 1-byte writes, if .impl.max_access_size = 1.
343  - .impl.unaligned specifies that the *implementation* supports unaligned
344    accesses; if false, unaligned accesses will be emulated by two aligned
345    accesses.
346  - .old_mmio eases the porting of code that was formerly using
347    cpu_register_io_memory(). It should not be used in new code.