[POWERPC] unmap_vm_area becomes unmap_kernel_range for the public
[linux-2.6.git] / Documentation / cachetlb.txt
1                 Cache and TLB Flushing
2                      Under Linux
3
4             David S. Miller <davem@redhat.com>
5
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.
10
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.
21
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:
30
31 1) void flush_tlb_all(void)
32
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.
36
37         This is usually invoked when the kernel page tables are
38         changed, since such translations are "global" in nature.
39
40 2) void flush_tlb_mm(struct mm_struct *mm)
41
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'.
47
48         This interface is used to handle whole address space
49         page table operations such as what happens during
50         fork, and exec.
51
52 3) void flush_tlb_range(struct vm_area_struct *vma,
53                         unsigned long start, unsigned long end)
54
55         Here we are flushing a specific range of (user) virtual
56         address translations from the TLB.  After running, this
57         interface must make sure that any previous page table
58         modifications for the address space 'vma->vm_mm' in the range
59         'start' to 'end-1' will be visible to the cpu.  That is, after
60         running, here will be no entries in the TLB for 'mm' for
61         virtual addresses in the range 'start' to 'end-1'.
62
63         The "vma" is the backing store being used for the region.
64         Primarily, this is used for munmap() type operations.
65
66         The interface is provided in hopes that the port can find
67         a suitably efficient method for removing multiple page
68         sized translations from the TLB, instead of having the kernel
69         call flush_tlb_page (see below) for each entry which may be
70         modified.
71
72 4) void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr)
73
74         This time we need to remove the PAGE_SIZE sized translation
75         from the TLB.  The 'vma' is the backing structure used by
76         Linux to keep track of mmap'd regions for a process, the
77         address space is available via vma->vm_mm.  Also, one may
78         test (vma->vm_flags & VM_EXEC) to see if this region is
79         executable (and thus could be in the 'instruction TLB' in
80         split-tlb type setups).
81
82         After running, this interface must make sure that any previous
83         page table modification for address space 'vma->vm_mm' for
84         user virtual address 'addr' will be visible to the cpu.  That
85         is, after running, there will be no entries in the TLB for
86         'vma->vm_mm' for virtual address 'addr'.
87
88         This is used primarily during fault processing.
89
90 5) void flush_tlb_pgtables(struct mm_struct *mm,
91                            unsigned long start, unsigned long end)
92
93    The software page tables for address space 'mm' for virtual
94    addresses in the range 'start' to 'end-1' are being torn down.
95
96    Some platforms cache the lowest level of the software page tables
97    in a linear virtually mapped array, to make TLB miss processing
98    more efficient.  On such platforms, since the TLB is caching the
99    software page table structure, it needs to be flushed when parts
100    of the software page table tree are unlinked/freed.
101
102    Sparc64 is one example of a platform which does this.
103
104    Usually, when munmap()'ing an area of user virtual address
105    space, the kernel leaves the page table parts around and just
106    marks the individual pte's as invalid.  However, if very large
107    portions of the address space are unmapped, the kernel frees up
108    those portions of the software page tables to prevent potential
109    excessive kernel memory usage caused by erratic mmap/mmunmap
110    sequences.  It is at these times that flush_tlb_pgtables will
111    be invoked.
112
113 6) void update_mmu_cache(struct vm_area_struct *vma,
114                          unsigned long address, pte_t pte)
115
116         At the end of every page fault, this routine is invoked to
117         tell the architecture specific code that a translation
118         described by "pte" now exists at virtual address "address"
119         for address space "vma->vm_mm", in the software page tables.
120
121         A port may use this information in any way it so chooses.
122         For example, it could use this event to pre-load TLB
123         translations for software managed TLB configurations.
124         The sparc64 port currently does this.
125
126 7) void tlb_migrate_finish(struct mm_struct *mm)
127
128         This interface is called at the end of an explicit
129         process migration. This interface provides a hook
130         to allow a platform to update TLB or context-specific
131         information for the address space.
132
133         The ia64 sn2 platform is one example of a platform
134         that uses this interface.
135
136 8) void lazy_mmu_prot_update(pte_t pte)
137         This interface is called whenever the protection on
138         any user PTEs change.  This interface provides a notification
139         to architecture specific code to take appropriate action.
140
141
142 Next, we have the cache flushing interfaces.  In general, when Linux
143 is changing an existing virtual-->physical mapping to a new value,
144 the sequence will be in one of the following forms:
145
146         1) flush_cache_mm(mm);
147            change_all_page_tables_of(mm);
148            flush_tlb_mm(mm);
149
150         2) flush_cache_range(vma, start, end);
151            change_range_of_page_tables(mm, start, end);
152            flush_tlb_range(vma, start, end);
153
154         3) flush_cache_page(vma, addr, pfn);
155            set_pte(pte_pointer, new_pte_val);
156            flush_tlb_page(vma, addr);
157
158 The cache level flush will always be first, because this allows
159 us to properly handle systems whose caches are strict and require
160 a virtual-->physical translation to exist for a virtual address
161 when that virtual address is flushed from the cache.  The HyperSparc
162 cpu is one such cpu with this attribute.
163
164 The cache flushing routines below need only deal with cache flushing
165 to the extent that it is necessary for a particular cpu.  Mostly,
166 these routines must be implemented for cpus which have virtually
167 indexed caches which must be flushed when virtual-->physical
168 translations are changed or removed.  So, for example, the physically
169 indexed physically tagged caches of IA32 processors have no need to
170 implement these interfaces since the caches are fully synchronized
171 and have no dependency on translation information.
172
173 Here are the routines, one by one:
174
175 1) void flush_cache_mm(struct mm_struct *mm)
176
177         This interface flushes an entire user address space from
178         the caches.  That is, after running, there will be no cache
179         lines associated with 'mm'.
180
181         This interface is used to handle whole address space
182         page table operations such as what happens during exit and exec.
183
184 2) void flush_cache_dup_mm(struct mm_struct *mm)
185
186         This interface flushes an entire user address space from
187         the caches.  That is, after running, there will be no cache
188         lines associated with 'mm'.
189
190         This interface is used to handle whole address space
191         page table operations such as what happens during fork.
192
193         This option is separate from flush_cache_mm to allow some
194         optimizations for VIPT caches.
195
196 3) void flush_cache_range(struct vm_area_struct *vma,
197                           unsigned long start, unsigned long end)
198
199         Here we are flushing a specific range of (user) virtual
200         addresses from the cache.  After running, there will be no
201         entries in the cache for 'vma->vm_mm' for virtual addresses in
202         the range 'start' to 'end-1'.
203
204         The "vma" is the backing store being used for the region.
205         Primarily, this is used for munmap() type operations.
206
207         The interface is provided in hopes that the port can find
208         a suitably efficient method for removing multiple page
209         sized regions from the cache, instead of having the kernel
210         call flush_cache_page (see below) for each entry which may be
211         modified.
212
213 4) void flush_cache_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn)
214
215         This time we need to remove a PAGE_SIZE sized range
216         from the cache.  The 'vma' is the backing structure used by
217         Linux to keep track of mmap'd regions for a process, the
218         address space is available via vma->vm_mm.  Also, one may
219         test (vma->vm_flags & VM_EXEC) to see if this region is
220         executable (and thus could be in the 'instruction cache' in
221         "Harvard" type cache layouts).
222
223         The 'pfn' indicates the physical page frame (shift this value
224         left by PAGE_SHIFT to get the physical address) that 'addr'
225         translates to.  It is this mapping which should be removed from
226         the cache.
227
228         After running, there will be no entries in the cache for
229         'vma->vm_mm' for virtual address 'addr' which translates
230         to 'pfn'.
231
232         This is used primarily during fault processing.
233
234 5) void flush_cache_kmaps(void)
235
236         This routine need only be implemented if the platform utilizes
237         highmem.  It will be called right before all of the kmaps
238         are invalidated.
239
240         After running, there will be no entries in the cache for
241         the kernel virtual address range PKMAP_ADDR(0) to
242         PKMAP_ADDR(LAST_PKMAP).
243
244         This routing should be implemented in asm/highmem.h
245
246 6) void flush_cache_vmap(unsigned long start, unsigned long end)
247    void flush_cache_vunmap(unsigned long start, unsigned long end)
248
249         Here in these two interfaces we are flushing a specific range
250         of (kernel) virtual addresses from the cache.  After running,
251         there will be no entries in the cache for the kernel address
252         space for virtual addresses in the range 'start' to 'end-1'.
253
254         The first of these two routines is invoked after map_vm_area()
255         has installed the page table entries.  The second is invoked
256         before unmap_kernel_range() deletes the page table entries.
257
258 There exists another whole class of cpu cache issues which currently
259 require a whole different set of interfaces to handle properly.
260 The biggest problem is that of virtual aliasing in the data cache
261 of a processor.
262
263 Is your port susceptible to virtual aliasing in it's D-cache?
264 Well, if your D-cache is virtually indexed, is larger in size than
265 PAGE_SIZE, and does not prevent multiple cache lines for the same
266 physical address from existing at once, you have this problem.
267
268 If your D-cache has this problem, first define asm/shmparam.h SHMLBA
269 properly, it should essentially be the size of your virtually
270 addressed D-cache (or if the size is variable, the largest possible
271 size).  This setting will force the SYSv IPC layer to only allow user
272 processes to mmap shared memory at address which are a multiple of
273 this value.
274
275 NOTE: This does not fix shared mmaps, check out the sparc64 port for
276 one way to solve this (in particular SPARC_FLAG_MMAPSHARED).
277
278 Next, you have to solve the D-cache aliasing issue for all
279 other cases.  Please keep in mind that fact that, for a given page
280 mapped into some user address space, there is always at least one more
281 mapping, that of the kernel in it's linear mapping starting at
282 PAGE_OFFSET.  So immediately, once the first user maps a given
283 physical page into its address space, by implication the D-cache
284 aliasing problem has the potential to exist since the kernel already
285 maps this page at its virtual address.
286
287   void copy_user_page(void *to, void *from, unsigned long addr, struct page *page)
288   void clear_user_page(void *to, unsigned long addr, struct page *page)
289
290         These two routines store data in user anonymous or COW
291         pages.  It allows a port to efficiently avoid D-cache alias
292         issues between userspace and the kernel.
293
294         For example, a port may temporarily map 'from' and 'to' to
295         kernel virtual addresses during the copy.  The virtual address
296         for these two pages is chosen in such a way that the kernel
297         load/store instructions happen to virtual addresses which are
298         of the same "color" as the user mapping of the page.  Sparc64
299         for example, uses this technique.
300
301         The 'addr' parameter tells the virtual address where the
302         user will ultimately have this page mapped, and the 'page'
303         parameter gives a pointer to the struct page of the target.
304
305         If D-cache aliasing is not an issue, these two routines may
306         simply call memcpy/memset directly and do nothing more.
307
308   void flush_dcache_page(struct page *page)
309
310         Any time the kernel writes to a page cache page, _OR_
311         the kernel is about to read from a page cache page and
312         user space shared/writable mappings of this page potentially
313         exist, this routine is called.
314
315         NOTE: This routine need only be called for page cache pages
316               which can potentially ever be mapped into the address
317               space of a user process.  So for example, VFS layer code
318               handling vfs symlinks in the page cache need not call
319               this interface at all.
320
321         The phrase "kernel writes to a page cache page" means,
322         specifically, that the kernel executes store instructions
323         that dirty data in that page at the page->virtual mapping
324         of that page.  It is important to flush here to handle
325         D-cache aliasing, to make sure these kernel stores are
326         visible to user space mappings of that page.
327
328         The corollary case is just as important, if there are users
329         which have shared+writable mappings of this file, we must make
330         sure that kernel reads of these pages will see the most recent
331         stores done by the user.
332
333         If D-cache aliasing is not an issue, this routine may
334         simply be defined as a nop on that architecture.
335
336         There is a bit set aside in page->flags (PG_arch_1) as
337         "architecture private".  The kernel guarantees that,
338         for pagecache pages, it will clear this bit when such
339         a page first enters the pagecache.
340
341         This allows these interfaces to be implemented much more
342         efficiently.  It allows one to "defer" (perhaps indefinitely)
343         the actual flush if there are currently no user processes
344         mapping this page.  See sparc64's flush_dcache_page and
345         update_mmu_cache implementations for an example of how to go
346         about doing this.
347
348         The idea is, first at flush_dcache_page() time, if
349         page->mapping->i_mmap is an empty tree and ->i_mmap_nonlinear
350         an empty list, just mark the architecture private page flag bit.
351         Later, in update_mmu_cache(), a check is made of this flag bit,
352         and if set the flush is done and the flag bit is cleared.
353
354         IMPORTANT NOTE: It is often important, if you defer the flush,
355                         that the actual flush occurs on the same CPU
356                         as did the cpu stores into the page to make it
357                         dirty.  Again, see sparc64 for examples of how
358                         to deal with this.
359
360   void copy_to_user_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page,
361                          unsigned long user_vaddr,
362                          void *dst, void *src, int len)
363   void copy_from_user_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page,
364                            unsigned long user_vaddr,
365                            void *dst, void *src, int len)
366         When the kernel needs to copy arbitrary data in and out
367         of arbitrary user pages (f.e. for ptrace()) it will use
368         these two routines.
369
370         Any necessary cache flushing or other coherency operations
371         that need to occur should happen here.  If the processor's
372         instruction cache does not snoop cpu stores, it is very
373         likely that you will need to flush the instruction cache
374         for copy_to_user_page().
375
376   void flush_anon_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page,
377                        unsigned long vmaddr)
378         When the kernel needs to access the contents of an anonymous
379         page, it calls this function (currently only
380         get_user_pages()).  Note: flush_dcache_page() deliberately
381         doesn't work for an anonymous page.  The default
382         implementation is a nop (and should remain so for all coherent
383         architectures).  For incoherent architectures, it should flush
384         the cache of the page at vmaddr.
385
386   void flush_kernel_dcache_page(struct page *page)
387         When the kernel needs to modify a user page is has obtained
388         with kmap, it calls this function after all modifications are
389         complete (but before kunmapping it) to bring the underlying
390         page up to date.  It is assumed here that the user has no
391         incoherent cached copies (i.e. the original page was obtained
392         from a mechanism like get_user_pages()).  The default
393         implementation is a nop and should remain so on all coherent
394         architectures.  On incoherent architectures, this should flush
395         the kernel cache for page (using page_address(page)).
396
397
398   void flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end)
399         When the kernel stores into addresses that it will execute
400         out of (eg when loading modules), this function is called.
401
402         If the icache does not snoop stores then this routine will need
403         to flush it.
404
405   void flush_icache_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page)
406         All the functionality of flush_icache_page can be implemented in
407         flush_dcache_page and update_mmu_cache. In 2.7 the hope is to
408         remove this interface completely.