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bonding: fix panic when taking bond interface down before removing module
[linux-kernel-docs/linux-2.4.36.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 mm_struct *mm,
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 'mm' in the range 'start'
59         to 'end' will be visible to the cpu.  That is, after running,
60         there will be no entries in the TLB for 'mm' for virtual
61         addresses in the range 'start' to 'end'.
62
63         Primarily, this is used for munmap() type operations.
64
65         The interface is provided in hopes that the port can find
66         a suitably efficient method for removing multiple page
67         sized translations from the TLB, instead of having the kernel
68         call flush_tlb_page (see below) for each entry which may be
69         modified.
70
71 4) void flush_tlb_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long page)
72
73         This time we need to remove the PAGE_SIZE sized translation
74         from the TLB.  The 'vma' is the backing structure used by
75         Linux to keep track of mmap'd regions for a process, the
76         address space is available via vma->vm_mm.  Also, one may
77         test (vma->vm_flags & VM_EXEC) to see if this region is
78         executable (and thus could be in the 'instruction TLB' in
79         split-tlb type setups).
80
81         After running, this interface must make sure that any previous
82         page table modification for address space 'vma->vm_mm' for
83         user virtual address 'page' will be visible to the cpu.  That
84         is, after running, there will be no entries in the TLB for
85         'vma->vm_mm' for virtual address 'page'.
86
87         This is used primarily during fault processing.
88
89 5) void flush_tlb_pgtables(struct mm_struct *mm,
90                            unsigned long start, unsigned long end)
91
92    The software page tables for address space 'mm' for virtual
93    addresses in the range 'start' to 'end' are being torn down.
94
95    Some platforms cache the lowest level of the software page tables
96    in a linear virtually mapped array, to make TLB miss processing
97    more efficient.  On such platforms, since the TLB is caching the
98    software page table structure, it needs to be flushed when parts
99    of the software page table tree are unlinked/freed.
100
101    Sparc64 is one example of a platform which does this.
102
103    Usually, when munmap()'ing an area of user virtual address
104    space, the kernel leaves the page table parts around and just
105    marks the individual pte's as invalid.  However, if very large
106    portions of the address space are unmapped, the kernel frees up
107    those portions of the software page tables to prevent potential
108    excessive kernel memory usage caused by erratic mmap/mmunmap
109    sequences.  It is at these times that flush_tlb_pgtables will
110    be invoked.
111
112 6) void update_mmu_cache(struct vm_area_struct *vma,
113                          unsigned long address, pte_t pte)
114
115         At the end of every page fault, this routine is invoked to
116         tell the architecture specific code that a translation
117         described by "pte" now exists at virtual address "address"
118         for address space "vma->vm_mm", in the software page tables.
119
120         A port may use this information in any way it so chooses.
121         For example, it could use this event to pre-load TLB
122         translations for software managed TLB configurations.
123         The sparc64 port currently does this.
124
125 Next, we have the cache flushing interfaces.  In general, when Linux
126 is changing an existing virtual-->physical mapping to a new value,
127 the sequence will be in one of the following forms:
128
129         1) flush_cache_mm(mm);
130            change_all_page_tables_of(mm);
131            flush_tlb_mm(mm);
132
133         2) flush_cache_range(mm, start, end);
134            change_range_of_page_tables(mm, start, end);
135            flush_tlb_range(mm, start, end);
136
137         3) flush_cache_page(vma, page);
138            set_pte(pte_pointer, new_pte_val);
139            flush_tlb_page(vma, page);
140
141 The cache level flush will always be first, because this allows
142 us to properly handle systems whose caches are strict and require
143 a virtual-->physical translation to exist for a virtual address
144 when that virtual address is flushed from the cache.  The HyperSparc
145 cpu is one such cpu with this attribute.
146
147 The cache flushing routines below need only deal with cache flushing
148 to the extent that it is necessary for a particular cpu.  Mostly,
149 these routines must be implemented for cpus which have virtually
150 indexed caches which must be flushed when virtual-->physical
151 translations are changed or removed.  So, for example, the physically
152 indexed physically tagged caches of IA32 processors have no need to
153 implement these interfaces since the caches are fully synchronized
154 and have no dependency on translation information.
155
156 Here are the routines, one by one:
157
158 1) void flush_cache_all(void)
159
160         The most severe flush of all.  After this interface runs,
161         the entire cpu cache is flushed.
162
163         This is usually invoked when the kernel page tables are
164         changed, since such translations are "global" in nature.
165
166 2) void flush_cache_mm(struct mm_struct *mm)
167
168         This interface flushes an entire user address space from
169         the caches.  That is, after running, there will be no cache
170         lines associated with 'mm'.
171
172         This interface is used to handle whole address space
173         page table operations such as what happens during
174         fork, exit, and exec.
175
176 3) void flush_cache_range(struct mm_struct *mm,
177                           unsigned long start, unsigned long end)
178
179         Here we are flushing a specific range of (user) virtual
180         addresses from the cache.  After running, there will be no
181         entries in the cache for 'mm' for virtual addresses in the
182         range 'start' to 'end'.
183
184         Primarily, this is used for munmap() type operations.
185
186         The interface is provided in hopes that the port can find
187         a suitably efficient method for removing multiple page
188         sized regions from the cache, instead of having the kernel
189         call flush_cache_page (see below) for each entry which may be
190         modified.
191
192 4) void flush_cache_page(struct vm_area_struct *vma, unsigned long page)
193
194         This time we need to remove a PAGE_SIZE sized range
195         from the cache.  The 'vma' is the backing structure used by
196         Linux to keep track of mmap'd regions for a process, the
197         address space is available via vma->vm_mm.  Also, one may
198         test (vma->vm_flags & VM_EXEC) to see if this region is
199         executable (and thus could be in the 'instruction cache' in
200         "Harvard" type cache layouts).
201
202         After running, there will be no entries in the cache for
203         'vma->vm_mm' for virtual address 'page'.
204
205         This is used primarily during fault processing.
206
207 There exists another whole class of cpu cache issues which currently
208 require a whole different set of interfaces to handle properly.
209 The biggest problem is that of virtual aliasing in the data cache
210 of a processor.
211
212 Is your port susceptible to virtual aliasing in it's D-cache?
213 Well, if your D-cache is virtually indexed, is larger in size than
214 PAGE_SIZE, and does not prevent multiple cache lines for the same
215 physical address from existing at once, you have this problem.
216
217 If your D-cache has this problem, first define asm/shmparam.h SHMLBA
218 properly, it should essentially be the size of your virtually
219 addressed D-cache (or if the size is variable, the largest possible
220 size).  This setting will force the SYSv IPC layer to only allow user
221 processes to mmap shared memory at address which are a multiple of
222 this value.
223
224 NOTE: This does not fix shared mmaps, check out the sparc64 port for
225 one way to solve this (in particular SPARC_FLAG_MMAPSHARED).
226
227 Next, you have two methods to solve the D-cache aliasing issue for all
228 other cases.  Please keep in mind that fact that, for a given page
229 mapped into some user address space, there is always at least one more
230 mapping, that of the kernel in it's linear mapping starting at
231 PAGE_OFFSET.  So immediately, once the first user maps a given
232 physical page into its address space, by implication the D-cache
233 aliasing problem has the potential to exist since the kernel already
234 maps this page at its virtual address.
235
236 First, I describe the old method to deal with this problem.  I am
237 describing it for documentation purposes, but it is deprecated and the
238 latter method I describe next should be used by all new ports and all
239 existing ports should move over to the new mechanism as well.
240
241   flush_page_to_ram(struct page *page)
242
243         The physical page 'page' is about to be place into the
244         user address space of a process.  If it is possible for
245         stores done recently by the kernel into this physical
246         page, to not be visible to an arbitrary mapping in userspace,
247         you must flush this page from the D-cache.
248
249         If the D-cache is writeback in nature, the dirty data (if
250         any) for this physical page must be written back to main
251         memory before the cache lines are invalidated.
252
253 Admittedly, the author did not think very much when designing this
254 interface.  It does not give the architecture enough information about
255 what exactly is going on, and there is no context to base a judgment
256 on about whether an alias is possible at all.  The new interfaces to
257 deal with D-cache aliasing are meant to address this by telling the
258 architecture specific code exactly which is going on at the proper points
259 in time.
260
261 Here is the new interface:
262
263   void copy_user_page(void *to, void *from, unsigned long address)
264   void clear_user_page(void *to, unsigned long address)
265
266         These two routines store data in user anonymous or COW
267         pages.  It allows a port to efficiently avoid D-cache alias
268         issues between userspace and the kernel.
269
270         For example, a port may temporarily map 'from' and 'to' to
271         kernel virtual addresses during the copy.  The virtual address
272         for these two pages is chosen in such a way that the kernel
273         load/store instructions happen to virtual addresses which are
274         of the same "color" as the user mapping of the page.  Sparc64
275         for example, uses this technique.
276
277         The "address" parameter tells the virtual address where the
278         user will ultimately have this page mapped.
279
280         If D-cache aliasing is not an issue, these two routines may
281         simply call memcpy/memset directly and do nothing more.
282
283   void flush_dcache_page(struct page *page)
284
285         Any time the kernel writes to a page cache page, _OR_
286         the kernel is about to read from a page cache page and
287         user space shared/writable mappings of this page potentially
288         exist, this routine is called.
289
290         NOTE: This routine need only be called for page cache pages
291               which can potentially ever be mapped into the address
292               space of a user process.  So for example, VFS layer code
293               handling vfs symlinks in the page cache need not call
294               this interface at all.
295
296         The phrase "kernel writes to a page cache page" means,
297         specifically, that the kernel executes store instructions
298         that dirty data in that page at the page->virtual mapping
299         of that page.  It is important to flush here to handle
300         D-cache aliasing, to make sure these kernel stores are
301         visible to user space mappings of that page.
302
303         The corollary case is just as important, if there are users
304         which have shared+writable mappings of this file, we must make
305         sure that kernel reads of these pages will see the most recent
306         stores done by the user.
307
308         If D-cache aliasing is not an issue, this routine may
309         simply be defined as a nop on that architecture.
310
311         There is a bit set aside in page->flags (PG_arch_1) as
312         "architecture private".  The kernel guarantees that,
313         for pagecache pages, it will clear this bit when such
314         a page first enters the pagecache.
315
316         This allows these interfaces to be implemented much more
317         efficiently.  It allows one to "defer" (perhaps indefinitely)
318         the actual flush if there are currently no user processes
319         mapping this page.  See sparc64's flush_dcache_page and
320         update_mmu_cache implementations for an example of how to go
321         about doing this.
322
323         The idea is, first at flush_dcache_page() time, if
324         page->mapping->i_mmap{,_shared} are empty lists, just mark the
325         architecture private page flag bit.  Later, in
326         update_mmu_cache(), a check is made of this flag bit, and if
327         set the flush is done and the flag bit is cleared.
328
329         IMPORTANT NOTE: It is often important, if you defer the flush,
330                         that the actual flush occurs on the same CPU
331                         as did the cpu stores into the page to make it
332                         dirty.  Again, see sparc64 for examples of how
333                         to deal with this.
334
335   void flush_icache_range(unsigned long start, unsigned long end)
336         When the kernel stores into addresses that it will execute
337         out of (eg when loading modules), this function is called.
338
339         If the icache does not snoop stores then this routine will need
340         to flush it.
341
342   void flush_icache_user_range(struct vm_area_struct *vma,
343                         struct page *page, unsigned long addr, int len)
344         This is called when the kernel stores into addresses that are
345         part of the address space of a user process (which may be some
346         other process than the current process).  The addr argument
347         gives the virtual address in that process's address space,
348         page is the page which is being modified, and len indicates
349         how many bytes have been modified.  The modified region must
350         not cross a page boundary.  Currently this is only called from
351         kernel/ptrace.c.
352
353   void flush_icache_page(struct vm_area_struct *vma, struct page *page)
354         This is called when a page-cache page is about to be mapped
355         into a user process' address space.  It offers an opportunity
356         for a port to ensure d-cache/i-cache coherency if necessary.