Documentation/trace/ftrace-design.txt

   1                 function tracer guts
   2                 ====================
   3                 By Mike Frysinger
   4
   5 Introduction
   6 ------------
   7
   8 Here we will cover the architecture pieces that the common function tracing
   9 code relies on for proper functioning.  Things are broken down into increasing
  10 complexity so that you can start simple and at least get basic functionality.
  11
  12 Note that this focuses on architecture implementation details only.  If you
  13 want more explanation of a feature in terms of common code, review the common
  14 ftrace.txt file.
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  17 Prerequisites
  18 -------------
  19
  20 Ftrace relies on these features being implemented:
  21  STACKTRACE_SUPPORT - implement save_stack_trace()
  22  TRACE_IRQFLAGS_SUPPORT - implement include/asm/irqflags.h
  23
  24
  25 HAVE_FUNCTION_TRACER
  26 --------------------
  27
  28 You will need to implement the mcount and the ftrace_stub functions.
  29
  30 The exact mcount symbol name will depend on your toolchain.  Some call it
  31 "mcount", "_mcount", or even "__mcount".  You can probably figure it out by
  32 running something like:
  33         $ echo 'main(){}' | gcc -x c -S -o - - -pg | grep mcount
  34                 call    mcount
  35 We'll make the assumption below that the symbol is "mcount" just to keep things
  36 nice and simple in the examples.
  37
  38 Keep in mind that the ABI that is in effect inside of the mcount function is
  39 *highly* architecture/toolchain specific.  We cannot help you in this regard,
  40 sorry.  Dig up some old documentation and/or find someone more familiar than
  41 you to bang ideas off of.  Typically, register usage (argument/scratch/etc...)
  42 is a major issue at this point, especially in relation to the location of the
  43 mcount call (before/after function prologue).  You might also want to look at
  44 how glibc has implemented the mcount function for your architecture.  It might
  45 be (semi-)relevant.
  46
  47 The mcount function should check the function pointer ftrace_trace_function
  48 to see if it is set to ftrace_stub.  If it is, there is nothing for you to do,
  49 so return immediately.  If it isn't, then call that function in the same way
  50 the mcount function normally calls __mcount_internal -- the first argument is
  51 the "frompc" while the second argument is the "selfpc" (adjusted to remove the
  52 size of the mcount call that is embedded in the function).
  53
  54 For example, if the function foo() calls bar(), when the bar() function calls
  55 mcount(), the arguments mcount() will pass to the tracer are:
  56         "frompc" - the address bar() will use to return to foo()
  57         "selfpc" - the address bar() (with mcount() size adjustment)
  58
  59 Also keep in mind that this mcount function will be called *a lot*, so
  60 optimizing for the default case of no tracer will help the smooth running of
  61 your system when tracing is disabled.  So the start of the mcount function is
  62 typically the bare minimum with checking things before returning.  That also
  63 means the code flow should usually be kept linear (i.e. no branching in the nop
  64 case).  This is of course an optimization and not a hard requirement.
  65
  66 Here is some pseudo code that should help (these functions should actually be
  67 implemented in assembly):
  68
  69 void ftrace_stub(void)
  70 {
  71         return;
  72 }
  73
  74 void mcount(void)
  75 {
  76         /* save any bare state needed in order to do initial checking */
  77
  78         extern void (*ftrace_trace_function)(unsigned long, unsigned long);
  79         if (ftrace_trace_function != ftrace_stub)
  80                 goto do_trace;
  81
  82         /* restore any bare state */
  83
  84         return;
  85
  86 do_trace:
  87
  88         /* save all state needed by the ABI (see paragraph above) */
  89
  90         unsigned long frompc = ...;
  91         unsigned long selfpc = <return address> - MCOUNT_INSN_SIZE;
  92         ftrace_trace_function(frompc, selfpc);
  93
  94         /* restore all state needed by the ABI */
  95 }
  96
  97 Don't forget to export mcount for modules !
  98 extern void mcount(void);
  99 EXPORT_SYMBOL(mcount);
 100
 101
 102 HAVE_FUNCTION_TRACE_MCOUNT_TEST
 103 -------------------------------
 104
 105 This is an optional optimization for the normal case when tracing is turned off
 106 in the system.  If you do not enable this Kconfig option, the common ftrace
 107 code will take care of doing the checking for you.
 108
 109 To support this feature, you only need to check the function_trace_stop
 110 variable in the mcount function.  If it is non-zero, there is no tracing to be
 111 done at all, so you can return.
 112
 113 This additional pseudo code would simply be:
 114 void mcount(void)
 115 {
 116         /* save any bare state needed in order to do initial checking */
 117
 118 +       if (function_trace_stop)
 119 +               return;
 120
 121         extern void (*ftrace_trace_function)(unsigned long, unsigned long);
 122         if (ftrace_trace_function != ftrace_stub)
 123 ...
 124
 125
 126 HAVE_FUNCTION_GRAPH_TRACER
 127 --------------------------
 128
 129 Deep breath ... time to do some real work.  Here you will need to update the
 130 mcount function to check ftrace graph function pointers, as well as implement
 131 some functions to save (hijack) and restore the return address.
 132
 133 The mcount function should check the function pointers ftrace_graph_return
 134 (compare to ftrace_stub) and ftrace_graph_entry (compare to
 135 ftrace_graph_entry_stub).  If either of those is not set to the relevant stub
 136 function, call the arch-specific function ftrace_graph_caller which in turn
 137 calls the arch-specific function prepare_ftrace_return.  Neither of these
 138 function names is strictly required, but you should use them anyway to stay
 139 consistent across the architecture ports -- easier to compare & contrast
 140 things.
 141
 142 The arguments to prepare_ftrace_return are slightly different than what are
 143 passed to ftrace_trace_function.  The second argument "selfpc" is the same,
 144 but the first argument should be a pointer to the "frompc".  Typically this is
 145 located on the stack.  This allows the function to hijack the return address
 146 temporarily to have it point to the arch-specific function return_to_handler.
 147 That function will simply call the common ftrace_return_to_handler function and
 148 that will return the original return address with which you can return to the
 149 original call site.
 150
 151 Here is the updated mcount pseudo code:
 152 void mcount(void)
 153 {
 154 ...
 155         if (ftrace_trace_function != ftrace_stub)
 156                 goto do_trace;
 157
 158 +#ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
 159 +       extern void (*ftrace_graph_return)(...);
 160 +       extern void (*ftrace_graph_entry)(...);
 161 +       if (ftrace_graph_return != ftrace_stub ||
 162 +           ftrace_graph_entry != ftrace_graph_entry_stub)
 163 +               ftrace_graph_caller();
 164 +#endif
 165
 166         /* restore any bare state */
 167 ...
 168
 169 Here is the pseudo code for the new ftrace_graph_caller assembly function:
 170 #ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
 171 void ftrace_graph_caller(void)
 172 {
 173         /* save all state needed by the ABI */
 174
 175         unsigned long *frompc = &...;
 176         unsigned long selfpc = <return address> - MCOUNT_INSN_SIZE;
 177         /* passing frame pointer up is optional -- see below */
 178         prepare_ftrace_return(frompc, selfpc, frame_pointer);
 179
 180         /* restore all state needed by the ABI */
 181 }
 182 #endif
 183
 184 For information on how to implement prepare_ftrace_return(), simply look at the
 185 x86 version (the frame pointer passing is optional; see the next section for
 186 more information).  The only architecture-specific piece in it is the setup of
 187 the fault recovery table (the asm(...) code).  The rest should be the same
 188 across architectures.
 189
 190 Here is the pseudo code for the new return_to_handler assembly function.  Note
 191 that the ABI that applies here is different from what applies to the mcount
 192 code.  Since you are returning from a function (after the epilogue), you might
 193 be able to skimp on things saved/restored (usually just registers used to pass
 194 return values).
 195
 196 #ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
 197 void return_to_handler(void)
 198 {
 199         /* save all state needed by the ABI (see paragraph above) */
 200
 201         void (*original_return_point)(void) = ftrace_return_to_handler();
 202
 203         /* restore all state needed by the ABI */
 204
 205         /* this is usually either a return or a jump */
 206         original_return_point();
 207 }
 208 #endif
 209
 210
 211 HAVE_FUNCTION_GRAPH_FP_TEST
 212 ---------------------------
 213
 214 An arch may pass in a unique value (frame pointer) to both the entering and
 215 exiting of a function.  On exit, the value is compared and if it does not
 216 match, then it will panic the kernel.  This is largely a sanity check for bad
 217 code generation with gcc.  If gcc for your port sanely updates the frame
 218 pointer under different opitmization levels, then ignore this option.
 219
 220 However, adding support for it isn't terribly difficult.  In your assembly code
 221 that calls prepare_ftrace_return(), pass the frame pointer as the 3rd argument.
 222 Then in the C version of that function, do what the x86 port does and pass it
 223 along to ftrace_push_return_trace() instead of a stub value of 0.
 224
 225 Similarly, when you call ftrace_return_to_handler(), pass it the frame pointer.
 226
 227
 228 HAVE_FTRACE_NMI_ENTER
 229 ---------------------
 230
 231 If you can't trace NMI functions, then skip this option.
 232
 233 <details to be filled>
 234
 235
 236 HAVE_SYSCALL_TRACEPOINTS
 237 ---------------------
 238
 239 You need very few things to get the syscalls tracing in an arch.
 240
 241 - Have a NR_syscalls variable in <asm/unistd.h> that provides the number
 242   of syscalls supported by the arch.
 243 - Implement arch_syscall_addr() that resolves a syscall address from a
 244   syscall number.
 245 - Support the TIF_SYSCALL_TRACEPOINT thread flags
 246 - Put the trace_sys_enter() and trace_sys_exit() tracepoints calls from ptrace
 247   in the ptrace syscalls tracing path.
 248 - Tag this arch as HAVE_SYSCALL_TRACEPOINTS.
 249
 250
 251 HAVE_FTRACE_MCOUNT_RECORD
 252 -------------------------
 253
 254 See scripts/recordmcount.pl for more info.
 255
 256 <details to be filled>
 257
 258
 259 HAVE_DYNAMIC_FTRACE
 260 ---------------------
 261
 262 <details to be filled>