treewide: remove redundant IS_ERR() before error code check
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / gpu / drm-mm.rst
blobc77b326012606413493c76efd52d7622eebba296
1 =====================
2 DRM Memory Management
3 =====================
5 Modern Linux systems require large amount of graphics memory to store
6 frame buffers, textures, vertices and other graphics-related data. Given
7 the very dynamic nature of many of that data, managing graphics memory
8 efficiently is thus crucial for the graphics stack and plays a central
9 role in the DRM infrastructure.
11 The DRM core includes two memory managers, namely Translation Table Maps
12 (TTM) and Graphics Execution Manager (GEM). TTM was the first DRM memory
13 manager to be developed and tried to be a one-size-fits-them all
14 solution. It provides a single userspace API to accommodate the need of
15 all hardware, supporting both Unified Memory Architecture (UMA) devices
16 and devices with dedicated video RAM (i.e. most discrete video cards).
17 This resulted in a large, complex piece of code that turned out to be
18 hard to use for driver development.
20 GEM started as an Intel-sponsored project in reaction to TTM's
21 complexity. Its design philosophy is completely different: instead of
22 providing a solution to every graphics memory-related problems, GEM
23 identified common code between drivers and created a support library to
24 share it. GEM has simpler initialization and execution requirements than
25 TTM, but has no video RAM management capabilities and is thus limited to
26 UMA devices.
28 The Translation Table Manager (TTM)
29 ===================================
31 TTM design background and information belongs here.
33 TTM initialization
34 ------------------
36     **Warning**
37     This section is outdated.
39 Drivers wishing to support TTM must pass a filled :c:type:`ttm_bo_driver
40 <ttm_bo_driver>` structure to ttm_bo_device_init, together with an
41 initialized global reference to the memory manager.  The ttm_bo_driver
42 structure contains several fields with function pointers for
43 initializing the TTM, allocating and freeing memory, waiting for command
44 completion and fence synchronization, and memory migration.
46 The :c:type:`struct drm_global_reference <drm_global_reference>` is made
47 up of several fields:
49 .. code-block:: c
51               struct drm_global_reference {
52                       enum ttm_global_types global_type;
53                       size_t size;
54                       void *object;
55                       int (*init) (struct drm_global_reference *);
56                       void (*release) (struct drm_global_reference *);
57               };
60 There should be one global reference structure for your memory manager
61 as a whole, and there will be others for each object created by the
62 memory manager at runtime. Your global TTM should have a type of
63 TTM_GLOBAL_TTM_MEM. The size field for the global object should be
64 sizeof(struct ttm_mem_global), and the init and release hooks should
65 point at your driver-specific init and release routines, which probably
66 eventually call ttm_mem_global_init and ttm_mem_global_release,
67 respectively.
69 Once your global TTM accounting structure is set up and initialized by
70 calling ttm_global_item_ref() on it, you need to create a buffer
71 object TTM to provide a pool for buffer object allocation by clients and
72 the kernel itself. The type of this object should be
73 TTM_GLOBAL_TTM_BO, and its size should be sizeof(struct
74 ttm_bo_global). Again, driver-specific init and release functions may
75 be provided, likely eventually calling ttm_bo_global_ref_init() and
76 ttm_bo_global_ref_release(), respectively. Also, like the previous
77 object, ttm_global_item_ref() is used to create an initial reference
78 count for the TTM, which will call your initialization function.
80 See the radeon_ttm.c file for an example of usage.
82 The Graphics Execution Manager (GEM)
83 ====================================
85 The GEM design approach has resulted in a memory manager that doesn't
86 provide full coverage of all (or even all common) use cases in its
87 userspace or kernel API. GEM exposes a set of standard memory-related
88 operations to userspace and a set of helper functions to drivers, and
89 let drivers implement hardware-specific operations with their own
90 private API.
92 The GEM userspace API is described in the `GEM - the Graphics Execution
93 Manager <http://lwn.net/Articles/283798/>`__ article on LWN. While
94 slightly outdated, the document provides a good overview of the GEM API
95 principles. Buffer allocation and read and write operations, described
96 as part of the common GEM API, are currently implemented using
97 driver-specific ioctls.
99 GEM is data-agnostic. It manages abstract buffer objects without knowing
100 what individual buffers contain. APIs that require knowledge of buffer
101 contents or purpose, such as buffer allocation or synchronization
102 primitives, are thus outside of the scope of GEM and must be implemented
103 using driver-specific ioctls.
105 On a fundamental level, GEM involves several operations:
107 -  Memory allocation and freeing
108 -  Command execution
109 -  Aperture management at command execution time
111 Buffer object allocation is relatively straightforward and largely
112 provided by Linux's shmem layer, which provides memory to back each
113 object.
115 Device-specific operations, such as command execution, pinning, buffer
116 read & write, mapping, and domain ownership transfers are left to
117 driver-specific ioctls.
119 GEM Initialization
120 ------------------
122 Drivers that use GEM must set the DRIVER_GEM bit in the struct
123 :c:type:`struct drm_driver <drm_driver>` driver_features
124 field. The DRM core will then automatically initialize the GEM core
125 before calling the load operation. Behind the scene, this will create a
126 DRM Memory Manager object which provides an address space pool for
127 object allocation.
129 In a KMS configuration, drivers need to allocate and initialize a
130 command ring buffer following core GEM initialization if required by the
131 hardware. UMA devices usually have what is called a "stolen" memory
132 region, which provides space for the initial framebuffer and large,
133 contiguous memory regions required by the device. This space is
134 typically not managed by GEM, and must be initialized separately into
135 its own DRM MM object.
137 GEM Objects Creation
138 --------------------
140 GEM splits creation of GEM objects and allocation of the memory that
141 backs them in two distinct operations.
143 GEM objects are represented by an instance of struct :c:type:`struct
144 drm_gem_object <drm_gem_object>`. Drivers usually need to
145 extend GEM objects with private information and thus create a
146 driver-specific GEM object structure type that embeds an instance of
147 struct :c:type:`struct drm_gem_object <drm_gem_object>`.
149 To create a GEM object, a driver allocates memory for an instance of its
150 specific GEM object type and initializes the embedded struct
151 :c:type:`struct drm_gem_object <drm_gem_object>` with a call
152 to drm_gem_object_init(). The function takes a pointer
153 to the DRM device, a pointer to the GEM object and the buffer object
154 size in bytes.
156 GEM uses shmem to allocate anonymous pageable memory.
157 drm_gem_object_init() will create an shmfs file of the
158 requested size and store it into the struct :c:type:`struct
159 drm_gem_object <drm_gem_object>` filp field. The memory is
160 used as either main storage for the object when the graphics hardware
161 uses system memory directly or as a backing store otherwise.
163 Drivers are responsible for the actual physical pages allocation by
164 calling shmem_read_mapping_page_gfp() for each page.
165 Note that they can decide to allocate pages when initializing the GEM
166 object, or to delay allocation until the memory is needed (for instance
167 when a page fault occurs as a result of a userspace memory access or
168 when the driver needs to start a DMA transfer involving the memory).
170 Anonymous pageable memory allocation is not always desired, for instance
171 when the hardware requires physically contiguous system memory as is
172 often the case in embedded devices. Drivers can create GEM objects with
173 no shmfs backing (called private GEM objects) by initializing them with a call
174 to drm_gem_private_object_init() instead of drm_gem_object_init(). Storage for
175 private GEM objects must be managed by drivers.
177 GEM Objects Lifetime
178 --------------------
180 All GEM objects are reference-counted by the GEM core. References can be
181 acquired and release by calling drm_gem_object_get() and drm_gem_object_put()
182 respectively. The caller must hold the :c:type:`struct drm_device <drm_device>`
183 struct_mutex lock when calling drm_gem_object_get(). As a convenience, GEM
184 provides drm_gem_object_put_unlocked() functions that can be called without
185 holding the lock.
187 When the last reference to a GEM object is released the GEM core calls
188 the :c:type:`struct drm_driver <drm_driver>` gem_free_object_unlocked
189 operation. That operation is mandatory for GEM-enabled drivers and must
190 free the GEM object and all associated resources.
192 void (\*gem_free_object) (struct drm_gem_object \*obj); Drivers are
193 responsible for freeing all GEM object resources. This includes the
194 resources created by the GEM core, which need to be released with
195 drm_gem_object_release().
197 GEM Objects Naming
198 ------------------
200 Communication between userspace and the kernel refers to GEM objects
201 using local handles, global names or, more recently, file descriptors.
202 All of those are 32-bit integer values; the usual Linux kernel limits
203 apply to the file descriptors.
205 GEM handles are local to a DRM file. Applications get a handle to a GEM
206 object through a driver-specific ioctl, and can use that handle to refer
207 to the GEM object in other standard or driver-specific ioctls. Closing a
208 DRM file handle frees all its GEM handles and dereferences the
209 associated GEM objects.
211 To create a handle for a GEM object drivers call drm_gem_handle_create(). The
212 function takes a pointer to the DRM file and the GEM object and returns a
213 locally unique handle.  When the handle is no longer needed drivers delete it
214 with a call to drm_gem_handle_delete(). Finally the GEM object associated with a
215 handle can be retrieved by a call to drm_gem_object_lookup().
217 Handles don't take ownership of GEM objects, they only take a reference
218 to the object that will be dropped when the handle is destroyed. To
219 avoid leaking GEM objects, drivers must make sure they drop the
220 reference(s) they own (such as the initial reference taken at object
221 creation time) as appropriate, without any special consideration for the
222 handle. For example, in the particular case of combined GEM object and
223 handle creation in the implementation of the dumb_create operation,
224 drivers must drop the initial reference to the GEM object before
225 returning the handle.
227 GEM names are similar in purpose to handles but are not local to DRM
228 files. They can be passed between processes to reference a GEM object
229 globally. Names can't be used directly to refer to objects in the DRM
230 API, applications must convert handles to names and names to handles
231 using the DRM_IOCTL_GEM_FLINK and DRM_IOCTL_GEM_OPEN ioctls
232 respectively. The conversion is handled by the DRM core without any
233 driver-specific support.
235 GEM also supports buffer sharing with dma-buf file descriptors through
236 PRIME. GEM-based drivers must use the provided helpers functions to
237 implement the exporting and importing correctly. See ?. Since sharing
238 file descriptors is inherently more secure than the easily guessable and
239 global GEM names it is the preferred buffer sharing mechanism. Sharing
240 buffers through GEM names is only supported for legacy userspace.
241 Furthermore PRIME also allows cross-device buffer sharing since it is
242 based on dma-bufs.
244 GEM Objects Mapping
245 -------------------
247 Because mapping operations are fairly heavyweight GEM favours
248 read/write-like access to buffers, implemented through driver-specific
249 ioctls, over mapping buffers to userspace. However, when random access
250 to the buffer is needed (to perform software rendering for instance),
251 direct access to the object can be more efficient.
253 The mmap system call can't be used directly to map GEM objects, as they
254 don't have their own file handle. Two alternative methods currently
255 co-exist to map GEM objects to userspace. The first method uses a
256 driver-specific ioctl to perform the mapping operation, calling
257 do_mmap() under the hood. This is often considered
258 dubious, seems to be discouraged for new GEM-enabled drivers, and will
259 thus not be described here.
261 The second method uses the mmap system call on the DRM file handle. void
262 \*mmap(void \*addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t
263 offset); DRM identifies the GEM object to be mapped by a fake offset
264 passed through the mmap offset argument. Prior to being mapped, a GEM
265 object must thus be associated with a fake offset. To do so, drivers
266 must call drm_gem_create_mmap_offset() on the object.
268 Once allocated, the fake offset value must be passed to the application
269 in a driver-specific way and can then be used as the mmap offset
270 argument.
272 The GEM core provides a helper method drm_gem_mmap() to
273 handle object mapping. The method can be set directly as the mmap file
274 operation handler. It will look up the GEM object based on the offset
275 value and set the VMA operations to the :c:type:`struct drm_driver
276 <drm_driver>` gem_vm_ops field. Note that drm_gem_mmap() doesn't map memory to
277 userspace, but relies on the driver-provided fault handler to map pages
278 individually.
280 To use drm_gem_mmap(), drivers must fill the struct :c:type:`struct drm_driver
281 <drm_driver>` gem_vm_ops field with a pointer to VM operations.
283 The VM operations is a :c:type:`struct vm_operations_struct <vm_operations_struct>`
284 made up of several fields, the more interesting ones being:
286 .. code-block:: c
288         struct vm_operations_struct {
289                 void (*open)(struct vm_area_struct * area);
290                 void (*close)(struct vm_area_struct * area);
291                 vm_fault_t (*fault)(struct vm_fault *vmf);
292         };
295 The open and close operations must update the GEM object reference
296 count. Drivers can use the drm_gem_vm_open() and drm_gem_vm_close() helper
297 functions directly as open and close handlers.
299 The fault operation handler is responsible for mapping individual pages
300 to userspace when a page fault occurs. Depending on the memory
301 allocation scheme, drivers can allocate pages at fault time, or can
302 decide to allocate memory for the GEM object at the time the object is
303 created.
305 Drivers that want to map the GEM object upfront instead of handling page
306 faults can implement their own mmap file operation handler.
308 For platforms without MMU the GEM core provides a helper method
309 drm_gem_cma_get_unmapped_area(). The mmap() routines will call this to get a
310 proposed address for the mapping.
312 To use drm_gem_cma_get_unmapped_area(), drivers must fill the struct
313 :c:type:`struct file_operations <file_operations>` get_unmapped_area field with
314 a pointer on drm_gem_cma_get_unmapped_area().
316 More detailed information about get_unmapped_area can be found in
317 Documentation/nommu-mmap.txt
319 Memory Coherency
320 ----------------
322 When mapped to the device or used in a command buffer, backing pages for
323 an object are flushed to memory and marked write combined so as to be
324 coherent with the GPU. Likewise, if the CPU accesses an object after the
325 GPU has finished rendering to the object, then the object must be made
326 coherent with the CPU's view of memory, usually involving GPU cache
327 flushing of various kinds. This core CPU<->GPU coherency management is
328 provided by a device-specific ioctl, which evaluates an object's current
329 domain and performs any necessary flushing or synchronization to put the
330 object into the desired coherency domain (note that the object may be
331 busy, i.e. an active render target; in that case, setting the domain
332 blocks the client and waits for rendering to complete before performing
333 any necessary flushing operations).
335 Command Execution
336 -----------------
338 Perhaps the most important GEM function for GPU devices is providing a
339 command execution interface to clients. Client programs construct
340 command buffers containing references to previously allocated memory
341 objects, and then submit them to GEM. At that point, GEM takes care to
342 bind all the objects into the GTT, execute the buffer, and provide
343 necessary synchronization between clients accessing the same buffers.
344 This often involves evicting some objects from the GTT and re-binding
345 others (a fairly expensive operation), and providing relocation support
346 which hides fixed GTT offsets from clients. Clients must take care not
347 to submit command buffers that reference more objects than can fit in
348 the GTT; otherwise, GEM will reject them and no rendering will occur.
349 Similarly, if several objects in the buffer require fence registers to
350 be allocated for correct rendering (e.g. 2D blits on pre-965 chips),
351 care must be taken not to require more fence registers than are
352 available to the client. Such resource management should be abstracted
353 from the client in libdrm.
355 GEM Function Reference
356 ----------------------
358 .. kernel-doc:: include/drm/drm_gem.h
359    :internal:
361 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem.c
362    :export:
364 GEM CMA Helper Functions Reference
365 ----------------------------------
367 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_cma_helper.c
368    :doc: cma helpers
370 .. kernel-doc:: include/drm/drm_gem_cma_helper.h
371    :internal:
373 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_cma_helper.c
374    :export:
376 VRAM Helper Function Reference
377 ==============================
379 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_vram_helper_common.c
380    :doc: overview
382 .. kernel-doc:: include/drm/drm_gem_vram_helper.h
383    :internal:
385 GEM VRAM Helper Functions Reference
386 -----------------------------------
388 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_vram_helper.c
389    :doc: overview
391 .. kernel-doc:: include/drm/drm_gem_vram_helper.h
392    :internal:
394 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_vram_helper.c
395    :export:
397 GEM TTM Helper Functions Reference
398 -----------------------------------
400 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_ttm_helper.c
401    :doc: overview
403 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_ttm_helper.c
404    :export:
406 VMA Offset Manager
407 ==================
409 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_vma_manager.c
410    :doc: vma offset manager
412 .. kernel-doc:: include/drm/drm_vma_manager.h
413    :internal:
415 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_vma_manager.c
416    :export:
418 .. _prime_buffer_sharing:
420 PRIME Buffer Sharing
421 ====================
423 PRIME is the cross device buffer sharing framework in drm, originally
424 created for the OPTIMUS range of multi-gpu platforms. To userspace PRIME
425 buffers are dma-buf based file descriptors.
427 Overview and Lifetime Rules
428 ---------------------------
430 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_prime.c
431    :doc: overview and lifetime rules
433 PRIME Helper Functions
434 ----------------------
436 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_prime.c
437    :doc: PRIME Helpers
439 PRIME Function References
440 -------------------------
442 .. kernel-doc:: include/drm/drm_prime.h
443    :internal:
445 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_prime.c
446    :export:
448 DRM MM Range Allocator
449 ======================
451 Overview
452 --------
454 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_mm.c
455    :doc: Overview
457 LRU Scan/Eviction Support
458 -------------------------
460 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_mm.c
461    :doc: lru scan roster
463 DRM MM Range Allocator Function References
464 ------------------------------------------
466 .. kernel-doc:: include/drm/drm_mm.h
467    :internal:
469 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_mm.c
470    :export:
472 DRM Cache Handling
473 ==================
475 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_cache.c
476    :export:
478 DRM Sync Objects
479 ===========================
481 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_syncobj.c
482    :doc: Overview
484 .. kernel-doc:: include/drm/drm_syncobj.h
485    :internal:
487 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_syncobj.c
488    :export:
490 GPU Scheduler
491 =============
493 Overview
494 --------
496 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/scheduler/sched_main.c
497    :doc: Overview
499 Scheduler Function References
500 -----------------------------
502 .. kernel-doc:: include/drm/gpu_scheduler.h
503    :internal:
505 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/scheduler/sched_main.c
506    :export: