Documentation/vm/highmem.txt

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   3                              HIGH MEMORY HANDLING
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   6 By: Peter Zijlstra <a.p.zijlstra@chello.nl>
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   8 Contents:
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  10  (*) What is high memory?
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  12  (*) Temporary virtual mappings.
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  14  (*) Using kmap_atomic.
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  16  (*) Cost of temporary mappings.
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  18  (*) i386 PAE.
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  22 WHAT IS HIGH MEMORY?
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  25 High memory (highmem) is used when the size of physical memory approaches or
  26 exceeds the maximum size of virtual memory.  At that point it becomes
  27 impossible for the kernel to keep all of the available physical memory mapped
  28 at all times.  This means the kernel needs to start using temporary mappings of
  29 the pieces of physical memory that it wants to access.
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  31 The part of (physical) memory not covered by a permanent mapping is what we
  32 refer to as 'highmem'.  There are various architecture dependent constraints on
  33 where exactly that border lies.
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  35 In the i386 arch, for example, we choose to map the kernel into every process's
  36 VM space so that we don't have to pay the full TLB invalidation costs for
  37 kernel entry/exit.  This means the available virtual memory space (4GiB on
  38 i386) has to be divided between user and kernel space.
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  40 The traditional split for architectures using this approach is 3:1, 3GiB for
  41 userspace and the top 1GiB for kernel space:
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  43                 +--------+ 0xffffffff
  44                 | Kernel |
  45                 +--------+ 0xc0000000
  46                 |        |
  47                 | User   |
  48                 |        |
  49                 +--------+ 0x00000000
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  51 This means that the kernel can at most map 1GiB of physical memory at any one
  52 time, but because we need virtual address space for other things - including
  53 temporary maps to access the rest of the physical memory - the actual direct
  54 map will typically be less (usually around ~896MiB).
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  56 Other architectures that have mm context tagged TLBs can have separate kernel
  57 and user maps.  Some hardware (like some ARMs), however, have limited virtual
  58 space when they use mm context tags.
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  62 TEMPORARY VIRTUAL MAPPINGS
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  65 The kernel contains several ways of creating temporary mappings:
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  67  (*) vmap().  This can be used to make a long duration mapping of multiple
  68      physical pages into a contiguous virtual space.  It needs global
  69      synchronization to unmap.
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  71  (*) kmap().  This permits a short duration mapping of a single page.  It needs
  72      global synchronization, but is amortized somewhat.  It is also prone to
  73      deadlocks when using in a nested fashion, and so it is not recommended for
  74      new code.
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  76  (*) kmap_atomic().  This permits a very short duration mapping of a single
  77      page.  Since the mapping is restricted to the CPU that issued it, it
  78      performs well, but the issuing task is therefore required to stay on that
  79      CPU until it has finished, lest some other task displace its mappings.
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  81      kmap_atomic() may also be used by interrupt contexts, since it is does not
  82      sleep and the caller may not sleep until after kunmap_atomic() is called.
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  84      It may be assumed that k[un]map_atomic() won't fail.
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  88 USING KMAP_ATOMIC
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  91 When and where to use kmap_atomic() is straightforward.  It is used when code
  92 wants to access the contents of a page that might be allocated from high memory
  93 (see __GFP_HIGHMEM), for example a page in the pagecache.  The API has two
  94 functions, and they can be used in a manner similar to the following:
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  96         /* Find the page of interest. */
  97         struct page *page = find_get_page(mapping, offset);
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  99         /* Gain access to the contents of that page. */
 100         void *vaddr = kmap_atomic(page);
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 102         /* Do something to the contents of that page. */
 103         memset(vaddr, 0, PAGE_SIZE);
 104
 105         /* Unmap that page. */
 106         kunmap_atomic(vaddr);
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 108 Note that the kunmap_atomic() call takes the result of the kmap_atomic() call
 109 not the argument.
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 111 If you need to map two pages because you want to copy from one page to
 112 another you need to keep the kmap_atomic calls strictly nested, like:
 113
 114         vaddr1 = kmap_atomic(page1);
 115         vaddr2 = kmap_atomic(page2);
 116
 117         memcpy(vaddr1, vaddr2, PAGE_SIZE);
 118
 119         kunmap_atomic(vaddr2);
 120         kunmap_atomic(vaddr1);
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 124 COST OF TEMPORARY MAPPINGS
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 127 The cost of creating temporary mappings can be quite high.  The arch has to
 128 manipulate the kernel's page tables, the data TLB and/or the MMU's registers.
 129
 130 If CONFIG_HIGHMEM is not set, then the kernel will try and create a mapping
 131 simply with a bit of arithmetic that will convert the page struct address into
 132 a pointer to the page contents rather than juggling mappings about.  In such a
 133 case, the unmap operation may be a null operation.
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 135 If CONFIG_MMU is not set, then there can be no temporary mappings and no
 136 highmem.  In such a case, the arithmetic approach will also be used.
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 140 i386 PAE
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 143 The i386 arch, under some circumstances, will permit you to stick up to 64GiB
 144 of RAM into your 32-bit machine.  This has a number of consequences:
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 146  (*) Linux needs a page-frame structure for each page in the system and the
 147      pageframes need to live in the permanent mapping, which means:
 148
 149  (*) you can have 896M/sizeof(struct page) page-frames at most; with struct
 150      page being 32-bytes that would end up being something in the order of 112G
 151      worth of pages; the kernel, however, needs to store more than just
 152      page-frames in that memory...
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 154  (*) PAE makes your page tables larger - which slows the system down as more
 155      data has to be accessed to traverse in TLB fills and the like.  One
 156      advantage is that PAE has more PTE bits and can provide advanced features
 157      like NX and PAT.
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 159 The general recommendation is that you don't use more than 8GiB on a 32-bit
 160 machine - although more might work for you and your workload, you're pretty
 161 much on your own - don't expect kernel developers to really care much if things
 162 come apart.