Documentation/ia64/aliasing.txt

   1                  MEMORY ATTRIBUTE ALIASING ON IA-64
   2
   3                            Bjorn Helgaas
   4                        <bjorn.helgaas@hp.com>
   5                             May 4, 2006
   6
   7
   8 MEMORY ATTRIBUTES
   9
  10     Itanium supports several attributes for virtual memory references.
  11     The attribute is part of the virtual translation, i.e., it is
  12     contained in the TLB entry.  The ones of most interest to the Linux
  13     kernel are:
  14
  15         WB              Write-back (cacheable)
  16         UC              Uncacheable
  17         WC              Write-coalescing
  18
  19     System memory typically uses the WB attribute.  The UC attribute is
  20     used for memory-mapped I/O devices.  The WC attribute is uncacheable
  21     like UC is, but writes may be delayed and combined to increase
  22     performance for things like frame buffers.
  23
  24     The Itanium architecture requires that we avoid accessing the same
  25     page with both a cacheable mapping and an uncacheable mapping[1].
  26
  27     The design of the chipset determines which attributes are supported
  28     on which regions of the address space.  For example, some chipsets
  29     support either WB or UC access to main memory, while others support
  30     only WB access.
  31
  32 MEMORY MAP
  33
  34     Platform firmware describes the physical memory map and the
  35     supported attributes for each region.  At boot-time, the kernel uses
  36     the EFI GetMemoryMap() interface.  ACPI can also describe memory
  37     devices and the attributes they support, but Linux/ia64 currently
  38     doesn't use this information.
  39
  40     The kernel uses the efi_memmap table returned from GetMemoryMap() to
  41     learn the attributes supported by each region of physical address
  42     space.  Unfortunately, this table does not completely describe the
  43     address space because some machines omit some or all of the MMIO
  44     regions from the map.
  45
  46     The kernel maintains another table, kern_memmap, which describes the
  47     memory Linux is actually using and the attribute for each region.
  48     This contains only system memory; it does not contain MMIO space.
  49
  50     The kern_memmap table typically contains only a subset of the system
  51     memory described by the efi_memmap.  Linux/ia64 can't use all memory
  52     in the system because of constraints imposed by the identity mapping
  53     scheme.
  54
  55     The efi_memmap table is preserved unmodified because the original
  56     boot-time information is required for kexec.
  57
  58 KERNEL IDENTITY MAPPINGS
  59
  60     Linux/ia64 identity mappings are done with large pages, currently
  61     either 16MB or 64MB, referred to as "granules."  Cacheable mappings
  62     are speculative[2], so the processor can read any location in the
  63     page at any time, independent of the programmer's intentions.  This
  64     means that to avoid attribute aliasing, Linux can create a cacheable
  65     identity mapping only when the entire granule supports cacheable
  66     access.
  67
  68     Therefore, kern_memmap contains only full granule-sized regions that
  69     can referenced safely by an identity mapping.
  70
  71     Uncacheable mappings are not speculative, so the processor will
  72     generate UC accesses only to locations explicitly referenced by
  73     software.  This allows UC identity mappings to cover granules that
  74     are only partially populated, or populated with a combination of UC
  75     and WB regions.
  76
  77 USER MAPPINGS
  78
  79     User mappings are typically done with 16K or 64K pages.  The smaller
  80     page size allows more flexibility because only 16K or 64K has to be
  81     homogeneous with respect to memory attributes.
  82
  83 POTENTIAL ATTRIBUTE ALIASING CASES
  84
  85     There are several ways the kernel creates new mappings:
  86
  87     mmap of /dev/mem
  88
  89         This uses remap_pfn_range(), which creates user mappings.  These
  90         mappings may be either WB or UC.  If the region being mapped
  91         happens to be in kern_memmap, meaning that it may also be mapped
  92         by a kernel identity mapping, the user mapping must use the same
  93         attribute as the kernel mapping.
  94
  95         If the region is not in kern_memmap, the user mapping should use
  96         an attribute reported as being supported in the EFI memory map.
  97
  98         Since the EFI memory map does not describe MMIO on some
  99         machines, this should use an uncacheable mapping as a fallback.
 100
 101     mmap of /sys/class/pci_bus/.../legacy_mem
 102
 103         This is very similar to mmap of /dev/mem, except that legacy_mem
 104         only allows mmap of the one megabyte "legacy MMIO" area for a
 105         specific PCI bus.  Typically this is the first megabyte of
 106         physical address space, but it may be different on machines with
 107         several VGA devices.
 108
 109         "X" uses this to access VGA frame buffers.  Using legacy_mem
 110         rather than /dev/mem allows multiple instances of X to talk to
 111         different VGA cards.
 112
 113         The /dev/mem mmap constraints apply.
 114
 115     mmap of /proc/bus/pci/.../??.?
 116
 117         This is an MMIO mmap of PCI functions, which additionally may or
 118         may not be requested as using the WC attribute.
 119
 120         If WC is requested, and the region in kern_memmap is either WC
 121         or UC, and the EFI memory map designates the region as WC, then
 122         the WC mapping is allowed.
 123
 124         Otherwise, the user mapping must use the same attribute as the
 125         kernel mapping.
 126
 127     read/write of /dev/mem
 128
 129         This uses copy_from_user(), which implicitly uses a kernel
 130         identity mapping.  This is obviously safe for things in
 131         kern_memmap.
 132
 133         There may be corner cases of things that are not in kern_memmap,
 134         but could be accessed this way.  For example, registers in MMIO
 135         space are not in kern_memmap, but could be accessed with a UC
 136         mapping.  This would not cause attribute aliasing.  But
 137         registers typically can be accessed only with four-byte or
 138         eight-byte accesses, and the copy_from_user() path doesn't allow
 139         any control over the access size, so this would be dangerous.
 140
 141     ioremap()
 142
 143         This returns a mapping for use inside the kernel.
 144
 145         If the region is in kern_memmap, we should use the attribute
 146         specified there.
 147
 148         If the EFI memory map reports that the entire granule supports
 149         WB, we should use that (granules that are partially reserved
 150         or occupied by firmware do not appear in kern_memmap).
 151
 152         If the granule contains non-WB memory, but we can cover the
 153         region safely with kernel page table mappings, we can use
 154         ioremap_page_range() as most other architectures do.
 155
 156         Failing all of the above, we have to fall back to a UC mapping.
 157
 158 PAST PROBLEM CASES
 159
 160     mmap of various MMIO regions from /dev/mem by "X" on Intel platforms
 161
 162       The EFI memory map may not report these MMIO regions.
 163
 164       These must be allowed so that X will work.  This means that
 165       when the EFI memory map is incomplete, every /dev/mem mmap must
 166       succeed.  It may create either WB or UC user mappings, depending
 167       on whether the region is in kern_memmap or the EFI memory map.
 168
 169     mmap of 0x0-0x9FFFF /dev/mem by "hwinfo" on HP sx1000 with VGA enabled
 170
 171       The EFI memory map reports the following attributes:
 172         0x00000-0x9FFFF WB only
 173         0xA0000-0xBFFFF UC only (VGA frame buffer)
 174         0xC0000-0xFFFFF WB only
 175
 176       This mmap is done with user pages, not kernel identity mappings,
 177       so it is safe to use WB mappings.
 178
 179       The kernel VGA driver may ioremap the VGA frame buffer at 0xA0000,
 180       which uses a granule-sized UC mapping.  This granule will cover some
 181       WB-only memory, but since UC is non-speculative, the processor will
 182       never generate an uncacheable reference to the WB-only areas unless
 183       the driver explicitly touches them.
 184
 185     mmap of 0x0-0xFFFFF legacy_mem by "X"
 186
 187       If the EFI memory map reports that the entire range supports the
 188       same attributes, we can allow the mmap (and we will prefer WB if
 189       supported, as is the case with HP sx[12]000 machines with VGA
 190       disabled).
 191
 192       If EFI reports the range as partly WB and partly UC (as on sx[12]000
 193       machines with VGA enabled), we must fail the mmap because there's no
 194       safe attribute to use.
 195
 196       If EFI reports some of the range but not all (as on Intel firmware
 197       that doesn't report the VGA frame buffer at all), we should fail the
 198       mmap and force the user to map just the specific region of interest.
 199
 200     mmap of 0xA0000-0xBFFFF legacy_mem by "X" on HP sx1000 with VGA disabled
 201
 202       The EFI memory map reports the following attributes:
 203         0x00000-0xFFFFF WB only (no VGA MMIO hole)
 204
 205       This is a special case of the previous case, and the mmap should
 206       fail for the same reason as above.
 207
 208     read of /sys/devices/.../rom
 209
 210       For VGA devices, this may cause an ioremap() of 0xC0000.  This
 211       used to be done with a UC mapping, because the VGA frame buffer
 212       at 0xA0000 prevents use of a WB granule.  The UC mapping causes
 213       an MCA on HP sx[12]000 chipsets.
 214
 215       We should use WB page table mappings to avoid covering the VGA
 216       frame buffer.
 217
 218 NOTES
 219
 220     [1] SDM rev 2.2, vol 2, sec 4.4.1.
 221     [2] SDM rev 2.2, vol 2, sec 4.4.6.