Documentation/arm64/sve.rst

   1 ===================================================
   2 Scalable Vector Extension support for AArch64 Linux
   3 ===================================================
   4
   5 Author: Dave Martin <Dave.Martin@arm.com>
   6
   7 Date:   4 August 2017
   8
   9 This document outlines briefly the interface provided to userspace by Linux in
  10 order to support use of the ARM Scalable Vector Extension (SVE), including
  11 interactions with Streaming SVE mode added by the Scalable Matrix Extension
  12 (SME).
  13
  14 This is an outline of the most important features and issues only and not
  15 intended to be exhaustive.
  16
  17 This document does not aim to describe the SVE architecture or programmer's
  18 model.  To aid understanding, a minimal description of relevant programmer's
  19 model features for SVE is included in Appendix A.
  20
  21
  22 1.  General
  23 -----------
  24
  25 * SVE registers Z0..Z31, P0..P15 and FFR and the current vector length VL, are
  26   tracked per-thread.
  27
  28 * In streaming mode FFR is not accessible unless HWCAP2_SME_FA64 is present
  29   in the system, when it is not supported and these interfaces are used to
  30   access streaming mode FFR is read and written as zero.
  31
  32 * The presence of SVE is reported to userspace via HWCAP_SVE in the aux vector
  33   AT_HWCAP entry.  Presence of this flag implies the presence of the SVE
  34   instructions and registers, and the Linux-specific system interfaces
  35   described in this document.  SVE is reported in /proc/cpuinfo as "sve".
  36
  37 * Support for the execution of SVE instructions in userspace can also be
  38   detected by reading the CPU ID register ID_AA64PFR0_EL1 using an MRS
  39   instruction, and checking that the value of the SVE field is nonzero. [3]
  40
  41   It does not guarantee the presence of the system interfaces described in the
  42   following sections: software that needs to verify that those interfaces are
  43   present must check for HWCAP_SVE instead.
  44
  45 * On hardware that supports the SVE2 extensions, HWCAP2_SVE2 will also
  46   be reported in the AT_HWCAP2 aux vector entry.  In addition to this,
  47   optional extensions to SVE2 may be reported by the presence of:
  48
  49         HWCAP2_SVE2
  50         HWCAP2_SVEAES
  51         HWCAP2_SVEPMULL
  52         HWCAP2_SVEBITPERM
  53         HWCAP2_SVESHA3
  54         HWCAP2_SVESM4
  55
  56   This list may be extended over time as the SVE architecture evolves.
  57
  58   These extensions are also reported via the CPU ID register ID_AA64ZFR0_EL1,
  59   which userspace can read using an MRS instruction.  See elf_hwcaps.txt and
  60   cpu-feature-registers.txt for details.
  61
  62 * On hardware that supports the SME extensions, HWCAP2_SME will also be
  63   reported in the AT_HWCAP2 aux vector entry.  Among other things SME adds
  64   streaming mode which provides a subset of the SVE feature set using a
  65   separate SME vector length and the same Z/V registers.  See sme.rst
  66   for more details.
  67
  68 * Debuggers should restrict themselves to interacting with the target via the
  69   NT_ARM_SVE regset.  The recommended way of detecting support for this regset
  70   is to connect to a target process first and then attempt a
  71   ptrace(PTRACE_GETREGSET, pid, NT_ARM_SVE, &iov).  Note that when SME is
  72   present and streaming SVE mode is in use the FPSIMD subset of registers
  73   will be read via NT_ARM_SVE and NT_ARM_SVE writes will exit streaming mode
  74   in the target.
  75
  76 * Whenever SVE scalable register values (Zn, Pn, FFR) are exchanged in memory
  77   between userspace and the kernel, the register value is encoded in memory in
  78   an endianness-invariant layout, with bits [(8 * i + 7) : (8 * i)] encoded at
  79   byte offset i from the start of the memory representation.  This affects for
  80   example the signal frame (struct sve_context) and ptrace interface
  81   (struct user_sve_header) and associated data.
  82
  83   Beware that on big-endian systems this results in a different byte order than
  84   for the FPSIMD V-registers, which are stored as single host-endian 128-bit
  85   values, with bits [(127 - 8 * i) : (120 - 8 * i)] of the register encoded at
  86   byte offset i.  (struct fpsimd_context, struct user_fpsimd_state).
  87
  88
  89 2.  Vector length terminology
  90 -----------------------------
  91
  92 The size of an SVE vector (Z) register is referred to as the "vector length".
  93
  94 To avoid confusion about the units used to express vector length, the kernel
  95 adopts the following conventions:
  96
  97 * Vector length (VL) = size of a Z-register in bytes
  98
  99 * Vector quadwords (VQ) = size of a Z-register in units of 128 bits
 100
 101 (So, VL = 16 * VQ.)
 102
 103 The VQ convention is used where the underlying granularity is important, such
 104 as in data structure definitions.  In most other situations, the VL convention
 105 is used.  This is consistent with the meaning of the "VL" pseudo-register in
 106 the SVE instruction set architecture.
 107
 108
 109 3.  System call behaviour
 110 -------------------------
 111
 112 * On syscall, V0..V31 are preserved (as without SVE).  Thus, bits [127:0] of
 113   Z0..Z31 are preserved.  All other bits of Z0..Z31, and all of P0..P15 and FFR
 114   become zero on return from a syscall.
 115
 116 * The SVE registers are not used to pass arguments to or receive results from
 117   any syscall.
 118
 119 * In practice the affected registers/bits will be preserved or will be replaced
 120   with zeros on return from a syscall, but userspace should not make
 121   assumptions about this.  The kernel behaviour may vary on a case-by-case
 122   basis.
 123
 124 * All other SVE state of a thread, including the currently configured vector
 125   length, the state of the PR_SVE_VL_INHERIT flag, and the deferred vector
 126   length (if any), is preserved across all syscalls, subject to the specific
 127   exceptions for execve() described in section 6.
 128
 129   In particular, on return from a fork() or clone(), the parent and new child
 130   process or thread share identical SVE configuration, matching that of the
 131   parent before the call.
 132
 133
 134 4.  Signal handling
 135 -------------------
 136
 137 * A new signal frame record sve_context encodes the SVE registers on signal
 138   delivery. [1]
 139
 140 * This record is supplementary to fpsimd_context.  The FPSR and FPCR registers
 141   are only present in fpsimd_context.  For convenience, the content of V0..V31
 142   is duplicated between sve_context and fpsimd_context.
 143
 144 * The record contains a flag field which includes a flag SVE_SIG_FLAG_SM which
 145   if set indicates that the thread is in streaming mode and the vector length
 146   and register data (if present) describe the streaming SVE data and vector
 147   length.
 148
 149 * The signal frame record for SVE always contains basic metadata, in particular
 150   the thread's vector length (in sve_context.vl).
 151
 152 * The SVE registers may or may not be included in the record, depending on
 153   whether the registers are live for the thread.  The registers are present if
 154   and only if:
 155   sve_context.head.size >= SVE_SIG_CONTEXT_SIZE(sve_vq_from_vl(sve_context.vl)).
 156
 157 * If the registers are present, the remainder of the record has a vl-dependent
 158   size and layout.  Macros SVE_SIG_* are defined [1] to facilitate access to
 159   the members.
 160
 161 * Each scalable register (Zn, Pn, FFR) is stored in an endianness-invariant
 162   layout, with bits [(8 * i + 7) : (8 * i)] stored at byte offset i from the
 163   start of the register's representation in memory.
 164
 165 * If the SVE context is too big to fit in sigcontext.__reserved[], then extra
 166   space is allocated on the stack, an extra_context record is written in
 167   __reserved[] referencing this space.  sve_context is then written in the
 168   extra space.  Refer to [1] for further details about this mechanism.
 169
 170
 171 5.  Signal return
 172 -----------------
 173
 174 When returning from a signal handler:
 175
 176 * If there is no sve_context record in the signal frame, or if the record is
 177   present but contains no register data as desribed in the previous section,
 178   then the SVE registers/bits become non-live and take unspecified values.
 179
 180 * If sve_context is present in the signal frame and contains full register
 181   data, the SVE registers become live and are populated with the specified
 182   data.  However, for backward compatibility reasons, bits [127:0] of Z0..Z31
 183   are always restored from the corresponding members of fpsimd_context.vregs[]
 184   and not from sve_context.  The remaining bits are restored from sve_context.
 185
 186 * Inclusion of fpsimd_context in the signal frame remains mandatory,
 187   irrespective of whether sve_context is present or not.
 188
 189 * The vector length cannot be changed via signal return.  If sve_context.vl in
 190   the signal frame does not match the current vector length, the signal return
 191   attempt is treated as illegal, resulting in a forced SIGSEGV.
 192
 193 * It is permitted to enter or leave streaming mode by setting or clearing
 194   the SVE_SIG_FLAG_SM flag but applications should take care to ensure that
 195   when doing so sve_context.vl and any register data are appropriate for the
 196   vector length in the new mode.
 197
 198
 199 6.  prctl extensions
 200 --------------------
 201
 202 Some new prctl() calls are added to allow programs to manage the SVE vector
 203 length:
 204
 205 prctl(PR_SVE_SET_VL, unsigned long arg)
 206
 207     Sets the vector length of the calling thread and related flags, where
 208     arg == vl | flags.  Other threads of the calling process are unaffected.
 209
 210     vl is the desired vector length, where sve_vl_valid(vl) must be true.
 211
 212     flags:
 213
 214         PR_SVE_VL_INHERIT
 215
 216             Inherit the current vector length across execve().  Otherwise, the
 217             vector length is reset to the system default at execve().  (See
 218             Section 9.)
 219
 220         PR_SVE_SET_VL_ONEXEC
 221
 222             Defer the requested vector length change until the next execve()
 223             performed by this thread.
 224
 225             The effect is equivalent to implicit exceution of the following
 226             call immediately after the next execve() (if any) by the thread:
 227
 228                 prctl(PR_SVE_SET_VL, arg & ~PR_SVE_SET_VL_ONEXEC)
 229
 230             This allows launching of a new program with a different vector
 231             length, while avoiding runtime side effects in the caller.
 232
 233
 234             Without PR_SVE_SET_VL_ONEXEC, the requested change takes effect
 235             immediately.
 236
 237
 238     Return value: a nonnegative on success, or a negative value on error:
 239         EINVAL: SVE not supported, invalid vector length requested, or
 240             invalid flags.
 241
 242
 243     On success:
 244
 245     * Either the calling thread's vector length or the deferred vector length
 246       to be applied at the next execve() by the thread (dependent on whether
 247       PR_SVE_SET_VL_ONEXEC is present in arg), is set to the largest value
 248       supported by the system that is less than or equal to vl.  If vl ==
 249       SVE_VL_MAX, the value set will be the largest value supported by the
 250       system.
 251
 252     * Any previously outstanding deferred vector length change in the calling
 253       thread is cancelled.
 254
 255     * The returned value describes the resulting configuration, encoded as for
 256       PR_SVE_GET_VL.  The vector length reported in this value is the new
 257       current vector length for this thread if PR_SVE_SET_VL_ONEXEC was not
 258       present in arg; otherwise, the reported vector length is the deferred
 259       vector length that will be applied at the next execve() by the calling
 260       thread.
 261
 262     * Changing the vector length causes all of P0..P15, FFR and all bits of
 263       Z0..Z31 except for Z0 bits [127:0] .. Z31 bits [127:0] to become
 264       unspecified.  Calling PR_SVE_SET_VL with vl equal to the thread's current
 265       vector length, or calling PR_SVE_SET_VL with the PR_SVE_SET_VL_ONEXEC
 266       flag, does not constitute a change to the vector length for this purpose.
 267
 268
 269 prctl(PR_SVE_GET_VL)
 270
 271     Gets the vector length of the calling thread.
 272
 273     The following flag may be OR-ed into the result:
 274
 275         PR_SVE_VL_INHERIT
 276
 277             Vector length will be inherited across execve().
 278
 279     There is no way to determine whether there is an outstanding deferred
 280     vector length change (which would only normally be the case between a
 281     fork() or vfork() and the corresponding execve() in typical use).
 282
 283     To extract the vector length from the result, bitwise and it with
 284     PR_SVE_VL_LEN_MASK.
 285
 286     Return value: a nonnegative value on success, or a negative value on error:
 287         EINVAL: SVE not supported.
 288
 289
 290 7.  ptrace extensions
 291 ---------------------
 292
 293 * New regsets NT_ARM_SVE and NT_ARM_SSVE are defined for use with
 294   PTRACE_GETREGSET and PTRACE_SETREGSET. NT_ARM_SSVE describes the
 295   streaming mode SVE registers and NT_ARM_SVE describes the
 296   non-streaming mode SVE registers.
 297
 298   In this description a register set is referred to as being "live" when
 299   the target is in the appropriate streaming or non-streaming mode and is
 300   using data beyond the subset shared with the FPSIMD Vn registers.
 301
 302   Refer to [2] for definitions.
 303
 304 The regset data starts with struct user_sve_header, containing:
 305
 306     size
 307
 308         Size of the complete regset, in bytes.
 309         This depends on vl and possibly on other things in the future.
 310
 311         If a call to PTRACE_GETREGSET requests less data than the value of
 312         size, the caller can allocate a larger buffer and retry in order to
 313         read the complete regset.
 314
 315     max_size
 316
 317         Maximum size in bytes that the regset can grow to for the target
 318         thread.  The regset won't grow bigger than this even if the target
 319         thread changes its vector length etc.
 320
 321     vl
 322
 323         Target thread's current vector length, in bytes.
 324
 325     max_vl
 326
 327         Maximum possible vector length for the target thread.
 328
 329     flags
 330
 331         at most one of
 332
 333             SVE_PT_REGS_FPSIMD
 334
 335                 SVE registers are not live (GETREGSET) or are to be made
 336                 non-live (SETREGSET).
 337
 338                 The payload is of type struct user_fpsimd_state, with the same
 339                 meaning as for NT_PRFPREG, starting at offset
 340                 SVE_PT_FPSIMD_OFFSET from the start of user_sve_header.
 341
 342                 Extra data might be appended in the future: the size of the
 343                 payload should be obtained using SVE_PT_FPSIMD_SIZE(vq, flags).
 344
 345                 vq should be obtained using sve_vq_from_vl(vl).
 346
 347                 or
 348
 349             SVE_PT_REGS_SVE
 350
 351                 SVE registers are live (GETREGSET) or are to be made live
 352                 (SETREGSET).
 353
 354                 The payload contains the SVE register data, starting at offset
 355                 SVE_PT_SVE_OFFSET from the start of user_sve_header, and with
 356                 size SVE_PT_SVE_SIZE(vq, flags);
 357
 358         ... OR-ed with zero or more of the following flags, which have the same
 359         meaning and behaviour as the corresponding PR_SET_VL_* flags:
 360
 361             SVE_PT_VL_INHERIT
 362
 363             SVE_PT_VL_ONEXEC (SETREGSET only).
 364
 365         If neither FPSIMD nor SVE flags are provided then no register
 366         payload is available, this is only possible when SME is implemented.
 367
 368
 369 * The effects of changing the vector length and/or flags are equivalent to
 370   those documented for PR_SVE_SET_VL.
 371
 372   The caller must make a further GETREGSET call if it needs to know what VL is
 373   actually set by SETREGSET, unless is it known in advance that the requested
 374   VL is supported.
 375
 376 * In the SVE_PT_REGS_SVE case, the size and layout of the payload depends on
 377   the header fields.  The SVE_PT_SVE_*() macros are provided to facilitate
 378   access to the members.
 379
 380 * In either case, for SETREGSET it is permissible to omit the payload, in which
 381   case only the vector length and flags are changed (along with any
 382   consequences of those changes).
 383
 384 * In systems supporting SME when in streaming mode a GETREGSET for
 385   NT_REG_SVE will return only the user_sve_header with no register data,
 386   similarly a GETREGSET for NT_REG_SSVE will not return any register data
 387   when not in streaming mode.
 388
 389 * A GETREGSET for NT_ARM_SSVE will never return SVE_PT_REGS_FPSIMD.
 390
 391 * For SETREGSET, if an SVE_PT_REGS_SVE payload is present and the
 392   requested VL is not supported, the effect will be the same as if the
 393   payload were omitted, except that an EIO error is reported.  No
 394   attempt is made to translate the payload data to the correct layout
 395   for the vector length actually set.  The thread's FPSIMD state is
 396   preserved, but the remaining bits of the SVE registers become
 397   unspecified.  It is up to the caller to translate the payload layout
 398   for the actual VL and retry.
 399
 400 * Where SME is implemented it is not possible to GETREGSET the register
 401   state for normal SVE when in streaming mode, nor the streaming mode
 402   register state when in normal mode, regardless of the implementation defined
 403   behaviour of the hardware for sharing data between the two modes.
 404
 405 * Any SETREGSET of NT_ARM_SVE will exit streaming mode if the target was in
 406   streaming mode and any SETREGSET of NT_ARM_SSVE will enter streaming mode
 407   if the target was not in streaming mode.
 408
 409 * The effect of writing a partial, incomplete payload is unspecified.
 410
 411
 412 8.  ELF coredump extensions
 413 ---------------------------
 414
 415 * NT_ARM_SVE and NT_ARM_SSVE notes will be added to each coredump for
 416   each thread of the dumped process.  The contents will be equivalent to the
 417   data that would have been read if a PTRACE_GETREGSET of the corresponding
 418   type were executed for each thread when the coredump was generated.
 419
 420 9.  System runtime configuration
 421 --------------------------------
 422
 423 * To mitigate the ABI impact of expansion of the signal frame, a policy
 424   mechanism is provided for administrators, distro maintainers and developers
 425   to set the default vector length for userspace processes:
 426
 427 /proc/sys/abi/sve_default_vector_length
 428
 429     Writing the text representation of an integer to this file sets the system
 430     default vector length to the specified value, unless the value is greater
 431     than the maximum vector length supported by the system in which case the
 432     default vector length is set to that maximum.
 433
 434     The result can be determined by reopening the file and reading its
 435     contents.
 436
 437     At boot, the default vector length is initially set to 64 or the maximum
 438     supported vector length, whichever is smaller.  This determines the initial
 439     vector length of the init process (PID 1).
 440
 441     Reading this file returns the current system default vector length.
 442
 443 * At every execve() call, the new vector length of the new process is set to
 444   the system default vector length, unless
 445
 446     * PR_SVE_VL_INHERIT (or equivalently SVE_PT_VL_INHERIT) is set for the
 447       calling thread, or
 448
 449     * a deferred vector length change is pending, established via the
 450       PR_SVE_SET_VL_ONEXEC flag (or SVE_PT_VL_ONEXEC).
 451
 452 * Modifying the system default vector length does not affect the vector length
 453   of any existing process or thread that does not make an execve() call.
 454
 455 10.  Perf extensions
 456 --------------------------------
 457
 458 * The arm64 specific DWARF standard [5] added the VG (Vector Granule) register
 459   at index 46. This register is used for DWARF unwinding when variable length
 460   SVE registers are pushed onto the stack.
 461
 462 * Its value is equivalent to the current SVE vector length (VL) in bits divided
 463   by 64.
 464
 465 * The value is included in Perf samples in the regs[46] field if
 466   PERF_SAMPLE_REGS_USER is set and the sample_regs_user mask has bit 46 set.
 467
 468 * The value is the current value at the time the sample was taken, and it can
 469   change over time.
 470
 471 * If the system doesn't support SVE when perf_event_open is called with these
 472   settings, the event will fail to open.
 473
 474 Appendix A.  SVE programmer's model (informative)
 475 =================================================
 476
 477 This section provides a minimal description of the additions made by SVE to the
 478 ARMv8-A programmer's model that are relevant to this document.
 479
 480 Note: This section is for information only and not intended to be complete or
 481 to replace any architectural specification.
 482
 483 A.1.  Registers
 484 ---------------
 485
 486 In A64 state, SVE adds the following:
 487
 488 * 32 8VL-bit vector registers Z0..Z31
 489   For each Zn, Zn bits [127:0] alias the ARMv8-A vector register Vn.
 490
 491   A register write using a Vn register name zeros all bits of the corresponding
 492   Zn except for bits [127:0].
 493
 494 * 16 VL-bit predicate registers P0..P15
 495
 496 * 1 VL-bit special-purpose predicate register FFR (the "first-fault register")
 497
 498 * a VL "pseudo-register" that determines the size of each vector register
 499
 500   The SVE instruction set architecture provides no way to write VL directly.
 501   Instead, it can be modified only by EL1 and above, by writing appropriate
 502   system registers.
 503
 504 * The value of VL can be configured at runtime by EL1 and above:
 505   16 <= VL <= VLmax, where VL must be a multiple of 16.
 506
 507 * The maximum vector length is determined by the hardware:
 508   16 <= VLmax <= 256.
 509
 510   (The SVE architecture specifies 256, but permits future architecture
 511   revisions to raise this limit.)
 512
 513 * FPSR and FPCR are retained from ARMv8-A, and interact with SVE floating-point
 514   operations in a similar way to the way in which they interact with ARMv8
 515   floating-point operations::
 516
 517          8VL-1                       128               0  bit index
 518         +----          ////            -----------------+
 519      Z0 |                               :       V0      |
 520       :                                          :
 521      Z7 |                               :       V7      |
 522      Z8 |                               :     * V8      |
 523       :                                       :  :
 524     Z15 |                               :     *V15      |
 525     Z16 |                               :      V16      |
 526       :                                          :
 527     Z31 |                               :      V31      |
 528         +----          ////            -----------------+
 529                                                  31    0
 530          VL-1                  0                +-------+
 531         +----       ////      --+          FPSR |       |
 532      P0 |                       |               +-------+
 533       : |                       |         *FPCR |       |
 534     P15 |                       |               +-------+
 535         +----       ////      --+
 536     FFR |                       |               +-----+
 537         +----       ////      --+            VL |     |
 538                                                 +-----+
 539
 540 (*) callee-save:
 541     This only applies to bits [63:0] of Z-/V-registers.
 542     FPCR contains callee-save and caller-save bits.  See [4] for details.
 543
 544
 545 A.2.  Procedure call standard
 546 -----------------------------
 547
 548 The ARMv8-A base procedure call standard is extended as follows with respect to
 549 the additional SVE register state:
 550
 551 * All SVE register bits that are not shared with FP/SIMD are caller-save.
 552
 553 * Z8 bits [63:0] .. Z15 bits [63:0] are callee-save.
 554
 555   This follows from the way these bits are mapped to V8..V15, which are caller-
 556   save in the base procedure call standard.
 557
 558
 559 Appendix B.  ARMv8-A FP/SIMD programmer's model
 560 ===============================================
 561
 562 Note: This section is for information only and not intended to be complete or
 563 to replace any architectural specification.
 564
 565 Refer to [4] for more information.
 566
 567 ARMv8-A defines the following floating-point / SIMD register state:
 568
 569 * 32 128-bit vector registers V0..V31
 570 * 2 32-bit status/control registers FPSR, FPCR
 571
 572 ::
 573
 574          127           0  bit index
 575         +---------------+
 576      V0 |               |
 577       : :               :
 578      V7 |               |
 579    * V8 |               |
 580    :  : :               :
 581    *V15 |               |
 582     V16 |               |
 583       : :               :
 584     V31 |               |
 585         +---------------+
 586
 587                  31    0
 588                 +-------+
 589            FPSR |       |
 590                 +-------+
 591           *FPCR |       |
 592                 +-------+
 593
 594 (*) callee-save:
 595     This only applies to bits [63:0] of V-registers.
 596     FPCR contains a mixture of callee-save and caller-save bits.
 597
 598
 599 References
 600 ==========
 601
 602 [1] arch/arm64/include/uapi/asm/sigcontext.h
 603     AArch64 Linux signal ABI definitions
 604
 605 [2] arch/arm64/include/uapi/asm/ptrace.h
 606     AArch64 Linux ptrace ABI definitions
 607
 608 [3] Documentation/arm64/cpu-feature-registers.rst
 609
 610 [4] ARM IHI0055C
 611     http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0055c/IHI0055C_beta_aapcs64.pdf
 612     http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.subset.swdev.abi/index.html
 613     Procedure Call Standard for the ARM 64-bit Architecture (AArch64)
 614
 615 [5] https://github.com/ARM-software/abi-aa/blob/main/aadwarf64/aadwarf64.rst