Allow display of negative offsets in print_address_symbolic()
[external/binutils.git] / gdb / dcache.c
1 /* Caching code for GDB, the GNU debugger.
2
3    Copyright (C) 1992-2019 Free Software Foundation, Inc.
4
5    This file is part of GDB.
6
7    This program is free software; you can redistribute it and/or modify
8    it under the terms of the GNU General Public License as published by
9    the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or
10    (at your option) any later version.
11
12    This program is distributed in the hope that it will be useful,
13    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
14    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
15    GNU General Public License for more details.
16
17    You should have received a copy of the GNU General Public License
18    along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.  */
19
20 #include "defs.h"
21 #include "dcache.h"
22 #include "gdbcmd.h"
23 #include "gdbcore.h"
24 #include "target-dcache.h"
25 #include "inferior.h"
26 #include "splay-tree.h"
27 #include "gdbarch.h"
28
29 /* Commands with a prefix of `{set,show} dcache'.  */
30 static struct cmd_list_element *dcache_set_list = NULL;
31 static struct cmd_list_element *dcache_show_list = NULL;
32
33 /* The data cache could lead to incorrect results because it doesn't
34    know about volatile variables, thus making it impossible to debug
35    functions which use memory mapped I/O devices.  Set the nocache
36    memory region attribute in those cases.
37
38    In general the dcache speeds up performance.  Some speed improvement
39    comes from the actual caching mechanism, but the major gain is in
40    the reduction of the remote protocol overhead; instead of reading
41    or writing a large area of memory in 4 byte requests, the cache
42    bundles up the requests into LINE_SIZE chunks, reducing overhead
43    significantly.  This is most useful when accessing a large amount
44    of data, such as when performing a backtrace.
45
46    The cache is a splay tree along with a linked list for replacement.
47    Each block caches a LINE_SIZE area of memory.  Within each line we
48    remember the address of the line (which must be a multiple of
49    LINE_SIZE) and the actual data block.
50
51    Lines are only allocated as needed, so DCACHE_SIZE really specifies the
52    *maximum* number of lines in the cache.
53
54    At present, the cache is write-through rather than writeback: as soon
55    as data is written to the cache, it is also immediately written to
56    the target.  Therefore, cache lines are never "dirty".  Whether a given
57    line is valid or not depends on where it is stored in the dcache_struct;
58    there is no per-block valid flag.  */
59
60 /* NOTE: Interaction of dcache and memory region attributes
61
62    As there is no requirement that memory region attributes be aligned
63    to or be a multiple of the dcache page size, dcache_read_line() and
64    dcache_write_line() must break up the page by memory region.  If a
65    chunk does not have the cache attribute set, an invalid memory type
66    is set, etc., then the chunk is skipped.  Those chunks are handled
67    in target_xfer_memory() (or target_xfer_memory_partial()).
68
69    This doesn't occur very often.  The most common occurance is when
70    the last bit of the .text segment and the first bit of the .data
71    segment fall within the same dcache page with a ro/cacheable memory
72    region defined for the .text segment and a rw/non-cacheable memory
73    region defined for the .data segment.  */
74
75 /* The maximum number of lines stored.  The total size of the cache is
76    equal to DCACHE_SIZE times LINE_SIZE.  */
77 #define DCACHE_DEFAULT_SIZE 4096
78 static unsigned dcache_size = DCACHE_DEFAULT_SIZE;
79
80 /* The default size of a cache line.  Smaller values reduce the time taken to
81    read a single byte and make the cache more granular, but increase
82    overhead and reduce the effectiveness of the cache as a prefetcher.  */
83 #define DCACHE_DEFAULT_LINE_SIZE 64
84 static unsigned dcache_line_size = DCACHE_DEFAULT_LINE_SIZE;
85
86 /* Each cache block holds LINE_SIZE bytes of data
87    starting at a multiple-of-LINE_SIZE address.  */
88
89 #define LINE_SIZE_MASK(dcache)  ((dcache->line_size - 1))
90 #define XFORM(dcache, x)        ((x) & LINE_SIZE_MASK (dcache))
91 #define MASK(dcache, x)         ((x) & ~LINE_SIZE_MASK (dcache))
92
93 struct dcache_block
94 {
95   /* For least-recently-allocated and free lists.  */
96   struct dcache_block *prev;
97   struct dcache_block *next;
98
99   CORE_ADDR addr;               /* address of data */
100   int refs;                     /* # hits */
101   gdb_byte data[1];             /* line_size bytes at given address */
102 };
103
104 struct dcache_struct
105 {
106   splay_tree tree;
107   struct dcache_block *oldest; /* least-recently-allocated list.  */
108
109   /* The free list is maintained identically to OLDEST to simplify
110      the code: we only need one set of accessors.  */
111   struct dcache_block *freelist;
112
113   /* The number of in-use lines in the cache.  */
114   int size;
115   CORE_ADDR line_size;  /* current line_size.  */
116
117   /* The ptid of last inferior to use cache or null_ptid.  */
118   ptid_t ptid;
119 };
120
121 typedef void (block_func) (struct dcache_block *block, void *param);
122
123 static struct dcache_block *dcache_hit (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr);
124
125 static int dcache_read_line (DCACHE *dcache, struct dcache_block *db);
126
127 static struct dcache_block *dcache_alloc (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr);
128
129 static int dcache_enabled_p = 0; /* OBSOLETE */
130
131 static void
132 show_dcache_enabled_p (struct ui_file *file, int from_tty,
133                        struct cmd_list_element *c, const char *value)
134 {
135   fprintf_filtered (file, _("Deprecated remotecache flag is %s.\n"), value);
136 }
137
138 /* Add BLOCK to circular block list BLIST, behind the block at *BLIST.
139    *BLIST is not updated (unless it was previously NULL of course).
140    This is for the least-recently-allocated list's sake:
141    BLIST points to the oldest block.
142    ??? This makes for poor cache usage of the free list,
143    but is it measurable?  */
144
145 static void
146 append_block (struct dcache_block **blist, struct dcache_block *block)
147 {
148   if (*blist)
149     {
150       block->next = *blist;
151       block->prev = (*blist)->prev;
152       block->prev->next = block;
153       (*blist)->prev = block;
154       /* We don't update *BLIST here to maintain the invariant that for the
155          least-recently-allocated list *BLIST points to the oldest block.  */
156     }
157   else
158     {
159       block->next = block;
160       block->prev = block;
161       *blist = block;
162     }
163 }
164
165 /* Remove BLOCK from circular block list BLIST.  */
166
167 static void
168 remove_block (struct dcache_block **blist, struct dcache_block *block)
169 {
170   if (block->next == block)
171     {
172       *blist = NULL;
173     }
174   else
175     {
176       block->next->prev = block->prev;
177       block->prev->next = block->next;
178       /* If we removed the block *BLIST points to, shift it to the next block
179          to maintain the invariant that for the least-recently-allocated list
180          *BLIST points to the oldest block.  */
181       if (*blist == block)
182         *blist = block->next;
183     }
184 }
185
186 /* Iterate over all elements in BLIST, calling FUNC.
187    PARAM is passed to FUNC.
188    FUNC may remove the block it's passed, but only that block.  */
189
190 static void
191 for_each_block (struct dcache_block **blist, block_func *func, void *param)
192 {
193   struct dcache_block *db;
194
195   if (*blist == NULL)
196     return;
197
198   db = *blist;
199   do
200     {
201       struct dcache_block *next = db->next;
202
203       func (db, param);
204       db = next;
205     }
206   while (*blist && db != *blist);
207 }
208
209 /* BLOCK_FUNC routine for dcache_free.  */
210
211 static void
212 free_block (struct dcache_block *block, void *param)
213 {
214   xfree (block);
215 }
216
217 /* Free a data cache.  */
218
219 void
220 dcache_free (DCACHE *dcache)
221 {
222   splay_tree_delete (dcache->tree);
223   for_each_block (&dcache->oldest, free_block, NULL);
224   for_each_block (&dcache->freelist, free_block, NULL);
225   xfree (dcache);
226 }
227
228
229 /* BLOCK_FUNC function for dcache_invalidate.
230    This doesn't remove the block from the oldest list on purpose.
231    dcache_invalidate will do it later.  */
232
233 static void
234 invalidate_block (struct dcache_block *block, void *param)
235 {
236   DCACHE *dcache = (DCACHE *) param;
237
238   splay_tree_remove (dcache->tree, (splay_tree_key) block->addr);
239   append_block (&dcache->freelist, block);
240 }
241
242 /* Free all the data cache blocks, thus discarding all cached data.  */
243
244 void
245 dcache_invalidate (DCACHE *dcache)
246 {
247   for_each_block (&dcache->oldest, invalidate_block, dcache);
248
249   dcache->oldest = NULL;
250   dcache->size = 0;
251   dcache->ptid = null_ptid;
252
253   if (dcache->line_size != dcache_line_size)
254     {
255       /* We've been asked to use a different line size.
256          All of our freelist blocks are now the wrong size, so free them.  */
257
258       for_each_block (&dcache->freelist, free_block, dcache);
259       dcache->freelist = NULL;
260       dcache->line_size = dcache_line_size;
261     }
262 }
263
264 /* Invalidate the line associated with ADDR.  */
265
266 static void
267 dcache_invalidate_line (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
268 {
269   struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
270
271   if (db)
272     {
273       splay_tree_remove (dcache->tree, (splay_tree_key) db->addr);
274       remove_block (&dcache->oldest, db);
275       append_block (&dcache->freelist, db);
276       --dcache->size;
277     }
278 }
279
280 /* If addr is present in the dcache, return the address of the block
281    containing it.  Otherwise return NULL.  */
282
283 static struct dcache_block *
284 dcache_hit (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
285 {
286   struct dcache_block *db;
287
288   splay_tree_node node = splay_tree_lookup (dcache->tree,
289                                             (splay_tree_key) MASK (dcache, addr));
290
291   if (!node)
292     return NULL;
293
294   db = (struct dcache_block *) node->value;
295   db->refs++;
296   return db;
297 }
298
299 /* Fill a cache line from target memory.
300    The result is 1 for success, 0 if the (entire) cache line
301    wasn't readable.  */
302
303 static int
304 dcache_read_line (DCACHE *dcache, struct dcache_block *db)
305 {
306   CORE_ADDR memaddr;
307   gdb_byte *myaddr;
308   int len;
309   int res;
310   int reg_len;
311   struct mem_region *region;
312
313   len = dcache->line_size;
314   memaddr = db->addr;
315   myaddr  = db->data;
316
317   while (len > 0)
318     {
319       /* Don't overrun if this block is right at the end of the region.  */
320       region = lookup_mem_region (memaddr);
321       if (region->hi == 0 || memaddr + len < region->hi)
322         reg_len = len;
323       else
324         reg_len = region->hi - memaddr;
325
326       /* Skip non-readable regions.  The cache attribute can be ignored,
327          since we may be loading this for a stack access.  */
328       if (region->attrib.mode == MEM_WO)
329         {
330           memaddr += reg_len;
331           myaddr  += reg_len;
332           len     -= reg_len;
333           continue;
334         }
335
336       res = target_read_raw_memory (memaddr, myaddr, reg_len);
337       if (res != 0)
338         return 0;
339
340       memaddr += reg_len;
341       myaddr += reg_len;
342       len -= reg_len;
343     }
344
345   return 1;
346 }
347
348 /* Get a free cache block, put or keep it on the valid list,
349    and return its address.  */
350
351 static struct dcache_block *
352 dcache_alloc (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
353 {
354   struct dcache_block *db;
355
356   if (dcache->size >= dcache_size)
357     {
358       /* Evict the least recently allocated line.  */
359       db = dcache->oldest;
360       remove_block (&dcache->oldest, db);
361
362       splay_tree_remove (dcache->tree, (splay_tree_key) db->addr);
363     }
364   else
365     {
366       db = dcache->freelist;
367       if (db)
368         remove_block (&dcache->freelist, db);
369       else
370         db = ((struct dcache_block *)
371               xmalloc (offsetof (struct dcache_block, data)
372                        + dcache->line_size));
373
374       dcache->size++;
375     }
376
377   db->addr = MASK (dcache, addr);
378   db->refs = 0;
379
380   /* Put DB at the end of the list, it's the newest.  */
381   append_block (&dcache->oldest, db);
382
383   splay_tree_insert (dcache->tree, (splay_tree_key) db->addr,
384                      (splay_tree_value) db);
385
386   return db;
387 }
388
389 /* Using the data cache DCACHE, store in *PTR the contents of the byte at
390    address ADDR in the remote machine.  
391
392    Returns 1 for success, 0 for error.  */
393
394 static int
395 dcache_peek_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, gdb_byte *ptr)
396 {
397   struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
398
399   if (!db)
400     {
401       db = dcache_alloc (dcache, addr);
402
403       if (!dcache_read_line (dcache, db))
404          return 0;
405     }
406
407   *ptr = db->data[XFORM (dcache, addr)];
408   return 1;
409 }
410
411 /* Write the byte at PTR into ADDR in the data cache.
412
413    The caller should have written the data through to target memory
414    already.
415
416    If ADDR is not in cache, this function does nothing; writing to an
417    area of memory which wasn't present in the cache doesn't cause it
418    to be loaded in.  */
419
420 static void
421 dcache_poke_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, const gdb_byte *ptr)
422 {
423   struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
424
425   if (db)
426     db->data[XFORM (dcache, addr)] = *ptr;
427 }
428
429 static int
430 dcache_splay_tree_compare (splay_tree_key a, splay_tree_key b)
431 {
432   if (a > b)
433     return 1;
434   else if (a == b)
435     return 0;
436   else
437     return -1;
438 }
439
440 /* Allocate and initialize a data cache.  */
441
442 DCACHE *
443 dcache_init (void)
444 {
445   DCACHE *dcache = XNEW (DCACHE);
446
447   dcache->tree = splay_tree_new (dcache_splay_tree_compare,
448                                  NULL,
449                                  NULL);
450
451   dcache->oldest = NULL;
452   dcache->freelist = NULL;
453   dcache->size = 0;
454   dcache->line_size = dcache_line_size;
455   dcache->ptid = null_ptid;
456
457   return dcache;
458 }
459
460
461 /* Read LEN bytes from dcache memory at MEMADDR, transferring to
462    debugger address MYADDR.  If the data is presently cached, this
463    fills the cache.  Arguments/return are like the target_xfer_partial
464    interface.  */
465
466 enum target_xfer_status
467 dcache_read_memory_partial (struct target_ops *ops, DCACHE *dcache,
468                             CORE_ADDR memaddr, gdb_byte *myaddr,
469                             ULONGEST len, ULONGEST *xfered_len)
470 {
471   ULONGEST i;
472
473   /* If this is a different inferior from what we've recorded,
474      flush the cache.  */
475
476   if (inferior_ptid != dcache->ptid)
477     {
478       dcache_invalidate (dcache);
479       dcache->ptid = inferior_ptid;
480     }
481
482   for (i = 0; i < len; i++)
483     {
484       if (!dcache_peek_byte (dcache, memaddr + i, myaddr + i))
485         {
486           /* That failed.  Discard its cache line so we don't have a
487              partially read line.  */
488           dcache_invalidate_line (dcache, memaddr + i);
489           break;
490         }
491     }
492
493   if (i == 0)
494     {
495       /* Even though reading the whole line failed, we may be able to
496          read a piece starting where the caller wanted.  */
497       return raw_memory_xfer_partial (ops, myaddr, NULL, memaddr, len,
498                                       xfered_len);
499     }
500   else
501     {
502       *xfered_len = i;
503       return TARGET_XFER_OK;
504     }
505 }
506
507 /* FIXME: There would be some benefit to making the cache write-back and
508    moving the writeback operation to a higher layer, as it could occur
509    after a sequence of smaller writes have been completed (as when a stack
510    frame is constructed for an inferior function call).  Note that only
511    moving it up one level to target_xfer_memory[_partial]() is not
512    sufficient since we want to coalesce memory transfers that are
513    "logically" connected but not actually a single call to one of the
514    memory transfer functions.  */
515
516 /* Just update any cache lines which are already present.  This is
517    called by the target_xfer_partial machinery when writing raw
518    memory.  */
519
520 void
521 dcache_update (DCACHE *dcache, enum target_xfer_status status,
522                CORE_ADDR memaddr, const gdb_byte *myaddr,
523                ULONGEST len)
524 {
525   ULONGEST i;
526
527   for (i = 0; i < len; i++)
528     if (status == TARGET_XFER_OK)
529       dcache_poke_byte (dcache, memaddr + i, myaddr + i);
530     else
531       {
532         /* Discard the whole cache line so we don't have a partially
533            valid line.  */
534         dcache_invalidate_line (dcache, memaddr + i);
535       }
536 }
537
538 /* Print DCACHE line INDEX.  */
539
540 static void
541 dcache_print_line (DCACHE *dcache, int index)
542 {
543   splay_tree_node n;
544   struct dcache_block *db;
545   int i, j;
546
547   if (dcache == NULL)
548     {
549       printf_filtered (_("No data cache available.\n"));
550       return;
551     }
552
553   n = splay_tree_min (dcache->tree);
554
555   for (i = index; i > 0; --i)
556     {
557       if (!n)
558         break;
559       n = splay_tree_successor (dcache->tree, n->key);
560     }
561
562   if (!n)
563     {
564       printf_filtered (_("No such cache line exists.\n"));
565       return;
566     }
567     
568   db = (struct dcache_block *) n->value;
569
570   printf_filtered (_("Line %d: address %s [%d hits]\n"),
571                    index, paddress (target_gdbarch (), db->addr), db->refs);
572
573   for (j = 0; j < dcache->line_size; j++)
574     {
575       printf_filtered ("%02x ", db->data[j]);
576
577       /* Print a newline every 16 bytes (48 characters).  */
578       if ((j % 16 == 15) && (j != dcache->line_size - 1))
579         printf_filtered ("\n");
580     }
581   printf_filtered ("\n");
582 }
583
584 /* Parse EXP and show the info about DCACHE.  */
585
586 static void
587 dcache_info_1 (DCACHE *dcache, const char *exp)
588 {
589   splay_tree_node n;
590   int i, refcount;
591
592   if (exp)
593     {
594       char *linestart;
595
596       i = strtol (exp, &linestart, 10);
597       if (linestart == exp || i < 0)
598         {
599           printf_filtered (_("Usage: info dcache [LINENUMBER]\n"));
600           return;
601         }
602
603       dcache_print_line (dcache, i);
604       return;
605     }
606
607   printf_filtered (_("Dcache %u lines of %u bytes each.\n"),
608                    dcache_size,
609                    dcache ? (unsigned) dcache->line_size
610                    : dcache_line_size);
611
612   if (dcache == NULL || dcache->ptid == null_ptid)
613     {
614       printf_filtered (_("No data cache available.\n"));
615       return;
616     }
617
618   printf_filtered (_("Contains data for %s\n"),
619                    target_pid_to_str (dcache->ptid).c_str ());
620
621   refcount = 0;
622
623   n = splay_tree_min (dcache->tree);
624   i = 0;
625
626   while (n)
627     {
628       struct dcache_block *db = (struct dcache_block *) n->value;
629
630       printf_filtered (_("Line %d: address %s [%d hits]\n"),
631                        i, paddress (target_gdbarch (), db->addr), db->refs);
632       i++;
633       refcount += db->refs;
634
635       n = splay_tree_successor (dcache->tree, n->key);
636     }
637
638   printf_filtered (_("Cache state: %d active lines, %d hits\n"), i, refcount);
639 }
640
641 static void
642 info_dcache_command (const char *exp, int tty)
643 {
644   dcache_info_1 (target_dcache_get (), exp);
645 }
646
647 static void
648 set_dcache_size (const char *args, int from_tty,
649                  struct cmd_list_element *c)
650 {
651   if (dcache_size == 0)
652     {
653       dcache_size = DCACHE_DEFAULT_SIZE;
654       error (_("Dcache size must be greater than 0."));
655     }
656   target_dcache_invalidate ();
657 }
658
659 static void
660 set_dcache_line_size (const char *args, int from_tty,
661                       struct cmd_list_element *c)
662 {
663   if (dcache_line_size < 2
664       || (dcache_line_size & (dcache_line_size - 1)) != 0)
665     {
666       unsigned d = dcache_line_size;
667       dcache_line_size = DCACHE_DEFAULT_LINE_SIZE;
668       error (_("Invalid dcache line size: %u (must be power of 2)."), d);
669     }
670   target_dcache_invalidate ();
671 }
672
673 static void
674 set_dcache_command (const char *arg, int from_tty)
675 {
676   printf_unfiltered (
677      "\"set dcache\" must be followed by the name of a subcommand.\n");
678   help_list (dcache_set_list, "set dcache ", all_commands, gdb_stdout);
679 }
680
681 static void
682 show_dcache_command (const char *args, int from_tty)
683 {
684   cmd_show_list (dcache_show_list, from_tty, "");
685 }
686
687 void
688 _initialize_dcache (void)
689 {
690   add_setshow_boolean_cmd ("remotecache", class_support,
691                            &dcache_enabled_p, _("\
692 Set cache use for remote targets."), _("\
693 Show cache use for remote targets."), _("\
694 This used to enable the data cache for remote targets.  The cache\n\
695 functionality is now controlled by the memory region system and the\n\
696 \"stack-cache\" flag; \"remotecache\" now does nothing and\n\
697 exists only for compatibility reasons."),
698                            NULL,
699                            show_dcache_enabled_p,
700                            &setlist, &showlist);
701
702   add_info ("dcache", info_dcache_command,
703             _("\
704 Print information on the dcache performance.\n\
705 Usage: info dcache [LINENUMBER]\n\
706 With no arguments, this command prints the cache configuration and a\n\
707 summary of each line in the cache.  With an argument, dump\"\n\
708 the contents of the given line."));
709
710   add_prefix_cmd ("dcache", class_obscure, set_dcache_command, _("\
711 Use this command to set number of lines in dcache and line-size."),
712                   &dcache_set_list, "set dcache ", /*allow_unknown*/0, &setlist);
713   add_prefix_cmd ("dcache", class_obscure, show_dcache_command, _("\
714 Show dcachesettings."),
715                   &dcache_show_list, "show dcache ", /*allow_unknown*/0, &showlist);
716
717   add_setshow_zuinteger_cmd ("line-size", class_obscure,
718                              &dcache_line_size, _("\
719 Set dcache line size in bytes (must be power of 2)."), _("\
720 Show dcache line size."),
721                              NULL,
722                              set_dcache_line_size,
723                              NULL,
724                              &dcache_set_list, &dcache_show_list);
725   add_setshow_zuinteger_cmd ("size", class_obscure,
726                              &dcache_size, _("\
727 Set number of dcache lines."), _("\
728 Show number of dcache lines."),
729                              NULL,
730                              set_dcache_size,
731                              NULL,
732                              &dcache_set_list, &dcache_show_list);
733 }