dd6671149a6254e3a4ccbff7f295a02b8ac64598
[external/binutils.git] / gdb / dcache.c
1 /* Caching code for GDB, the GNU debugger.
2
3    Copyright (C) 1992-2013 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 <string.h>
24 #include "gdbcore.h"
25 #include "target.h"
26 #include "inferior.h"
27 #include "splay-tree.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 void dcache_info (char *exp, int tty);
130
131 void _initialize_dcache (void);
132
133 static int dcache_enabled_p = 0; /* OBSOLETE */
134
135 static void
136 show_dcache_enabled_p (struct ui_file *file, int from_tty,
137                        struct cmd_list_element *c, const char *value)
138 {
139   fprintf_filtered (file, _("Deprecated remotecache flag is %s.\n"), value);
140 }
141
142 /* Add BLOCK to circular block list BLIST, behind the block at *BLIST.
143    *BLIST is not updated (unless it was previously NULL of course).
144    This is for the least-recently-allocated list's sake:
145    BLIST points to the oldest block.
146    ??? This makes for poor cache usage of the free list,
147    but is it measurable?  */
148
149 static void
150 append_block (struct dcache_block **blist, struct dcache_block *block)
151 {
152   if (*blist)
153     {
154       block->next = *blist;
155       block->prev = (*blist)->prev;
156       block->prev->next = block;
157       (*blist)->prev = block;
158       /* We don't update *BLIST here to maintain the invariant that for the
159          least-recently-allocated list *BLIST points to the oldest block.  */
160     }
161   else
162     {
163       block->next = block;
164       block->prev = block;
165       *blist = block;
166     }
167 }
168
169 /* Remove BLOCK from circular block list BLIST.  */
170
171 static void
172 remove_block (struct dcache_block **blist, struct dcache_block *block)
173 {
174   if (block->next == block)
175     {
176       *blist = NULL;
177     }
178   else
179     {
180       block->next->prev = block->prev;
181       block->prev->next = block->next;
182       /* If we removed the block *BLIST points to, shift it to the next block
183          to maintain the invariant that for the least-recently-allocated list
184          *BLIST points to the oldest block.  */
185       if (*blist == block)
186         *blist = block->next;
187     }
188 }
189
190 /* Iterate over all elements in BLIST, calling FUNC.
191    PARAM is passed to FUNC.
192    FUNC may remove the block it's passed, but only that block.  */
193
194 static void
195 for_each_block (struct dcache_block **blist, block_func *func, void *param)
196 {
197   struct dcache_block *db;
198
199   if (*blist == NULL)
200     return;
201
202   db = *blist;
203   do
204     {
205       struct dcache_block *next = db->next;
206
207       func (db, param);
208       db = next;
209     }
210   while (*blist && db != *blist);
211 }
212
213 /* BLOCK_FUNC routine for dcache_free.  */
214
215 static void
216 free_block (struct dcache_block *block, void *param)
217 {
218   xfree (block);
219 }
220
221 /* Free a data cache.  */
222
223 void
224 dcache_free (DCACHE *dcache)
225 {
226   splay_tree_delete (dcache->tree);
227   for_each_block (&dcache->oldest, free_block, NULL);
228   for_each_block (&dcache->freelist, free_block, NULL);
229   xfree (dcache);
230 }
231
232
233 /* BLOCK_FUNC function for dcache_invalidate.
234    This doesn't remove the block from the oldest list on purpose.
235    dcache_invalidate will do it later.  */
236
237 static void
238 invalidate_block (struct dcache_block *block, void *param)
239 {
240   DCACHE *dcache = (DCACHE *) param;
241
242   splay_tree_remove (dcache->tree, (splay_tree_key) block->addr);
243   append_block (&dcache->freelist, block);
244 }
245
246 /* Free all the data cache blocks, thus discarding all cached data.  */
247
248 void
249 dcache_invalidate (DCACHE *dcache)
250 {
251   for_each_block (&dcache->oldest, invalidate_block, dcache);
252
253   dcache->oldest = NULL;
254   dcache->size = 0;
255   dcache->ptid = null_ptid;
256
257   if (dcache->line_size != dcache_line_size)
258     {
259       /* We've been asked to use a different line size.
260          All of our freelist blocks are now the wrong size, so free them.  */
261
262       for_each_block (&dcache->freelist, free_block, dcache);
263       dcache->freelist = NULL;
264       dcache->line_size = dcache_line_size;
265     }
266 }
267
268 /* Invalidate the line associated with ADDR.  */
269
270 static void
271 dcache_invalidate_line (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
272 {
273   struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
274
275   if (db)
276     {
277       splay_tree_remove (dcache->tree, (splay_tree_key) db->addr);
278       remove_block (&dcache->oldest, db);
279       append_block (&dcache->freelist, db);
280       --dcache->size;
281     }
282 }
283
284 /* If addr is present in the dcache, return the address of the block
285    containing it.  Otherwise return NULL.  */
286
287 static struct dcache_block *
288 dcache_hit (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
289 {
290   struct dcache_block *db;
291
292   splay_tree_node node = splay_tree_lookup (dcache->tree,
293                                             (splay_tree_key) MASK (dcache, addr));
294
295   if (!node)
296     return NULL;
297
298   db = (struct dcache_block *) node->value;
299   db->refs++;
300   return db;
301 }
302
303 /* Fill a cache line from target memory.
304    The result is 1 for success, 0 if the (entire) cache line
305    wasn't readable.  */
306
307 static int
308 dcache_read_line (DCACHE *dcache, struct dcache_block *db)
309 {
310   CORE_ADDR memaddr;
311   gdb_byte *myaddr;
312   int len;
313   int res;
314   int reg_len;
315   struct mem_region *region;
316
317   len = dcache->line_size;
318   memaddr = db->addr;
319   myaddr  = db->data;
320
321   while (len > 0)
322     {
323       /* Don't overrun if this block is right at the end of the region.  */
324       region = lookup_mem_region (memaddr);
325       if (region->hi == 0 || memaddr + len < region->hi)
326         reg_len = len;
327       else
328         reg_len = region->hi - memaddr;
329
330       /* Skip non-readable regions.  The cache attribute can be ignored,
331          since we may be loading this for a stack access.  */
332       if (region->attrib.mode == MEM_WO)
333         {
334           memaddr += reg_len;
335           myaddr  += reg_len;
336           len     -= reg_len;
337           continue;
338         }
339       
340       res = target_read (&current_target, TARGET_OBJECT_RAW_MEMORY,
341                          NULL, myaddr, memaddr, reg_len);
342       if (res < reg_len)
343         return 0;
344
345       memaddr += res;
346       myaddr += res;
347       len -= res;
348     }
349
350   return 1;
351 }
352
353 /* Get a free cache block, put or keep it on the valid list,
354    and return its address.  */
355
356 static struct dcache_block *
357 dcache_alloc (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
358 {
359   struct dcache_block *db;
360
361   if (dcache->size >= dcache_size)
362     {
363       /* Evict the least recently allocated line.  */
364       db = dcache->oldest;
365       remove_block (&dcache->oldest, db);
366
367       splay_tree_remove (dcache->tree, (splay_tree_key) db->addr);
368     }
369   else
370     {
371       db = dcache->freelist;
372       if (db)
373         remove_block (&dcache->freelist, db);
374       else
375         db = xmalloc (offsetof (struct dcache_block, data) +
376                       dcache->line_size);
377
378       dcache->size++;
379     }
380
381   db->addr = MASK (dcache, addr);
382   db->refs = 0;
383
384   /* Put DB at the end of the list, it's the newest.  */
385   append_block (&dcache->oldest, db);
386
387   splay_tree_insert (dcache->tree, (splay_tree_key) db->addr,
388                      (splay_tree_value) db);
389
390   return db;
391 }
392
393 /* Using the data cache DCACHE, store in *PTR the contents of the byte at
394    address ADDR in the remote machine.  
395
396    Returns 1 for success, 0 for error.  */
397
398 static int
399 dcache_peek_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, gdb_byte *ptr)
400 {
401   struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
402
403   if (!db)
404     {
405       db = dcache_alloc (dcache, addr);
406
407       if (!dcache_read_line (dcache, db))
408          return 0;
409     }
410
411   *ptr = db->data[XFORM (dcache, addr)];
412   return 1;
413 }
414
415 /* Write the byte at PTR into ADDR in the data cache.
416
417    The caller is responsible for also promptly writing the data
418    through to target memory.
419
420    If addr is not in cache, this function does nothing; writing to
421    an area of memory which wasn't present in the cache doesn't cause
422    it to be loaded in.
423
424    Always return 1 (meaning success) to simplify dcache_xfer_memory.  */
425
426 static int
427 dcache_poke_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, gdb_byte *ptr)
428 {
429   struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
430
431   if (db)
432     db->data[XFORM (dcache, addr)] = *ptr;
433
434   return 1;
435 }
436
437 static int
438 dcache_splay_tree_compare (splay_tree_key a, splay_tree_key b)
439 {
440   if (a > b)
441     return 1;
442   else if (a == b)
443     return 0;
444   else
445     return -1;
446 }
447
448 /* Allocate and initialize a data cache.  */
449
450 DCACHE *
451 dcache_init (void)
452 {
453   DCACHE *dcache;
454
455   dcache = (DCACHE *) xmalloc (sizeof (*dcache));
456
457   dcache->tree = splay_tree_new (dcache_splay_tree_compare,
458                                  NULL,
459                                  NULL);
460
461   dcache->oldest = NULL;
462   dcache->freelist = NULL;
463   dcache->size = 0;
464   dcache->line_size = dcache_line_size;
465   dcache->ptid = null_ptid;
466
467   return dcache;
468 }
469
470
471 /* Read or write LEN bytes from inferior memory at MEMADDR, transferring
472    to or from debugger address MYADDR.  Write to inferior if SHOULD_WRITE is
473    nonzero. 
474
475    Return the number of bytes actually transfered, or -1 if the
476    transfer is not supported or otherwise fails.  Return of a non-negative
477    value less than LEN indicates that no further transfer is possible.
478    NOTE: This is different than the to_xfer_partial interface, in which
479    positive values less than LEN mean further transfers may be possible.  */
480
481 int
482 dcache_xfer_memory (struct target_ops *ops, DCACHE *dcache,
483                     CORE_ADDR memaddr, gdb_byte *myaddr,
484                     int len, int should_write)
485 {
486   int i;
487   int res;
488   int (*xfunc) (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, gdb_byte *ptr);
489
490   xfunc = should_write ? dcache_poke_byte : dcache_peek_byte;
491
492   /* If this is a different inferior from what we've recorded,
493      flush the cache.  */
494
495   if (! ptid_equal (inferior_ptid, dcache->ptid))
496     {
497       dcache_invalidate (dcache);
498       dcache->ptid = inferior_ptid;
499     }
500
501   /* Do write-through first, so that if it fails, we don't write to
502      the cache at all.  */
503
504   if (should_write)
505     {
506       res = target_write (ops, TARGET_OBJECT_RAW_MEMORY,
507                           NULL, myaddr, memaddr, len);
508       if (res <= 0)
509         return res;
510       /* Update LEN to what was actually written.  */
511       len = res;
512     }
513       
514   for (i = 0; i < len; i++)
515     {
516       if (!xfunc (dcache, memaddr + i, myaddr + i))
517         {
518           /* That failed.  Discard its cache line so we don't have a
519              partially read line.  */
520           dcache_invalidate_line (dcache, memaddr + i);
521           /* If we're writing, we still wrote LEN bytes.  */
522           if (should_write)
523             return len;
524           else
525             return i;
526         }
527     }
528     
529   return len;
530 }
531
532 /* FIXME: There would be some benefit to making the cache write-back and
533    moving the writeback operation to a higher layer, as it could occur
534    after a sequence of smaller writes have been completed (as when a stack
535    frame is constructed for an inferior function call).  Note that only
536    moving it up one level to target_xfer_memory[_partial]() is not
537    sufficient since we want to coalesce memory transfers that are
538    "logically" connected but not actually a single call to one of the
539    memory transfer functions.  */
540
541 /* Just update any cache lines which are already present.  This is called
542    by memory_xfer_partial in cases where the access would otherwise not go
543    through the cache.  */
544
545 void
546 dcache_update (DCACHE *dcache, CORE_ADDR memaddr, gdb_byte *myaddr, int len)
547 {
548   int i;
549
550   for (i = 0; i < len; i++)
551     dcache_poke_byte (dcache, memaddr + i, myaddr + i);
552 }
553
554 /* Print DCACHE line INDEX.  */
555
556 static void
557 dcache_print_line (DCACHE *dcache, int index)
558 {
559   splay_tree_node n;
560   struct dcache_block *db;
561   int i, j;
562
563   if (dcache == NULL)
564     {
565       printf_filtered (_("No data cache available.\n"));
566       return;
567     }
568
569   n = splay_tree_min (dcache->tree);
570
571   for (i = index; i > 0; --i)
572     {
573       if (!n)
574         break;
575       n = splay_tree_successor (dcache->tree, n->key);
576     }
577
578   if (!n)
579     {
580       printf_filtered (_("No such cache line exists.\n"));
581       return;
582     }
583     
584   db = (struct dcache_block *) n->value;
585
586   printf_filtered (_("Line %d: address %s [%d hits]\n"),
587                    index, paddress (target_gdbarch (), db->addr), db->refs);
588
589   for (j = 0; j < dcache->line_size; j++)
590     {
591       printf_filtered ("%02x ", db->data[j]);
592
593       /* Print a newline every 16 bytes (48 characters).  */
594       if ((j % 16 == 15) && (j != dcache->line_size - 1))
595         printf_filtered ("\n");
596     }
597   printf_filtered ("\n");
598 }
599
600 /* Parse EXP and show the info about DCACHE.  */
601
602 static void
603 dcache_info_1 (DCACHE *dcache, char *exp)
604 {
605   splay_tree_node n;
606   int i, refcount;
607
608   if (exp)
609     {
610       char *linestart;
611
612       i = strtol (exp, &linestart, 10);
613       if (linestart == exp || i < 0)
614         {
615           printf_filtered (_("Usage: info dcache [linenumber]\n"));
616           return;
617         }
618
619       dcache_print_line (dcache, i);
620       return;
621     }
622
623   printf_filtered (_("Dcache %u lines of %u bytes each.\n"),
624                    dcache_size,
625                    dcache ? (unsigned) dcache->line_size
626                    : dcache_line_size);
627
628   if (dcache == NULL || ptid_equal (dcache->ptid, null_ptid))
629     {
630       printf_filtered (_("No data cache available.\n"));
631       return;
632     }
633
634   printf_filtered (_("Contains data for %s\n"),
635                    target_pid_to_str (dcache->ptid));
636
637   refcount = 0;
638
639   n = splay_tree_min (dcache->tree);
640   i = 0;
641
642   while (n)
643     {
644       struct dcache_block *db = (struct dcache_block *) n->value;
645
646       printf_filtered (_("Line %d: address %s [%d hits]\n"),
647                        i, paddress (target_gdbarch (), db->addr), db->refs);
648       i++;
649       refcount += db->refs;
650
651       n = splay_tree_successor (dcache->tree, n->key);
652     }
653
654   printf_filtered (_("Cache state: %d active lines, %d hits\n"), i, refcount);
655 }
656
657 static void
658 dcache_info (char *exp, int tty)
659 {
660   dcache_info_1 (target_dcache_get (), exp);
661 }
662
663 static void
664 set_dcache_size (char *args, int from_tty,
665                  struct cmd_list_element *c)
666 {
667   if (dcache_size == 0)
668     {
669       dcache_size = DCACHE_DEFAULT_SIZE;
670       error (_("Dcache size must be greater than 0."));
671     }
672   target_dcache_invalidate ();
673 }
674
675 static void
676 set_dcache_line_size (char *args, int from_tty,
677                       struct cmd_list_element *c)
678 {
679   if (dcache_line_size < 2
680       || (dcache_line_size & (dcache_line_size - 1)) != 0)
681     {
682       unsigned d = dcache_line_size;
683       dcache_line_size = DCACHE_DEFAULT_LINE_SIZE;
684       error (_("Invalid dcache line size: %u (must be power of 2)."), d);
685     }
686   target_dcache_invalidate ();
687 }
688
689 static void
690 set_dcache_command (char *arg, int from_tty)
691 {
692   printf_unfiltered (
693      "\"set dcache\" must be followed by the name of a subcommand.\n");
694   help_list (dcache_set_list, "set dcache ", -1, gdb_stdout);
695 }
696
697 static void
698 show_dcache_command (char *args, int from_tty)
699 {
700   cmd_show_list (dcache_show_list, from_tty, "");
701 }
702
703 void
704 _initialize_dcache (void)
705 {
706   add_setshow_boolean_cmd ("remotecache", class_support,
707                            &dcache_enabled_p, _("\
708 Set cache use for remote targets."), _("\
709 Show cache use for remote targets."), _("\
710 This used to enable the data cache for remote targets.  The cache\n\
711 functionality is now controlled by the memory region system and the\n\
712 \"stack-cache\" flag; \"remotecache\" now does nothing and\n\
713 exists only for compatibility reasons."),
714                            NULL,
715                            show_dcache_enabled_p,
716                            &setlist, &showlist);
717
718   add_info ("dcache", dcache_info,
719             _("\
720 Print information on the dcache performance.\n\
721 With no arguments, this command prints the cache configuration and a\n\
722 summary of each line in the cache.  Use \"info dcache <lineno> to dump\"\n\
723 the contents of a given line."));
724
725   add_prefix_cmd ("dcache", class_obscure, set_dcache_command, _("\
726 Use this command to set number of lines in dcache and line-size."),
727                   &dcache_set_list, "set dcache ", /*allow_unknown*/0, &setlist);
728   add_prefix_cmd ("dcache", class_obscure, show_dcache_command, _("\
729 Show dcachesettings."),
730                   &dcache_show_list, "show dcache ", /*allow_unknown*/0, &showlist);
731
732   add_setshow_zuinteger_cmd ("line-size", class_obscure,
733                              &dcache_line_size, _("\
734 Set dcache line size in bytes (must be power of 2)."), _("\
735 Show dcache line size."),
736                              NULL,
737                              set_dcache_line_size,
738                              NULL,
739                              &dcache_set_list, &dcache_show_list);
740   add_setshow_zuinteger_cmd ("size", class_obscure,
741                              &dcache_size, _("\
742 Set number of dcache lines."), _("\
743 Show number of dcache lines."),
744                              NULL,
745                              set_dcache_size,
746                              NULL,
747                              &dcache_set_list, &dcache_show_list);
748 }