gdb/dcache.c

   1 /* Caching code.
   2    Copyright 1992-1993, 1995, 1998-1999, 2000, 2001 Free Software Foundation, Inc.
   3
   4    This file is part of GDB.
   5
   6    This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   7    it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8    the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   9    (at your option) any later version.
  10
  11    This program is distributed in the hope that it will be useful,
  12    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14    GNU General Public License for more details.
  15
  16    You should have received a copy of the GNU General Public License
  17    along with this program; if not, write to the Free Software
  18    Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330,
  19    Boston, MA 02111-1307, USA.  */
  20
  21 #include "defs.h"
  22 #include "dcache.h"
  23 #include "gdbcmd.h"
  24 #include "gdb_string.h"
  25 #include "gdbcore.h"
  26 #include "target.h"
  27
  28 /* The data cache could lead to incorrect results because it doesn't
  29    know about volatile variables, thus making it impossible to debug
  30    functions which use memory mapped I/O devices.  Set the nocache
  31    memory region attribute in those cases.
  32
  33    In general the dcache speeds up performance, some speed improvement
  34    comes from the actual caching mechanism, but the major gain is in
  35    the reduction of the remote protocol overhead; instead of reading
  36    or writing a large area of memory in 4 byte requests, the cache
  37    bundles up the requests into 32 byte (actually LINE_SIZE) chunks.
  38    Reducing the overhead to an eighth of what it was.  This is very
  39    obvious when displaying a large amount of data,
  40
  41    eg, x/200x 0
  42
  43    caching     |   no    yes
  44    ----------------------------
  45    first time  |   4 sec  2 sec improvement due to chunking
  46    second time |   4 sec  0 sec improvement due to caching
  47
  48    The cache structure is unusual, we keep a number of cache blocks
  49    (DCACHE_SIZE) and each one caches a LINE_SIZEed area of memory.
  50    Within each line we remember the address of the line (always a
  51    multiple of the LINE_SIZE) and a vector of bytes over the range.
  52    There's another vector which contains the state of the bytes.
  53
  54    ENTRY_BAD means that the byte is just plain wrong, and has no
  55    correspondence with anything else (as it would when the cache is
  56    turned on, but nothing has been done to it.
  57
  58    ENTRY_DIRTY means that the byte has some data in it which should be
  59    written out to the remote target one day, but contains correct
  60    data.
  61
  62    ENTRY_OK means that the data is the same in the cache as it is in
  63    remote memory.
  64
  65
  66    The ENTRY_DIRTY state is necessary because GDB likes to write large
  67    lumps of memory in small bits.  If the caching mechanism didn't
  68    maintain the DIRTY information, then something like a two byte
  69    write would mean that the entire cache line would have to be read,
  70    the two bytes modified and then written out again.  The alternative
  71    would be to not read in the cache line in the first place, and just
  72    write the two bytes directly into target memory.  The trouble with
  73    that is that it really nails performance, because of the remote
  74    protocol overhead.  This way, all those little writes are bundled
  75    up into an entire cache line write in one go, without having to
  76    read the cache line in the first place.
  77  */
  78
  79 /* NOTE: Interaction of dcache and memory region attributes
  80
  81    As there is no requirement that memory region attributes be aligned
  82    to or be a multiple of the dcache page size, dcache_read_line() and
  83    dcache_write_line() must break up the page by memory region.  If a
  84    chunk does not have the cache attribute set, an invalid memory type
  85    is set, etc., then the chunk is skipped.  Those chunks are handled
  86    in target_xfer_memory() (or target_xfer_memory_partial()).
  87
  88    This doesn't occur very often.  The most common occurance is when
  89    the last bit of the .text segment and the first bit of the .data
  90    segment fall within the same dcache page with a ro/cacheable memory
  91    region defined for the .text segment and a rw/non-cacheable memory
  92    region defined for the .data segment. */
  93
  94 /* This value regulates the number of cache blocks stored.
  95    Smaller values reduce the time spent searching for a cache
  96    line, and reduce memory requirements, but increase the risk
  97    of a line not being in memory */
  98
  99 #define DCACHE_SIZE 64
 100
 101 /* This value regulates the size of a cache line.  Smaller values
 102    reduce the time taken to read a single byte, but reduce overall
 103    throughput.  */
 104
 105 #define LINE_SIZE_POWER (5)
 106 #define LINE_SIZE (1 << LINE_SIZE_POWER)
 107
 108 /* Each cache block holds LINE_SIZE bytes of data
 109    starting at a multiple-of-LINE_SIZE address.  */
 110
 111 #define LINE_SIZE_MASK  ((LINE_SIZE - 1))
 112 #define XFORM(x)        ((x) & LINE_SIZE_MASK)
 113 #define MASK(x)         ((x) & ~LINE_SIZE_MASK)
 114
 115
 116 #define ENTRY_BAD   0           /* data at this byte is wrong */
 117 #define ENTRY_DIRTY 1           /* data at this byte needs to be written back */
 118 #define ENTRY_OK    2           /* data at this byte is same as in memory */
 119
 120
 121 struct dcache_block
 122   {
 123     struct dcache_block *p;     /* next in list */
 124     CORE_ADDR addr;             /* Address for which data is recorded.  */
 125     char data[LINE_SIZE];       /* bytes at given address */
 126     unsigned char state[LINE_SIZE];     /* what state the data is in */
 127
 128     /* whether anything in state is dirty - used to speed up the
 129        dirty scan. */
 130     int anydirty;
 131
 132     int refs;
 133   };
 134
 135
 136 /* FIXME: dcache_struct used to have a cache_has_stuff field that was
 137    used to record whether the cache had been accessed.  This was used
 138    to invalidate the cache whenever caching was (re-)enabled (if the
 139    cache was disabled and later re-enabled, it could contain stale
 140    data).  This was not needed because the cache is write through and
 141    the code that enables, disables, and deletes memory region all
 142    invalidate the cache.
 143
 144    This is overkill, since it also invalidates cache lines from
 145    unrelated regions.  One way this could be addressed by adding a
 146    new function that takes an address and a length and invalidates
 147    only those cache lines that match. */
 148
 149 struct dcache_struct
 150   {
 151     /* free list */
 152     struct dcache_block *free_head;
 153     struct dcache_block *free_tail;
 154
 155     /* in use list */
 156     struct dcache_block *valid_head;
 157     struct dcache_block *valid_tail;
 158
 159     /* The cache itself. */
 160     struct dcache_block *the_cache;
 161   };
 162
 163 static int dcache_poke_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, char *ptr);
 164
 165 static int dcache_peek_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, char *ptr);
 166
 167 static struct dcache_block *dcache_hit (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr);
 168
 169 static int dcache_write_line (DCACHE *dcache, struct dcache_block *db);
 170
 171 static int dcache_read_line (DCACHE *dcache, struct dcache_block *db);
 172
 173 static struct dcache_block *dcache_alloc (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr);
 174
 175 static int dcache_writeback (DCACHE *dcache);
 176
 177 static void dcache_info (char *exp, int tty);
 178
 179 void _initialize_dcache (void);
 180
 181 static int dcache_enabled_p = 0;
 182
 183 DCACHE *last_cache;             /* Used by info dcache */
 184
 185
 186 /* Free all the data cache blocks, thus discarding all cached data.  */
 187
 188 void
 189 dcache_invalidate (DCACHE *dcache)
 190 {
 191   int i;
 192   dcache->valid_head = 0;
 193   dcache->valid_tail = 0;
 194
 195   dcache->free_head = 0;
 196   dcache->free_tail = 0;
 197
 198   for (i = 0; i < DCACHE_SIZE; i++)
 199     {
 200       struct dcache_block *db = dcache->the_cache + i;
 201
 202       if (!dcache->free_head)
 203         dcache->free_head = db;
 204       else
 205         dcache->free_tail->p = db;
 206       dcache->free_tail = db;
 207       db->p = 0;
 208     }
 209
 210   return;
 211 }
 212
 213 /* If addr is present in the dcache, return the address of the block
 214    containing it. */
 215
 216 static struct dcache_block *
 217 dcache_hit (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
 218 {
 219   register struct dcache_block *db;
 220
 221   /* Search all cache blocks for one that is at this address.  */
 222   db = dcache->valid_head;
 223
 224   while (db)
 225     {
 226       if (MASK (addr) == db->addr)
 227         {
 228           db->refs++;
 229           return db;
 230         }
 231       db = db->p;
 232     }
 233
 234   return NULL;
 235 }
 236
 237 /* Make sure that anything in this line which needs to
 238    be written is. */
 239
 240 static int
 241 dcache_write_line (DCACHE *dcache, register struct dcache_block *db)
 242 {
 243   CORE_ADDR memaddr;
 244   char *myaddr;
 245   int len;
 246   int res;
 247   int reg_len;
 248   struct mem_region *region;
 249
 250   if (!db->anydirty)
 251     return 1;
 252
 253   len = LINE_SIZE;
 254   memaddr = db->addr;
 255   myaddr  = db->data;
 256
 257   while (len > 0)
 258     {
 259       int s;
 260       int e;
 261       int dirty_len;
 262
 263       region = lookup_mem_region(memaddr);
 264       if (memaddr + len < region->hi)
 265         reg_len = len;
 266       else
 267         reg_len = region->hi - memaddr;
 268
 269       if (!region->attrib.cache || region->attrib.mode == MEM_RO)
 270         {
 271           memaddr += reg_len;
 272           myaddr  += reg_len;
 273           len     -= reg_len;
 274           continue;
 275         }
 276
 277       while (reg_len > 0)
 278         {
 279           s = XFORM(memaddr);
 280           do {
 281             if (db->state[s] == ENTRY_DIRTY)
 282               break;
 283             s++;
 284             reg_len--;
 285           } while (reg_len > 0);
 286
 287           e = s;
 288           do {
 289             if (db->state[e] != ENTRY_DIRTY)
 290               break;
 291             e++;
 292             reg_len--;
 293           } while (reg_len > 0);
 294
 295           dirty_len = e - s;
 296           while (dirty_len > 0)
 297             {
 298               res = do_xfer_memory(memaddr, myaddr, dirty_len, 1,
 299                                    &region->attrib);
 300               if (res <= 0)
 301                 return 0;
 302
 303               memset (db->state[XFORM(memaddr)], ENTRY_OK, res);
 304               memaddr   += res;
 305               myaddr    += res;
 306               dirty_len -= res;
 307             }
 308         }
 309     }
 310
 311   db->anydirty = 0;
 312   return 1;
 313 }
 314
 315 /* Read cache line */
 316 static int
 317 dcache_read_line (DCACHE *dcache, struct dcache_block *db)
 318 {
 319   CORE_ADDR memaddr;
 320   char *myaddr;
 321   int len;
 322   int res;
 323   int reg_len;
 324   struct mem_region *region;
 325
 326   /* If there are any dirty bytes in the line, it must be written
 327      before a new line can be read */
 328   if (db->anydirty)
 329     {
 330       if (!dcache_write_line (dcache, db))
 331         return 0;
 332     }
 333
 334   len = LINE_SIZE;
 335   memaddr = db->addr;
 336   myaddr  = db->data;
 337
 338   while (len > 0)
 339     {
 340       region = lookup_mem_region(memaddr);
 341       if (memaddr + len < region->hi)
 342         reg_len = len;
 343       else
 344         reg_len = region->hi - memaddr;
 345
 346       if (!region->attrib.cache || region->attrib.mode == MEM_WO)
 347         {
 348           memaddr += reg_len;
 349           myaddr  += reg_len;
 350           len     -= reg_len;
 351           continue;
 352         }
 353
 354       while (reg_len > 0)
 355         {
 356           res = do_xfer_memory (memaddr, myaddr, reg_len, 0,
 357                                 &region->attrib);
 358           if (res <= 0)
 359             return 0;
 360
 361           memaddr += res;
 362           myaddr  += res;
 363           len     -= res;
 364           reg_len -= res;
 365         }
 366     }
 367
 368   memset (db->state, ENTRY_OK, sizeof (db->data));
 369   db->anydirty = 0;
 370
 371   return 1;
 372 }
 373
 374 /* Get a free cache block, put or keep it on the valid list,
 375    and return its address.  */
 376
 377 static struct dcache_block *
 378 dcache_alloc (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr)
 379 {
 380   register struct dcache_block *db;
 381
 382   /* Take something from the free list */
 383   db = dcache->free_head;
 384   if (db)
 385     {
 386       dcache->free_head = db->p;
 387     }
 388   else
 389     {
 390       /* Nothing left on free list, so grab one from the valid list */
 391       db = dcache->valid_head;
 392
 393       if (!dcache_write_line (dcache, db))
 394         return NULL;
 395
 396       dcache->valid_head = db->p;
 397     }
 398
 399   db->addr = MASK(addr);
 400   db->refs = 0;
 401   db->anydirty = 0;
 402   memset (db->state, ENTRY_BAD, sizeof (db->data));
 403
 404   /* append this line to end of valid list */
 405   if (!dcache->valid_head)
 406     dcache->valid_head = db;
 407   else
 408     dcache->valid_tail->p = db;
 409   dcache->valid_tail = db;
 410   db->p = 0;
 411
 412   return db;
 413 }
 414
 415 /* Writeback any dirty lines. */
 416 static int
 417 dcache_writeback (DCACHE *dcache)
 418 {
 419   struct dcache_block *db;
 420
 421   db = dcache->valid_head;
 422
 423   while (db)
 424     {
 425       if (!dcache_write_line (dcache, db))
 426         return 0;
 427       db = db->p;
 428     }
 429   return 1;
 430 }
 431
 432
 433 /* Using the data cache DCACHE return the contents of the byte at
 434    address ADDR in the remote machine.
 435
 436    Returns 0 on error. */
 437
 438 static int
 439 dcache_peek_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, char *ptr)
 440 {
 441   register struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
 442
 443   if (!db)
 444     {
 445       db = dcache_alloc (dcache, addr);
 446       if (!db)
 447         return 0;
 448     }
 449
 450   if (db->state[XFORM (addr)] == ENTRY_BAD)
 451     {
 452       if (!dcache_read_line(dcache, db))
 453          return 0;
 454     }
 455
 456   *ptr = db->data[XFORM (addr)];
 457   return 1;
 458 }
 459
 460
 461 /* Write the byte at PTR into ADDR in the data cache.
 462    Return zero on write error.
 463  */
 464
 465 static int
 466 dcache_poke_byte (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, char *ptr)
 467 {
 468   register struct dcache_block *db = dcache_hit (dcache, addr);
 469
 470   if (!db)
 471     {
 472       db = dcache_alloc (dcache, addr);
 473       if (!db)
 474         return 0;
 475     }
 476
 477   db->data[XFORM (addr)] = *ptr;
 478   db->state[XFORM (addr)] = ENTRY_DIRTY;
 479   db->anydirty = 1;
 480   return 1;
 481 }
 482
 483 /* Initialize the data cache.  */
 484 DCACHE *
 485 dcache_init (void)
 486 {
 487   int csize = sizeof (struct dcache_block) * DCACHE_SIZE;
 488   DCACHE *dcache;
 489
 490   dcache = (DCACHE *) xmalloc (sizeof (*dcache));
 491
 492   dcache->the_cache = (struct dcache_block *) xmalloc (csize);
 493   memset (dcache->the_cache, 0, csize);
 494
 495   dcache_invalidate (dcache);
 496
 497   last_cache = dcache;
 498   return dcache;
 499 }
 500
 501 /* Free a data cache */
 502 void
 503 dcache_free (DCACHE *dcache)
 504 {
 505   if (last_cache == dcache)
 506     last_cache = NULL;
 507
 508   xfree (dcache->the_cache);
 509   xfree (dcache);
 510 }
 511
 512 /* Read or write LEN bytes from inferior memory at MEMADDR, transferring
 513    to or from debugger address MYADDR.  Write to inferior if SHOULD_WRITE is
 514    nonzero.
 515
 516    Returns length of data written or read; 0 for error.
 517
 518    This routine is indended to be called by remote_xfer_ functions. */
 519
 520 int
 521 dcache_xfer_memory (DCACHE *dcache, CORE_ADDR memaddr, char *myaddr, int len,
 522                     int should_write)
 523 {
 524   int i;
 525   int (*xfunc) (DCACHE *dcache, CORE_ADDR addr, char *ptr);
 526   xfunc = should_write ? dcache_poke_byte : dcache_peek_byte;
 527
 528   for (i = 0; i < len; i++)
 529     {
 530       if (!xfunc (dcache, memaddr + i, myaddr + i))
 531         return 0;
 532     }
 533
 534   /* FIXME: There may be some benefit from moving the cache writeback
 535      to a higher layer, as it could occur after a sequence of smaller
 536      writes have been completed (as when a stack frame is constructed
 537      for an inferior function call).  Note that only moving it up one
 538      level to target_xfer_memory() (also target_xfer_memory_partial())
 539      is not sufficent, since we want to coalesce memory transfers that
 540      are "logically" connected but not actually a single call to one
 541      of the memory transfer functions. */
 542
 543   if (should_write)
 544     dcache_writeback (dcache);
 545
 546   return len;
 547 }
 548
 549 static void
 550 dcache_info (char *exp, int tty)
 551 {
 552   struct dcache_block *p;
 553
 554   printf_filtered ("Dcache line width %d, depth %d\n",
 555                    LINE_SIZE, DCACHE_SIZE);
 556
 557   if (last_cache)
 558     {
 559       printf_filtered ("Cache state:\n");
 560
 561       for (p = last_cache->valid_head; p; p = p->p)
 562         {
 563           int j;
 564           printf_filtered ("Line at %s, referenced %d times\n",
 565                            paddr (p->addr), p->refs);
 566
 567           for (j = 0; j < LINE_SIZE; j++)
 568             printf_filtered ("%02x", p->data[j] & 0xFF);
 569           printf_filtered ("\n");
 570
 571           for (j = 0; j < LINE_SIZE; j++)
 572             printf_filtered ("%2x", p->state[j]);
 573           printf_filtered ("\n");
 574         }
 575     }
 576 }
 577
 578 void
 579 _initialize_dcache (void)
 580 {
 581   add_show_from_set
 582     (add_set_cmd ("remotecache", class_support, var_boolean,
 583                   (char *) &dcache_enabled_p,
 584                   "\
 585 Set cache use for remote targets.\n\
 586 When on, use data caching for remote targets.  For many remote targets\n\
 587 this option can offer better throughput for reading target memory.\n\
 588 Unfortunately, gdb does not currently know anything about volatile\n\
 589 registers and thus data caching will produce incorrect results with\n\
 590 volatile registers are in use.  By default, this option is off.",
 591                   &setlist),
 592      &showlist);
 593
 594   add_info ("dcache", dcache_info,
 595             "Print information on the dcache performance.");
 596
 597 }