Documentation/gpu/drm-mm.rst

   1 =====================
   2 DRM Memory Management
   3 =====================
   4
   5 Modern Linux systems require large amount of graphics memory to store
   6 frame buffers, textures, vertices and other graphics-related data. Given
   7 the very dynamic nature of many of that data, managing graphics memory
   8 efficiently is thus crucial for the graphics stack and plays a central
   9 role in the DRM infrastructure.
  10
  11 The DRM core includes two memory managers, namely Translation Table Maps
  12 (TTM) and Graphics Execution Manager (GEM). TTM was the first DRM memory
  13 manager to be developed and tried to be a one-size-fits-them all
  14 solution. It provides a single userspace API to accommodate the need of
  15 all hardware, supporting both Unified Memory Architecture (UMA) devices
  16 and devices with dedicated video RAM (i.e. most discrete video cards).
  17 This resulted in a large, complex piece of code that turned out to be
  18 hard to use for driver development.
  19
  20 GEM started as an Intel-sponsored project in reaction to TTM's
  21 complexity. Its design philosophy is completely different: instead of
  22 providing a solution to every graphics memory-related problems, GEM
  23 identified common code between drivers and created a support library to
  24 share it. GEM has simpler initialization and execution requirements than
  25 TTM, but has no video RAM management capabilities and is thus limited to
  26 UMA devices.
  27
  28 The Translation Table Manager (TTM)
  29 ===================================
  30
  31 TTM design background and information belongs here.
  32
  33 TTM initialization
  34 ------------------
  35
  36     **Warning**
  37     This section is outdated.
  38
  39 Drivers wishing to support TTM must pass a filled :c:type:`ttm_bo_driver
  40 <ttm_bo_driver>` structure to ttm_bo_device_init, together with an
  41 initialized global reference to the memory manager.  The ttm_bo_driver
  42 structure contains several fields with function pointers for
  43 initializing the TTM, allocating and freeing memory, waiting for command
  44 completion and fence synchronization, and memory migration.
  45
  46 The :c:type:`struct drm_global_reference <drm_global_reference>` is made
  47 up of several fields:
  48
  49 .. code-block:: c
  50
  51               struct drm_global_reference {
  52                       enum ttm_global_types global_type;
  53                       size_t size;
  54                       void *object;
  55                       int (*init) (struct drm_global_reference *);
  56                       void (*release) (struct drm_global_reference *);
  57               };
  58
  59
  60 There should be one global reference structure for your memory manager
  61 as a whole, and there will be others for each object created by the
  62 memory manager at runtime. Your global TTM should have a type of
  63 TTM_GLOBAL_TTM_MEM. The size field for the global object should be
  64 sizeof(struct ttm_mem_global), and the init and release hooks should
  65 point at your driver-specific init and release routines, which probably
  66 eventually call ttm_mem_global_init and ttm_mem_global_release,
  67 respectively.
  68
  69 Once your global TTM accounting structure is set up and initialized by
  70 calling ttm_global_item_ref() on it, you need to create a buffer
  71 object TTM to provide a pool for buffer object allocation by clients and
  72 the kernel itself. The type of this object should be
  73 TTM_GLOBAL_TTM_BO, and its size should be sizeof(struct
  74 ttm_bo_global). Again, driver-specific init and release functions may
  75 be provided, likely eventually calling ttm_bo_global_init() and
  76 ttm_bo_global_release(), respectively. Also, like the previous
  77 object, ttm_global_item_ref() is used to create an initial reference
  78 count for the TTM, which will call your initialization function.
  79
  80 See the radeon_ttm.c file for an example of usage.
  81
  82 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_global.c
  83    :export:
  84
  85
  86 The Graphics Execution Manager (GEM)
  87 ====================================
  88
  89 The GEM design approach has resulted in a memory manager that doesn't
  90 provide full coverage of all (or even all common) use cases in its
  91 userspace or kernel API. GEM exposes a set of standard memory-related
  92 operations to userspace and a set of helper functions to drivers, and
  93 let drivers implement hardware-specific operations with their own
  94 private API.
  95
  96 The GEM userspace API is described in the `GEM - the Graphics Execution
  97 Manager <http://lwn.net/Articles/283798/>`__ article on LWN. While
  98 slightly outdated, the document provides a good overview of the GEM API
  99 principles. Buffer allocation and read and write operations, described
 100 as part of the common GEM API, are currently implemented using
 101 driver-specific ioctls.
 102
 103 GEM is data-agnostic. It manages abstract buffer objects without knowing
 104 what individual buffers contain. APIs that require knowledge of buffer
 105 contents or purpose, such as buffer allocation or synchronization
 106 primitives, are thus outside of the scope of GEM and must be implemented
 107 using driver-specific ioctls.
 108
 109 On a fundamental level, GEM involves several operations:
 110
 111 -  Memory allocation and freeing
 112 -  Command execution
 113 -  Aperture management at command execution time
 114
 115 Buffer object allocation is relatively straightforward and largely
 116 provided by Linux's shmem layer, which provides memory to back each
 117 object.
 118
 119 Device-specific operations, such as command execution, pinning, buffer
 120 read & write, mapping, and domain ownership transfers are left to
 121 driver-specific ioctls.
 122
 123 GEM Initialization
 124 ------------------
 125
 126 Drivers that use GEM must set the DRIVER_GEM bit in the struct
 127 :c:type:`struct drm_driver <drm_driver>` driver_features
 128 field. The DRM core will then automatically initialize the GEM core
 129 before calling the load operation. Behind the scene, this will create a
 130 DRM Memory Manager object which provides an address space pool for
 131 object allocation.
 132
 133 In a KMS configuration, drivers need to allocate and initialize a
 134 command ring buffer following core GEM initialization if required by the
 135 hardware. UMA devices usually have what is called a "stolen" memory
 136 region, which provides space for the initial framebuffer and large,
 137 contiguous memory regions required by the device. This space is
 138 typically not managed by GEM, and must be initialized separately into
 139 its own DRM MM object.
 140
 141 GEM Objects Creation
 142 --------------------
 143
 144 GEM splits creation of GEM objects and allocation of the memory that
 145 backs them in two distinct operations.
 146
 147 GEM objects are represented by an instance of struct :c:type:`struct
 148 drm_gem_object <drm_gem_object>`. Drivers usually need to
 149 extend GEM objects with private information and thus create a
 150 driver-specific GEM object structure type that embeds an instance of
 151 struct :c:type:`struct drm_gem_object <drm_gem_object>`.
 152
 153 To create a GEM object, a driver allocates memory for an instance of its
 154 specific GEM object type and initializes the embedded struct
 155 :c:type:`struct drm_gem_object <drm_gem_object>` with a call
 156 to :c:func:`drm_gem_object_init()`. The function takes a pointer
 157 to the DRM device, a pointer to the GEM object and the buffer object
 158 size in bytes.
 159
 160 GEM uses shmem to allocate anonymous pageable memory.
 161 :c:func:`drm_gem_object_init()` will create an shmfs file of the
 162 requested size and store it into the struct :c:type:`struct
 163 drm_gem_object <drm_gem_object>` filp field. The memory is
 164 used as either main storage for the object when the graphics hardware
 165 uses system memory directly or as a backing store otherwise.
 166
 167 Drivers are responsible for the actual physical pages allocation by
 168 calling :c:func:`shmem_read_mapping_page_gfp()` for each page.
 169 Note that they can decide to allocate pages when initializing the GEM
 170 object, or to delay allocation until the memory is needed (for instance
 171 when a page fault occurs as a result of a userspace memory access or
 172 when the driver needs to start a DMA transfer involving the memory).
 173
 174 Anonymous pageable memory allocation is not always desired, for instance
 175 when the hardware requires physically contiguous system memory as is
 176 often the case in embedded devices. Drivers can create GEM objects with
 177 no shmfs backing (called private GEM objects) by initializing them with
 178 a call to :c:func:`drm_gem_private_object_init()` instead of
 179 :c:func:`drm_gem_object_init()`. Storage for private GEM objects
 180 must be managed by drivers.
 181
 182 GEM Objects Lifetime
 183 --------------------
 184
 185 All GEM objects are reference-counted by the GEM core. References can be
 186 acquired and release by :c:func:`calling
 187 drm_gem_object_reference()` and
 188 :c:func:`drm_gem_object_unreference()` respectively. The caller
 189 must hold the :c:type:`struct drm_device <drm_device>`
 190 struct_mutex lock when calling
 191 :c:func:`drm_gem_object_reference()`. As a convenience, GEM
 192 provides :c:func:`drm_gem_object_unreference_unlocked()`
 193 functions that can be called without holding the lock.
 194
 195 When the last reference to a GEM object is released the GEM core calls
 196 the :c:type:`struct drm_driver <drm_driver>` gem_free_object
 197 operation. That operation is mandatory for GEM-enabled drivers and must
 198 free the GEM object and all associated resources.
 199
 200 void (\*gem_free_object) (struct drm_gem_object \*obj); Drivers are
 201 responsible for freeing all GEM object resources. This includes the
 202 resources created by the GEM core, which need to be released with
 203 :c:func:`drm_gem_object_release()`.
 204
 205 GEM Objects Naming
 206 ------------------
 207
 208 Communication between userspace and the kernel refers to GEM objects
 209 using local handles, global names or, more recently, file descriptors.
 210 All of those are 32-bit integer values; the usual Linux kernel limits
 211 apply to the file descriptors.
 212
 213 GEM handles are local to a DRM file. Applications get a handle to a GEM
 214 object through a driver-specific ioctl, and can use that handle to refer
 215 to the GEM object in other standard or driver-specific ioctls. Closing a
 216 DRM file handle frees all its GEM handles and dereferences the
 217 associated GEM objects.
 218
 219 To create a handle for a GEM object drivers call
 220 :c:func:`drm_gem_handle_create()`. The function takes a pointer
 221 to the DRM file and the GEM object and returns a locally unique handle.
 222 When the handle is no longer needed drivers delete it with a call to
 223 :c:func:`drm_gem_handle_delete()`. Finally the GEM object
 224 associated with a handle can be retrieved by a call to
 225 :c:func:`drm_gem_object_lookup()`.
 226
 227 Handles don't take ownership of GEM objects, they only take a reference
 228 to the object that will be dropped when the handle is destroyed. To
 229 avoid leaking GEM objects, drivers must make sure they drop the
 230 reference(s) they own (such as the initial reference taken at object
 231 creation time) as appropriate, without any special consideration for the
 232 handle. For example, in the particular case of combined GEM object and
 233 handle creation in the implementation of the dumb_create operation,
 234 drivers must drop the initial reference to the GEM object before
 235 returning the handle.
 236
 237 GEM names are similar in purpose to handles but are not local to DRM
 238 files. They can be passed between processes to reference a GEM object
 239 globally. Names can't be used directly to refer to objects in the DRM
 240 API, applications must convert handles to names and names to handles
 241 using the DRM_IOCTL_GEM_FLINK and DRM_IOCTL_GEM_OPEN ioctls
 242 respectively. The conversion is handled by the DRM core without any
 243 driver-specific support.
 244
 245 GEM also supports buffer sharing with dma-buf file descriptors through
 246 PRIME. GEM-based drivers must use the provided helpers functions to
 247 implement the exporting and importing correctly. See ?. Since sharing
 248 file descriptors is inherently more secure than the easily guessable and
 249 global GEM names it is the preferred buffer sharing mechanism. Sharing
 250 buffers through GEM names is only supported for legacy userspace.
 251 Furthermore PRIME also allows cross-device buffer sharing since it is
 252 based on dma-bufs.
 253
 254 GEM Objects Mapping
 255 -------------------
 256
 257 Because mapping operations are fairly heavyweight GEM favours
 258 read/write-like access to buffers, implemented through driver-specific
 259 ioctls, over mapping buffers to userspace. However, when random access
 260 to the buffer is needed (to perform software rendering for instance),
 261 direct access to the object can be more efficient.
 262
 263 The mmap system call can't be used directly to map GEM objects, as they
 264 don't have their own file handle. Two alternative methods currently
 265 co-exist to map GEM objects to userspace. The first method uses a
 266 driver-specific ioctl to perform the mapping operation, calling
 267 :c:func:`do_mmap()` under the hood. This is often considered
 268 dubious, seems to be discouraged for new GEM-enabled drivers, and will
 269 thus not be described here.
 270
 271 The second method uses the mmap system call on the DRM file handle. void
 272 \*mmap(void \*addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t
 273 offset); DRM identifies the GEM object to be mapped by a fake offset
 274 passed through the mmap offset argument. Prior to being mapped, a GEM
 275 object must thus be associated with a fake offset. To do so, drivers
 276 must call :c:func:`drm_gem_create_mmap_offset()` on the object.
 277
 278 Once allocated, the fake offset value must be passed to the application
 279 in a driver-specific way and can then be used as the mmap offset
 280 argument.
 281
 282 The GEM core provides a helper method :c:func:`drm_gem_mmap()` to
 283 handle object mapping. The method can be set directly as the mmap file
 284 operation handler. It will look up the GEM object based on the offset
 285 value and set the VMA operations to the :c:type:`struct drm_driver
 286 <drm_driver>` gem_vm_ops field. Note that
 287 :c:func:`drm_gem_mmap()` doesn't map memory to userspace, but
 288 relies on the driver-provided fault handler to map pages individually.
 289
 290 To use :c:func:`drm_gem_mmap()`, drivers must fill the struct
 291 :c:type:`struct drm_driver <drm_driver>` gem_vm_ops field
 292 with a pointer to VM operations.
 293
 294 struct vm_operations_struct \*gem_vm_ops struct
 295 vm_operations_struct { void (\*open)(struct vm_area_struct \* area);
 296 void (\*close)(struct vm_area_struct \* area); int (\*fault)(struct
 297 vm_area_struct \*vma, struct vm_fault \*vmf); };
 298
 299 The open and close operations must update the GEM object reference
 300 count. Drivers can use the :c:func:`drm_gem_vm_open()` and
 301 :c:func:`drm_gem_vm_close()` helper functions directly as open
 302 and close handlers.
 303
 304 The fault operation handler is responsible for mapping individual pages
 305 to userspace when a page fault occurs. Depending on the memory
 306 allocation scheme, drivers can allocate pages at fault time, or can
 307 decide to allocate memory for the GEM object at the time the object is
 308 created.
 309
 310 Drivers that want to map the GEM object upfront instead of handling page
 311 faults can implement their own mmap file operation handler.
 312
 313 For platforms without MMU the GEM core provides a helper method
 314 :c:func:`drm_gem_cma_get_unmapped_area`. The mmap() routines will call
 315 this to get a proposed address for the mapping.
 316
 317 To use :c:func:`drm_gem_cma_get_unmapped_area`, drivers must fill the
 318 struct :c:type:`struct file_operations <file_operations>` get_unmapped_area
 319 field with a pointer on :c:func:`drm_gem_cma_get_unmapped_area`.
 320
 321 More detailed information about get_unmapped_area can be found in
 322 Documentation/nommu-mmap.txt
 323
 324 Memory Coherency
 325 ----------------
 326
 327 When mapped to the device or used in a command buffer, backing pages for
 328 an object are flushed to memory and marked write combined so as to be
 329 coherent with the GPU. Likewise, if the CPU accesses an object after the
 330 GPU has finished rendering to the object, then the object must be made
 331 coherent with the CPU's view of memory, usually involving GPU cache
 332 flushing of various kinds. This core CPU<->GPU coherency management is
 333 provided by a device-specific ioctl, which evaluates an object's current
 334 domain and performs any necessary flushing or synchronization to put the
 335 object into the desired coherency domain (note that the object may be
 336 busy, i.e. an active render target; in that case, setting the domain
 337 blocks the client and waits for rendering to complete before performing
 338 any necessary flushing operations).
 339
 340 Command Execution
 341 -----------------
 342
 343 Perhaps the most important GEM function for GPU devices is providing a
 344 command execution interface to clients. Client programs construct
 345 command buffers containing references to previously allocated memory
 346 objects, and then submit them to GEM. At that point, GEM takes care to
 347 bind all the objects into the GTT, execute the buffer, and provide
 348 necessary synchronization between clients accessing the same buffers.
 349 This often involves evicting some objects from the GTT and re-binding
 350 others (a fairly expensive operation), and providing relocation support
 351 which hides fixed GTT offsets from clients. Clients must take care not
 352 to submit command buffers that reference more objects than can fit in
 353 the GTT; otherwise, GEM will reject them and no rendering will occur.
 354 Similarly, if several objects in the buffer require fence registers to
 355 be allocated for correct rendering (e.g. 2D blits on pre-965 chips),
 356 care must be taken not to require more fence registers than are
 357 available to the client. Such resource management should be abstracted
 358 from the client in libdrm.
 359
 360 GEM Function Reference
 361 ----------------------
 362
 363 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem.c
 364    :export:
 365
 366 .. kernel-doc:: include/drm/drm_gem.h
 367    :internal:
 368
 369 GEM CMA Helper Functions Reference
 370 ----------------------------------
 371
 372 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_cma_helper.c
 373    :doc: cma helpers
 374
 375 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_gem_cma_helper.c
 376    :export:
 377
 378 .. kernel-doc:: include/drm/drm_gem_cma_helper.h
 379    :internal:
 380
 381 VMA Offset Manager
 382 ==================
 383
 384 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_vma_manager.c
 385    :doc: vma offset manager
 386
 387 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_vma_manager.c
 388    :export:
 389
 390 .. kernel-doc:: include/drm/drm_vma_manager.h
 391    :internal:
 392
 393 PRIME Buffer Sharing
 394 ====================
 395
 396 PRIME is the cross device buffer sharing framework in drm, originally
 397 created for the OPTIMUS range of multi-gpu platforms. To userspace PRIME
 398 buffers are dma-buf based file descriptors.
 399
 400 Overview and Driver Interface
 401 -----------------------------
 402
 403 Similar to GEM global names, PRIME file descriptors are also used to
 404 share buffer objects across processes. They offer additional security:
 405 as file descriptors must be explicitly sent over UNIX domain sockets to
 406 be shared between applications, they can't be guessed like the globally
 407 unique GEM names.
 408
 409 Drivers that support the PRIME API must set the DRIVER_PRIME bit in the
 410 struct :c:type:`struct drm_driver <drm_driver>`
 411 driver_features field, and implement the prime_handle_to_fd and
 412 prime_fd_to_handle operations.
 413
 414 int (\*prime_handle_to_fd)(struct drm_device \*dev, struct drm_file
 415 \*file_priv, uint32_t handle, uint32_t flags, int \*prime_fd); int
 416 (\*prime_fd_to_handle)(struct drm_device \*dev, struct drm_file
 417 \*file_priv, int prime_fd, uint32_t \*handle); Those two operations
 418 convert a handle to a PRIME file descriptor and vice versa. Drivers must
 419 use the kernel dma-buf buffer sharing framework to manage the PRIME file
 420 descriptors. Similar to the mode setting API PRIME is agnostic to the
 421 underlying buffer object manager, as long as handles are 32bit unsigned
 422 integers.
 423
 424 While non-GEM drivers must implement the operations themselves, GEM
 425 drivers must use the :c:func:`drm_gem_prime_handle_to_fd()` and
 426 :c:func:`drm_gem_prime_fd_to_handle()` helper functions. Those
 427 helpers rely on the driver gem_prime_export and gem_prime_import
 428 operations to create a dma-buf instance from a GEM object (dma-buf
 429 exporter role) and to create a GEM object from a dma-buf instance
 430 (dma-buf importer role).
 431
 432 struct dma_buf \* (\*gem_prime_export)(struct drm_device \*dev,
 433 struct drm_gem_object \*obj, int flags); struct drm_gem_object \*
 434 (\*gem_prime_import)(struct drm_device \*dev, struct dma_buf
 435 \*dma_buf); These two operations are mandatory for GEM drivers that
 436 support PRIME.
 437
 438 PRIME Helper Functions
 439 ----------------------
 440
 441 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_prime.c
 442    :doc: PRIME Helpers
 443
 444 PRIME Function References
 445 -------------------------
 446
 447 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_prime.c
 448    :export:
 449
 450 DRM MM Range Allocator
 451 ======================
 452
 453 Overview
 454 --------
 455
 456 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_mm.c
 457    :doc: Overview
 458
 459 LRU Scan/Eviction Support
 460 -------------------------
 461
 462 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_mm.c
 463    :doc: lru scan roster
 464
 465 DRM MM Range Allocator Function References
 466 ------------------------------------------
 467
 468 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_mm.c
 469    :export:
 470
 471 .. kernel-doc:: include/drm/drm_mm.h
 472    :internal:
 473
 474 DRM Cache Handling
 475 ==================
 476
 477 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_cache.c
 478    :export: