Re: [RFC PATCH 00/22] riscv: s64ilp32: Running 32-bit Linux kernel on 64-bit supervisor mode

From: Guo Ren
Date: Fri May 19 2023 - 22:54:04 EST

On Sat, May 20, 2023 at 4:20 AM Arnd Bergmann <arnd@xxxxxxxx> wrote:
>
> On Thu, May 18, 2023, at 15:09, guoren@xxxxxxxxxx wrote:
> > From: Guo Ren <guoren@xxxxxxxxxxxxxxxxx>
> > Why 32-bit Linux?
> > =================
> > The motivation for using a 32-bit Linux kernel is to reduce memory
> > footprint and meet the small capacity of DDR & cache requirement
> > (e.g., 64/128MB SIP SoC).
> >
> > Here are the 32-bit v.s. 64-bit Linux kernel data type comparison
> > summary:
> > 32-bit 64-bit
> > sizeof(page): 32bytes 64bytes
> > sizeof(list_head): 8bytes 16bytes
> > sizeof(hlist_head): 8bytes 16bytes
> > sizeof(vm_area): 68bytes 136bytes
> > ...
>
> > Mem-usage:
> > (s32ilp32) # free
> > total used free shared buff/cache available
> > Mem: 100040 8380 88244 44 3416 88080
> >
> > (s64lp64) # free
> > total used free shared buff/cache available
> > Mem: 91568 11848 75796 44 3924 75952
> >
> > (s64ilp32) # free
> > total used free shared buff/cache available
> > Mem: 101952 8528 90004 44 3420 89816
> > ^^^^^
> >
> > It's a rough measurement based on the current default config without any
> > modification, and 32-bit (s32ilp32, s64ilp32) saved more than 16% memory
> > to 64-bit (s64lp64). But s32ilp32 & s64ilp32 have a similar memory
> > footprint (about 0.33% difference), meaning s64ilp32 has a big chance to
> > replace s32ilp32 on the 64-bit machine.
>
> I've tried to run the same numbers for the debate about running
> 32-bit vs 64-bit arm kernels in the past, but focused mostly on
> slightly larger systems, but I looked mainly at the 512MB case,
> as that is the most cost-efficient DDR3 memory configuration
> and fairly common.
512MB is extravagant, in my opinion. In the IPC market, 32/64MB is for
480P/720P/1080p, 128/256MB is for 1080p/2k, and 512/1024MB is for 4K.
> 512MB chips is less than 5% of the total (I guess). Even in 512MB
chips, the additional memory is for the frame buffer, not the Linux
system.
I agree for the > 512MB scenarios would make it less sensitive on a
32/64-bit Linux kernel.

>
> What I'd like to understand better in your example is where
> the 14MB of memory went. I assume this is for 128MB of total
> RAM, so we know that 1MB went into additional 'struct page'
> objects (32 bytes * 32768 pages). It would be good to know
> where the dynamic allocations went and if they are reclaimable
> (e.g. inodes) or non-reclaimable (e.g. kmalloc-128).
>
> For the vmlinux size, is this already a minimal config
> that one would run on a board with 128MB of RAM, or a
> defconfig that includes a lot of stuff that is only relevant
> for other platforms but also grows on 64-bit?
It's not minimal config, it's defconfig. So I say it's a roungh measurement :)

I admit I wanted a little bit to exaggerate it, but that's the
starting point for cutting down memory usage for most people, right?
During the past year, we have been convincing our customers to use the
s64lp64 + u32ilp32, but they can't tolerate even 1% memory additional
cost in 64MB/128MB scenarios and then chose cortex-a7/a35, which could
run 32-bit Linux. I think it's too early to talk about throwing 32-bit
Linux into the garbage, not only for the reason of memory footprint
but also for the ingrained opinion of the people. Changing their mind
needs a long time.

>
> What do you see in /proc/slabinfo, /proc/meminfo/, and
> 'size vmlinux' for the s64ilp32 and s64lp64 kernels here?
Both s64ilp32 & s64lp64 use the same u32ilp32_rootfs.ext2 binary and
the same opensbi binary.
All are opensbi(2MB) + Linux(126MB) memory layout.

Here is the result:

s64ilp32:
[ 0.000000] Virtual kernel memory layout:
[ 0.000000] fixmap : 0x9ce00000 - 0x9d000000 (2048 kB)
[ 0.000000] pci io : 0x9d000000 - 0x9e000000 ( 16 MB)
[ 0.000000] vmemmap : 0x9e000000 - 0xa0000000 ( 32 MB)
[ 0.000000] vmalloc : 0xa0000000 - 0xc0000000 ( 512 MB)
[ 0.000000] lowmem : 0xc0000000 - 0xc7e00000 ( 126 MB)
[ 0.000000] Memory: 97748K/129024K available (8699K kernel code,
8867K rwdata, 4096K rodata, 4204K init, 361K bss, 31276K reserved, 0K
cma-reserved)
...
# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 101952 8516 90016 44 3420 89828
Swap: 0 0 0
# cat /proc/meminfo
MemTotal: 101952 kB
MemFree: 90016 kB
MemAvailable: 89836 kB
Buffers: 292 kB
Cached: 2484 kB
SwapCached: 0 kB
Active: 2556 kB
Inactive: 656 kB
Active(anon): 40 kB
Inactive(anon): 440 kB
Active(file): 2516 kB
Inactive(file): 216 kB
Unevictable: 0 kB
Mlocked: 0 kB
SwapTotal: 0 kB
SwapFree: 0 kB
Dirty: 32 kB
Writeback: 0 kB
AnonPages: 480 kB
Mapped: 1804 kB
Shmem: 44 kB
KReclaimable: 644 kB
Slab: 4536 kB
SReclaimable: 644 kB
SUnreclaim: 3892 kB
KernelStack: 344 kB
PageTables: 112 kB
SecPageTables: 0 kB
NFS_Unstable: 0 kB
Bounce: 0 kB
WritebackTmp: 0 kB
CommitLimit: 50976 kB
Committed_AS: 2040 kB
VmallocTotal: 524288 kB
VmallocUsed: 112 kB
VmallocChunk: 0 kB
Percpu: 64 kB
HugePages_Total: 0
HugePages_Free: 0
HugePages_Rsvd: 0
HugePages_Surp: 0
Hugepagesize: 2048 kB
Hugetlb: 0 kB

# cat /proc/slabinfo

[68/1691]
slabinfo - version: 2.1
# name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab>
<pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> :
slabdata <active_slabs> <num_slabs> <sharedavail>
ext4_groupinfo_1k 28 28 144 28 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
p9_req_t 0 0 104 39 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
UDPv6 0 0 1088 15 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
tw_sock_TCPv6 0 0 200 20 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
request_sock_TCPv6 0 0 240 17 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
TCPv6 0 0 2048 8 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
bio-72 32 32 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
bfq_io_cq 0 0 1000 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
bio-184 21 21 192 21 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
mqueue_inode_cache 10 10 768 10 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
v9fs_inode_cache 0 0 576 14 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
nfs4_xattr_cache_cache 0 0 1848 17 8 : tunables 0
0 0 : slabdata 0 0 0
nfs_direct_cache 0 0 152 26 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
nfs_read_data 36 36 640 12 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 3 3 0
nfs_inode_cache 0 0 832 19 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
isofs_inode_cache 0 0 528 15 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
fat_inode_cache 0 0 632 25 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
fat_cache 0 0 24 170 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
jbd2_journal_handle 0 0 48 85 1 : tunables 0
0 0 : slabdata 0 0 0
jbd2_journal_head 0 0 80 51 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
ext4_fc_dentry_update 0 0 88 46 1 : tunables 0
0 0 : slabdata 0 0 0
ext4_inode_cache 88 88 984 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 11 11 0
ext4_allocation_context 36 36 112 36 1 : tunables 0
0 0 : slabdata 1 1 0
ext4_io_end_vec 0 0 24 170 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
pending_reservation 0 0 16 256 1 : tunables 0
0 0 : slabdata 0 0 0
extent_status 256 256 32 128 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
mbcache 102 102 40 102 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
dio 0 0 384 10 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
audit_tree_mark 0 0 64 64 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
rpc_inode_cache 0 0 576 14 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
ip4-frags 0 0 152 26 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
RAW 9 9 896 9 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
UDP 8 8 960 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
tw_sock_TCP 0 0 200 20 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
request_sock_TCP 0 0 240 17 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
TCP 0 0 1920 8 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
hugetlbfs_inode_cache 8 8 504 8 1 : tunables 0
0 0 : slabdata 1 1 0
bio-164 42 42 192 21 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
ep_head 0 0 8 512 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
dax_cache 14 14 576 14 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
sgpool-128 16 16 2048 8 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
sgpool-64 8 8 1024 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
request_queue 13 13 616 13 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
blkdev_ioc 0 0 80 51 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
bio-120 64 64 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
biovec-max 40 40 3072 10 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0
biovec-128 0 0 1536 10 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
[19/1691]
biovec-64 10 10 768 10 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
dmaengine-unmap-2 128 128 32 128 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
sock_inode_cache 22 22 704 11 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
skbuff_small_head 14 14 576 14 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
skbuff_fclone_cache 0 0 448 9 1 : tunables 0
0 0 : slabdata 0 0 0
file_lock_cache 28 28 144 28 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
buffer_head 357 357 80 51 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 7 7 0
proc_dir_entry 256 256 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 8 8 0
pde_opener 0 0 24 170 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
proc_inode_cache 60 60 536 15 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0
seq_file 42 42 96 42 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
sigqueue 85 85 48 85 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
bdev_cache 14 14 1152 14 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
shmem_inode_cache 637 637 600 13 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 49 49 0
kernfs_node_cache 13938 13938 88 46 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 303 303 0
inode_cache 360 360 496 8 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 45 45 0
dentry 1196 1196 152 26 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 46 46 0
names_cache 8 8 4096 8 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
net_namespace 0 0 2944 11 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
iint_cache 0 0 96 42 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
key_jar 105 105 192 21 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 5 5 0
uts_namespace 0 0 416 19 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
nsproxy 102 102 40 102 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
vm_area_struct 255 255 80 51 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 5 5 0
signal_cache 55 55 704 11 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 5 5 0
sighand_cache 60 60 1088 15 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0
anon_vma_chain 384 384 32 128 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 3 3 0
anon_vma 168 168 72 56 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 3 3 0
perf_event 0 0 816 10 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
maple_node 32 32 256 16 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
radix_tree_node 338 338 304 13 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 26 26 0
task_group 8 8 512 8 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
mm_struct 20 20 768 10 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
vmap_area 102 102 40 102 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
page->ptl 256 256 16 256 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
kmalloc-cg-8k 0 0 8192 4 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-cg-4k 8 8 4096 8 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 1 1 0
kmalloc-cg-2k 72 72 2048 8 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 9 9 0
kmalloc-cg-1k 32 32 1024 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0
kmalloc-cg-512 32 32 512 8 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0
kmalloc-cg-256 96 96 256 16 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 6 6 0
kmalloc-cg-192 63 63 192 21 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 3 3 0
kmalloc-cg-128 160 160 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 5 5 0
kmalloc-cg-64 128 128 64 64 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
kmalloc-rcl-8k 0 0 8192 4 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-4k 0 0 4096 8 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-2k 0 0 2048 8 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-1k 0 0 1024 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-512 0 0 512 8 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-256 0 0 256 16 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-192 0 0 192 21 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-128 0 0 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-rcl-64 0 0 64 64 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 0 0 0
kmalloc-8k 12 12 8192 4 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 3 3 0
kmalloc-4k 16 16 4096 8 8 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
kmalloc-2k 40 40 2048 8 4 : tunables 0 0
0 : slabdata 5 5 0
kmalloc-1k 88 88 1024 8 2 : tunables 0 0
0 : slabdata 11 11 0
kmalloc-512 856 856 512 8 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 107 107 0
kmalloc-256 64 64 256 16 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0
kmalloc-192 126 126 192 21 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 6 6 0
kmalloc-128 1056 1056 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 33 33 0
kmalloc-64 5302 5312 64 64 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 83 83 0
kmem_cache_node 128 128 64 64 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 2 2 0
kmem_cache 128 128 128 32 1 : tunables 0 0
0 : slabdata 4 4 0

s64lp64:
[ 0.000000] Virtual kernel memory layout:
[ 0.000000] fixmap : 0xff1bfffffee00000 - 0xff1bffffff000000
(2048 kB)
[ 0.000000] pci io : 0xff1bffffff000000 - 0xff1c000000000000
( 16 MB)
[ 0.000000] vmemmap : 0xff1c000000000000 - 0xff20000000000000
(1024 TB)
[ 0.000000] vmalloc : 0xff20000000000000 - 0xff60000000000000
(16384 TB)
[ 0.000000] modules : 0xffffffff01579000 - 0xffffffff80000000
(2026 MB)
[ 0.000000] lowmem : 0xff60000000000000 - 0xff60000008000000
( 128 MB)
[ 0.000000] kernel : 0xffffffff80000000 - 0xffffffffffffffff
(2047 MB)
[ 0.000000] Memory: 89380K/131072K available (8638K kernel code,
4979K rwdata, 4096K rodata, 2191K init, 477K bss, 41692K reserved, 0K
cma-reserved)
...
# free
total used free shared buff/cache available
Mem: 91568 11472 76264 48 3832 76376
Swap: 0 0 0
# cat /proc/meminfo
MemTotal: 91568 kB
MemFree: 76220 kB
MemAvailable: 76352 kB
Buffers: 292 kB
Cached: 2488 kB
SwapCached: 0 kB
Active: 2560 kB
Inactive: 656 kB
Active(anon): 44 kB
Inactive(anon): 440 kB
Active(file): 2516 kB
Inactive(file): 216 kB
Unevictable: 0 kB
Mlocked: 0 kB
SwapTotal: 0 kB
SwapFree: 0 kB
Dirty: 16 kB
Writeback: 0 kB
AnonPages: 480 kB
Mapped: 1804 kB
Shmem: 48 kB
KReclaimable: 1092 kB
Slab: 6900 kB
SReclaimable: 1092 kB
SUnreclaim: 5808 kB
KernelStack: 688 kB
PageTables: 120 kB
SecPageTables: 0 kB
NFS_Unstable: 0 kB
Bounce: 0 kB
WritebackTmp: 0 kB
CommitLimit: 45784 kB
Committed_AS: 2044 kB
VmallocTotal: 17592186044416 kB
VmallocUsed: 904 kB
VmallocChunk: 0 kB
Percpu: 88 kB
HugePages_Total: 0
HugePages_Free: 0
HugePages_Rsvd: 0
HugePages_Surp: 0
Hugepagesize: 2048 kB
Hugetlb: 0 kB
# cat /proc/slabinfo
slabinfo - version: 2.1
# name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab>
<pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> :
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[35/1689]
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>
> Arnd



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Best Regards
Guo Ren