Documentation/packing.txt

   1 ================================================
   2 Generic bitfield packing and unpacking functions
   3 ================================================
   4
   5 Problem statement
   6 -----------------
   7
   8 When working with hardware, one has to choose between several approaches of
   9 interfacing with it.
  10 One can memory-map a pointer to a carefully crafted struct over the hardware
  11 device's memory region, and access its fields as struct members (potentially
  12 declared as bitfields). But writing code this way would make it less portable,
  13 due to potential endianness mismatches between the CPU and the hardware device.
  14 Additionally, one has to pay close attention when translating register
  15 definitions from the hardware documentation into bit field indices for the
  16 structs. Also, some hardware (typically networking equipment) tends to group
  17 its register fields in ways that violate any reasonable word boundaries
  18 (sometimes even 64 bit ones). This creates the inconvenience of having to
  19 define "high" and "low" portions of register fields within the struct.
  20 A more robust alternative to struct field definitions would be to extract the
  21 required fields by shifting the appropriate number of bits. But this would
  22 still not protect from endianness mismatches, except if all memory accesses
  23 were performed byte-by-byte. Also the code can easily get cluttered, and the
  24 high-level idea might get lost among the many bit shifts required.
  25 Many drivers take the bit-shifting approach and then attempt to reduce the
  26 clutter with tailored macros, but more often than not these macros take
  27 shortcuts that still prevent the code from being truly portable.
  28
  29 The solution
  30 ------------
  31
  32 This API deals with 2 basic operations:
  33   - Packing a CPU-usable number into a memory buffer (with hardware
  34     constraints/quirks)
  35   - Unpacking a memory buffer (which has hardware constraints/quirks)
  36     into a CPU-usable number.
  37
  38 The API offers an abstraction over said hardware constraints and quirks,
  39 over CPU endianness and therefore between possible mismatches between
  40 the two.
  41
  42 The basic unit of these API functions is the u64. From the CPU's
  43 perspective, bit 63 always means bit offset 7 of byte 7, albeit only
  44 logically. The question is: where do we lay this bit out in memory?
  45
  46 The following examples cover the memory layout of a packed u64 field.
  47 The byte offsets in the packed buffer are always implicitly 0, 1, ... 7.
  48 What the examples show is where the logical bytes and bits sit.
  49
  50 1. Normally (no quirks), we would do it like this:
  51
  52 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32
  53 7                       6                       5                        4
  54 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0
  55 3                       2                       1                        0
  56
  57 That is, the MSByte (7) of the CPU-usable u64 sits at memory offset 0, and the
  58 LSByte (0) of the u64 sits at memory offset 7.
  59 This corresponds to what most folks would regard to as "big endian", where
  60 bit i corresponds to the number 2^i. This is also referred to in the code
  61 comments as "logical" notation.
  62
  63
  64 2. If QUIRK_MSB_ON_THE_RIGHT is set, we do it like this:
  65
  66 56 57 58 59 60 61 62 63 48 49 50 51 52 53 54 55 40 41 42 43 44 45 46 47 32 33 34 35 36 37 38 39
  67 7                       6                        5                       4
  68 24 25 26 27 28 29 30 31 16 17 18 19 20 21 22 23  8  9 10 11 12 13 14 15  0  1  2  3  4  5  6  7
  69 3                       2                        1                       0
  70
  71 That is, QUIRK_MSB_ON_THE_RIGHT does not affect byte positioning, but
  72 inverts bit offsets inside a byte.
  73
  74
  75 3. If QUIRK_LITTLE_ENDIAN is set, we do it like this:
  76
  77 39 38 37 36 35 34 33 32 47 46 45 44 43 42 41 40 55 54 53 52 51 50 49 48 63 62 61 60 59 58 57 56
  78 4                       5                       6                       7
  79 7  6  5  4  3  2  1  0  15 14 13 12 11 10  9  8 23 22 21 20 19 18 17 16 31 30 29 28 27 26 25 24
  80 0                       1                       2                       3
  81
  82 Therefore, QUIRK_LITTLE_ENDIAN means that inside the memory region, every
  83 byte from each 4-byte word is placed at its mirrored position compared to
  84 the boundary of that word.
  85
  86 4. If QUIRK_MSB_ON_THE_RIGHT and QUIRK_LITTLE_ENDIAN are both set, we do it
  87    like this:
  88
  89 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63
  90 4                       5                       6                       7
  91 0  1  2  3  4  5  6  7  8   9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
  92 0                       1                       2                       3
  93
  94
  95 5. If just QUIRK_LSW32_IS_FIRST is set, we do it like this:
  96
  97 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0
  98 3                       2                       1                        0
  99 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32
 100 7                       6                       5                        4
 101
 102 In this case the 8 byte memory region is interpreted as follows: first
 103 4 bytes correspond to the least significant 4-byte word, next 4 bytes to
 104 the more significant 4-byte word.
 105
 106
 107 6. If QUIRK_LSW32_IS_FIRST and QUIRK_MSB_ON_THE_RIGHT are set, we do it like
 108    this:
 109
 110 24 25 26 27 28 29 30 31 16 17 18 19 20 21 22 23  8  9 10 11 12 13 14 15  0  1  2  3  4  5  6  7
 111 3                       2                        1                       0
 112 56 57 58 59 60 61 62 63 48 49 50 51 52 53 54 55 40 41 42 43 44 45 46 47 32 33 34 35 36 37 38 39
 113 7                       6                        5                       4
 114
 115
 116 7. If QUIRK_LSW32_IS_FIRST and QUIRK_LITTLE_ENDIAN are set, it looks like
 117    this:
 118
 119 7  6  5  4  3  2  1  0  15 14 13 12 11 10  9  8 23 22 21 20 19 18 17 16 31 30 29 28 27 26 25 24
 120 0                       1                       2                       3
 121 39 38 37 36 35 34 33 32 47 46 45 44 43 42 41 40 55 54 53 52 51 50 49 48 63 62 61 60 59 58 57 56
 122 4                       5                       6                       7
 123
 124
 125 8. If QUIRK_LSW32_IS_FIRST, QUIRK_LITTLE_ENDIAN and QUIRK_MSB_ON_THE_RIGHT
 126    are set, it looks like this:
 127
 128 0  1  2  3  4  5  6  7  8   9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
 129 0                       1                       2                       3
 130 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63
 131 4                       5                       6                       7
 132
 133
 134 We always think of our offsets as if there were no quirk, and we translate
 135 them afterwards, before accessing the memory region.
 136
 137 Intended use
 138 ------------
 139
 140 Drivers that opt to use this API first need to identify which of the above 3
 141 quirk combinations (for a total of 8) match what the hardware documentation
 142 describes. Then they should wrap the packing() function, creating a new
 143 xxx_packing() that calls it using the proper QUIRK_* one-hot bits set.
 144
 145 The packing() function returns an int-encoded error code, which protects the
 146 programmer against incorrect API use.  The errors are not expected to occur
 147 durring runtime, therefore it is reasonable for xxx_packing() to return void
 148 and simply swallow those errors. Optionally it can dump stack or print the
 149 error description.