13. PAT (Page Attribute Table)

x86 页属性表 (PAT) 允许在页面粒度级别设置内存属性。PAT 是 MTRR 设置的补充，MTRR 允许在物理地址范围内设置内存类型。然而，由于 PAT 具有在页级别设置属性的能力，且对于此类属性设置的数量没有硬件限制，因此它比 MTRR 更灵活。伴随这种灵活性而来的是一些准则，即对于具有多个虚拟地址的相同物理内存，不能产生内存类型别名（aliasing）。

PAT 允许使用不同类型的内存属性。目前支持的最常用的属性有：

WB	写回 (Write-back)
UC	未缓存 (Uncached)
WC	写入合并 (Write-combined)
WT	写直通 (Write-through)
UC-	弱未缓存 (Uncached Minus)

13.1. PAT API

内核中有许多不同的 API 允许在页级别设置内存属性。为了避免别名（aliasing），应当审慎使用这些接口。下面是可用接口、其预期用途及其内存属性关系的表格。在内部，这些 API 在物理地址范围上使用 reserve_memtype()/free_memtype() 接口来避免任何别名冲突。

API	RAM	ACPI,...	保留/空洞 (Reserved/Holes)
ioremap	--	UC-	UC-
ioremap_cache	--	WB	WB
ioremap_uc	--	UC	UC
ioremap_wc	--	--	WC
ioremap_wt	--	--	WT
set_memory_uc, set_memory_wb	UC-	--	--
set_memory_wc, set_memory_wb	WC	--	--
set_memory_wt, set_memory_wb	WT	--	--
pci sysfs 资源 (resource)	--	--	UC-
pci sysfs resource_wc 为 IORESOURCE_PREFETCH	--	--	WC
pci proc !PCIIOC_WRITE_COMBINE	--	--	UC-
pci proc PCIIOC_WRITE_COMBINE	--	--	WC
/dev/mem 读写	--	WB/WC/UC-	WB/WC/UC-
/dev/mem mmap SYNC 标志	--	UC-	UC-
/dev/mem mmap !SYNC 标志及该区域的任何别名	--	WB/WC/UC- （来自现有别名）	WB/WC/UC- （来自现有别名）
/dev/mem mmap !SYNC 标志、该区域无别名且 MTRR 为 WB	--	WB	WB
/dev/mem mmap !SYNC 标志、该区域无别名且 MTRR 不为 WB (!WB)	--	--	UC-

13.2. 面向驱动的高级 API

A. 使用 remap_pfn_range、io_remap_pfn_range、vmf_insert_pfn 将页面导出给用户。

想要将某些页面导出到用户空间的驱动程序通过使用 mmap 接口以及以下组合来实现：

1. pgprot_noncached()

2. io_remap_pfn_range() 或 remap_pfn_range() 或 vmf_insert_pfn()

随着对 PAT 的支持，新增了一个 API pgprot_writecombine。因此，驱动程序可以继续使用上述序列，在第 1 步中使用 pgprot_noncached() 或 pgprot_writecombine()，然后执行第 2 步。

此外，第 2 步会在内部的 memtype 列表中将该区域跟踪为 UC 或 WC，以确保没有冲突的映射。

请注意，这组 API 仅适用于 IO（非 RAM）区域。如果驱动程序想要导出 RAM 区域，它必须在上述步骤 0 中执行 set_memory_uc() 或 set_memory_wc()，同时还要跟踪这些页面的使用情况，并在页面释放回空闲池之前使用 set_memory_wb()。

13.3. MTRR 对 PAT / 非 PAT 系统的工作影响

下表给出了在非 PAT 和 PAT 系统上，在 x86 上使用 ioremap*() 调用时使用写合并 MTRR 的效果。理想情况下，应当逐步淘汰 mtrr_add() 的使用，转而使用 arch_phys_wc_add()，它在启用 PAT 的系统上是一个空操作（no-op）。执行 arch_phys_wc_add() 的区域应该已经使用 WC 属性或 PAT 条目进行了 ioremap，这可以通过使用 ioremap_wc() / set_memory_wc() 来完成。将希望保持不可缓存的 IO 内存区域与需要写合并的区域结合在一起的设备，应考虑使用 ioremap_uc() 随后调用 set_memory_wc() 来将有效的写合并区域加入白名单。尽管如此，仍不鼓励这种用法，因为实际的内存类型被认为是实现定义的，不过对于大小受限的区域且 MTRR 写合并原本无效的设备，该策略可以作为最后手段使用。

====  =======  ===  =========================  =====================
MTRR  Non-PAT  PAT  Linux ioremap value        Effective memory type
====  =======  ===  =========================  =====================
      PAT                                        Non-PAT |  PAT
      |PCD                                               |
      ||PWT                                              |
      |||                                                |
WC    000      WB   _PAGE_CACHE_MODE_WB             WC   |   WC
WC    001      WC   _PAGE_CACHE_MODE_WC             WC*  |   WC
WC    010      UC-  _PAGE_CACHE_MODE_UC_MINUS       WC*  |   UC
WC    011      UC   _PAGE_CACHE_MODE_UC             UC   |   UC
====  =======  ===  =========================  =====================

(*) denotes implementation defined and is discouraged

注意

上表中的 -- 意味着“不建议对该 API 的此种用法”。其中一些 -- 会受到内核的严格执行。其他一些目前并未真正执行，但在未来可能会被强制执行。

对于 ioremap 以及通过 /sys 或 /proc 进行的 pci 访问 —— 如果该地址存在任何现有的别名，返回的实际类型可能会更加严格。例如：如果存在现有的未缓存映射，则新的 ioremap_wc 可能会返回未缓存映射，而不是请求的写合并映射。

set_memory_[uc|wc|wt] 和 set_memory_wb 应当成对使用，驱动程序首先将区域设为 uc、wc 或 wt，并在使用完毕后将其切换回 wb。

随着时间的推移，对 /proc/mtrr 的写入将被废弃，转而使用基于 PAT 的接口。建议向 /proc/mtrr 写入的用户使用上述接口。

驱动程序应当使用 ioremap_[uc|wc] 以 [uc|wc] 访问类型访问 PCI BAR。

驱动程序应当使用 set_memory_[uc|wc|wt] 来设置 RAM 范围的访问类型。

13.4. PAT 调试

启用 CONFIG_DEBUG_FS 后，可以通过以下方式检查 PAT memtype 列表：

# mount -t debugfs debugfs /sys/kernel/debug
# cat /sys/kernel/debug/x86/pat_memtype_list
PAT memtype list:
uncached-minus @ 0x7fadf000-0x7fae0000
uncached-minus @ 0x7fb19000-0x7fb1a000
uncached-minus @ 0x7fb1a000-0x7fb1b000
uncached-minus @ 0x7fb1b000-0x7fb1c000
uncached-minus @ 0x7fb1c000-0x7fb1d000
uncached-minus @ 0x7fb1d000-0x7fb1e000
uncached-minus @ 0x7fb1e000-0x7fb25000
uncached-minus @ 0x7fb25000-0x7fb26000
uncached-minus @ 0x7fb26000-0x7fb27000
uncached-minus @ 0x7fb27000-0x7fb28000
uncached-minus @ 0x7fb28000-0x7fb2e000
uncached-minus @ 0x7fb2e000-0x7fb2f000
uncached-minus @ 0x7fb2f000-0x7fb30000
uncached-minus @ 0x7fb31000-0x7fb32000
uncached-minus @ 0x80000000-0x90000000

此列表显示了物理地址范围以及用于访问这些物理地址范围的各种 PAT 设置。

获取 PAT 相关调试消息的另一种更详细的方法是使用 “debugpat” 启动参数。通过此参数，各种调试消息将被打印到 dmesg 日志中。

13.5. PAT 初始化

下表描述了 PAT 在各种配置下是如何初始化的。Linux 必须更新 PAT MSR 才能支持 WC 和 WT 属性。否则，PAT MSR 具有固件写入其中的值。注意，Xen 会为客户机在 PAT MSR 中启用 WC 属性。

MTRR	PAT	调用序列 (Call Sequence)	PAT 状态 (PAT State)	PAT MSR
E	E	MTRR -> PAT 初始化	已启用	OS
E	D	MTRR -> PAT 初始化	Disabled（禁用）
D	E	MTRR -> PAT 禁用	Disabled（禁用）	BIOS
D	D	MTRR -> PAT 禁用	Disabled（禁用）
	np/E	PAT -> PAT 禁用	Disabled（禁用）	BIOS
	np/D	PAT -> PAT 禁用	Disabled（禁用）
E	!P/E	MTRR -> PAT 初始化	Disabled（禁用）	BIOS
D	!P/E	MTRR -> PAT 禁用	Disabled（禁用）	BIOS
!M	!P/E	MTRR 残桩 (stub) -> PAT 禁用	Disabled（禁用）	BIOS

图例

E	CPU 中启用了该功能
D	CPU 中禁用/不支持该功能
np	指定了“nopat”引导选项
!P	未设置 CONFIG_X86_PAT 选项
!M	未设置 CONFIG_MTRR 选项
已启用	PAT 状态设为启用
Disabled（禁用）	PAT 状态设为禁用
OS	PAT 使用 OS 设置初始化 PAT MSR
BIOS	PAT 保持 PAT MSR 为 BIOS 设置