MAINTAINERS: Update Lorenzo Pieralisi's email address
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / driver-api / dmaengine / provider.rst
1 ==================================
2 DMAengine controller documentation
3 ==================================
4
5 Hardware Introduction
6 =====================
7
8 Most of the Slave DMA controllers have the same general principles of
9 operations.
10
11 They have a given number of channels to use for the DMA transfers, and
12 a given number of requests lines.
13
14 Requests and channels are pretty much orthogonal. Channels can be used
15 to serve several to any requests. To simplify, channels are the
16 entities that will be doing the copy, and requests what endpoints are
17 involved.
18
19 The request lines actually correspond to physical lines going from the
20 DMA-eligible devices to the controller itself. Whenever the device
21 will want to start a transfer, it will assert a DMA request (DRQ) by
22 asserting that request line.
23
24 A very simple DMA controller would only take into account a single
25 parameter: the transfer size. At each clock cycle, it would transfer a
26 byte of data from one buffer to another, until the transfer size has
27 been reached.
28
29 That wouldn't work well in the real world, since slave devices might
30 require a specific number of bits to be transferred in a single
31 cycle. For example, we may want to transfer as much data as the
32 physical bus allows to maximize performances when doing a simple
33 memory copy operation, but our audio device could have a narrower FIFO
34 that requires data to be written exactly 16 or 24 bits at a time. This
35 is why most if not all of the DMA controllers can adjust this, using a
36 parameter called the transfer width.
37
38 Moreover, some DMA controllers, whenever the RAM is used as a source
39 or destination, can group the reads or writes in memory into a buffer,
40 so instead of having a lot of small memory accesses, which is not
41 really efficient, you'll get several bigger transfers. This is done
42 using a parameter called the burst size, that defines how many single
43 reads/writes it's allowed to do without the controller splitting the
44 transfer into smaller sub-transfers.
45
46 Our theoretical DMA controller would then only be able to do transfers
47 that involve a single contiguous block of data. However, some of the
48 transfers we usually have are not, and want to copy data from
49 non-contiguous buffers to a contiguous buffer, which is called
50 scatter-gather.
51
52 DMAEngine, at least for mem2dev transfers, require support for
53 scatter-gather. So we're left with two cases here: either we have a
54 quite simple DMA controller that doesn't support it, and we'll have to
55 implement it in software, or we have a more advanced DMA controller,
56 that implements in hardware scatter-gather.
57
58 The latter are usually programmed using a collection of chunks to
59 transfer, and whenever the transfer is started, the controller will go
60 over that collection, doing whatever we programmed there.
61
62 This collection is usually either a table or a linked list. You will
63 then push either the address of the table and its number of elements,
64 or the first item of the list to one channel of the DMA controller,
65 and whenever a DRQ will be asserted, it will go through the collection
66 to know where to fetch the data from.
67
68 Either way, the format of this collection is completely dependent on
69 your hardware. Each DMA controller will require a different structure,
70 but all of them will require, for every chunk, at least the source and
71 destination addresses, whether it should increment these addresses or
72 not and the three parameters we saw earlier: the burst size, the
73 transfer width and the transfer size.
74
75 The one last thing is that usually, slave devices won't issue DRQ by
76 default, and you have to enable this in your slave device driver first
77 whenever you're willing to use DMA.
78
79 These were just the general memory-to-memory (also called mem2mem) or
80 memory-to-device (mem2dev) kind of transfers. Most devices often
81 support other kind of transfers or memory operations that dmaengine
82 support and will be detailed later in this document.
83
84 DMA Support in Linux
85 ====================
86
87 Historically, DMA controller drivers have been implemented using the
88 async TX API, to offload operations such as memory copy, XOR,
89 cryptography, etc., basically any memory to memory operation.
90
91 Over time, the need for memory to device transfers arose, and
92 dmaengine was extended. Nowadays, the async TX API is written as a
93 layer on top of dmaengine, and acts as a client. Still, dmaengine
94 accommodates that API in some cases, and made some design choices to
95 ensure that it stayed compatible.
96
97 For more information on the Async TX API, please look the relevant
98 documentation file in Documentation/crypto/async-tx-api.rst.
99
100 DMAEngine APIs
101 ==============
102
103 ``struct dma_device`` Initialization
104 ------------------------------------
105
106 Just like any other kernel framework, the whole DMAEngine registration
107 relies on the driver filling a structure and registering against the
108 framework. In our case, that structure is dma_device.
109
110 The first thing you need to do in your driver is to allocate this
111 structure. Any of the usual memory allocators will do, but you'll also
112 need to initialize a few fields in there:
113
114 - ``channels``: should be initialized as a list using the
115   INIT_LIST_HEAD macro for example
116
117 - ``src_addr_widths``:
118   should contain a bitmask of the supported source transfer width
119
120 - ``dst_addr_widths``:
121   should contain a bitmask of the supported destination transfer width
122
123 - ``directions``:
124   should contain a bitmask of the supported slave directions
125   (i.e. excluding mem2mem transfers)
126
127 - ``residue_granularity``:
128   granularity of the transfer residue reported to dma_set_residue.
129   This can be either:
130
131   - Descriptor:
132     your device doesn't support any kind of residue
133     reporting. The framework will only know that a particular
134     transaction descriptor is done.
135
136   - Segment:
137     your device is able to report which chunks have been transferred
138
139   - Burst:
140     your device is able to report which burst have been transferred
141
142 - ``dev``: should hold the pointer to the ``struct device`` associated
143   to your current driver instance.
144
145 Supported transaction types
146 ---------------------------
147
148 The next thing you need is to set which transaction types your device
149 (and driver) supports.
150
151 Our ``dma_device structure`` has a field called cap_mask that holds the
152 various types of transaction supported, and you need to modify this
153 mask using the dma_cap_set function, with various flags depending on
154 transaction types you support as an argument.
155
156 All those capabilities are defined in the ``dma_transaction_type enum``,
157 in ``include/linux/dmaengine.h``
158
159 Currently, the types available are:
160
161 - DMA_MEMCPY
162
163   - The device is able to do memory to memory copies
164
165 - - DMA_MEMCPY_SG
166
167   - The device supports memory to memory scatter-gather transfers.
168
169   - Even though a plain memcpy can look like a particular case of a
170     scatter-gather transfer, with a single chunk to copy, it's a distinct
171     transaction type in the mem2mem transfer case. This is because some very
172     simple devices might be able to do contiguous single-chunk memory copies,
173     but have no support for more complex SG transfers.
174
175   - No matter what the overall size of the combined chunks for source and
176     destination is, only as many bytes as the smallest of the two will be
177     transmitted. That means the number and size of the scatter-gather buffers in
178     both lists need not be the same, and that the operation functionally is
179     equivalent to a ``strncpy`` where the ``count`` argument equals the smallest
180     total size of the two scatter-gather list buffers.
181
182   - It's usually used for copying pixel data between host memory and
183     memory-mapped GPU device memory, such as found on modern PCI video graphics
184     cards. The most immediate example is the OpenGL API function
185     ``glReadPielx()``, which might require a verbatim copy of a huge framebuffer
186     from local device memory onto host memory.
187
188 - DMA_XOR
189
190   - The device is able to perform XOR operations on memory areas
191
192   - Used to accelerate XOR intensive tasks, such as RAID5
193
194 - DMA_XOR_VAL
195
196   - The device is able to perform parity check using the XOR
197     algorithm against a memory buffer.
198
199 - DMA_PQ
200
201   - The device is able to perform RAID6 P+Q computations, P being a
202     simple XOR, and Q being a Reed-Solomon algorithm.
203
204 - DMA_PQ_VAL
205
206   - The device is able to perform parity check using RAID6 P+Q
207     algorithm against a memory buffer.
208
209 - DMA_INTERRUPT
210
211   - The device is able to trigger a dummy transfer that will
212     generate periodic interrupts
213
214   - Used by the client drivers to register a callback that will be
215     called on a regular basis through the DMA controller interrupt
216
217 - DMA_PRIVATE
218
219   - The devices only supports slave transfers, and as such isn't
220     available for async transfers.
221
222 - DMA_ASYNC_TX
223
224   - Must not be set by the device, and will be set by the framework
225     if needed
226
227   - TODO: What is it about?
228
229 - DMA_SLAVE
230
231   - The device can handle device to memory transfers, including
232     scatter-gather transfers.
233
234   - While in the mem2mem case we were having two distinct types to
235     deal with a single chunk to copy or a collection of them, here,
236     we just have a single transaction type that is supposed to
237     handle both.
238
239   - If you want to transfer a single contiguous memory buffer,
240     simply build a scatter list with only one item.
241
242 - DMA_CYCLIC
243
244   - The device can handle cyclic transfers.
245
246   - A cyclic transfer is a transfer where the chunk collection will
247     loop over itself, with the last item pointing to the first.
248
249   - It's usually used for audio transfers, where you want to operate
250     on a single ring buffer that you will fill with your audio data.
251
252 - DMA_INTERLEAVE
253
254   - The device supports interleaved transfer.
255
256   - These transfers can transfer data from a non-contiguous buffer
257     to a non-contiguous buffer, opposed to DMA_SLAVE that can
258     transfer data from a non-contiguous data set to a continuous
259     destination buffer.
260
261   - It's usually used for 2d content transfers, in which case you
262     want to transfer a portion of uncompressed data directly to the
263     display to print it
264
265 - DMA_COMPLETION_NO_ORDER
266
267   - The device does not support in order completion.
268
269   - The driver should return DMA_OUT_OF_ORDER for device_tx_status if
270     the device is setting this capability.
271
272   - All cookie tracking and checking API should be treated as invalid if
273     the device exports this capability.
274
275   - At this point, this is incompatible with polling option for dmatest.
276
277   - If this cap is set, the user is recommended to provide an unique
278     identifier for each descriptor sent to the DMA device in order to
279     properly track the completion.
280
281 - DMA_REPEAT
282
283   - The device supports repeated transfers. A repeated transfer, indicated by
284     the DMA_PREP_REPEAT transfer flag, is similar to a cyclic transfer in that
285     it gets automatically repeated when it ends, but can additionally be
286     replaced by the client.
287
288   - This feature is limited to interleaved transfers, this flag should thus not
289     be set if the DMA_INTERLEAVE flag isn't set. This limitation is based on
290     the current needs of DMA clients, support for additional transfer types
291     should be added in the future if and when the need arises.
292
293 - DMA_LOAD_EOT
294
295   - The device supports replacing repeated transfers at end of transfer (EOT)
296     by queuing a new transfer with the DMA_PREP_LOAD_EOT flag set.
297
298   - Support for replacing a currently running transfer at another point (such
299     as end of burst instead of end of transfer) will be added in the future
300     based on DMA clients needs, if and when the need arises.
301
302 These various types will also affect how the source and destination
303 addresses change over time.
304
305 Addresses pointing to RAM are typically incremented (or decremented)
306 after each transfer. In case of a ring buffer, they may loop
307 (DMA_CYCLIC). Addresses pointing to a device's register (e.g. a FIFO)
308 are typically fixed.
309
310 Per descriptor metadata support
311 -------------------------------
312 Some data movement architecture (DMA controller and peripherals) uses metadata
313 associated with a transaction. The DMA controller role is to transfer the
314 payload and the metadata alongside.
315 The metadata itself is not used by the DMA engine itself, but it contains
316 parameters, keys, vectors, etc for peripheral or from the peripheral.
317
318 The DMAengine framework provides a generic ways to facilitate the metadata for
319 descriptors. Depending on the architecture the DMA driver can implement either
320 or both of the methods and it is up to the client driver to choose which one
321 to use.
322
323 - DESC_METADATA_CLIENT
324
325   The metadata buffer is allocated/provided by the client driver and it is
326   attached (via the dmaengine_desc_attach_metadata() helper to the descriptor.
327
328   From the DMA driver the following is expected for this mode:
329
330   - DMA_MEM_TO_DEV / DEV_MEM_TO_MEM
331
332     The data from the provided metadata buffer should be prepared for the DMA
333     controller to be sent alongside of the payload data. Either by copying to a
334     hardware descriptor, or highly coupled packet.
335
336   - DMA_DEV_TO_MEM
337
338     On transfer completion the DMA driver must copy the metadata to the client
339     provided metadata buffer before notifying the client about the completion.
340     After the transfer completion, DMA drivers must not touch the metadata
341     buffer provided by the client.
342
343 - DESC_METADATA_ENGINE
344
345   The metadata buffer is allocated/managed by the DMA driver. The client driver
346   can ask for the pointer, maximum size and the currently used size of the
347   metadata and can directly update or read it. dmaengine_desc_get_metadata_ptr()
348   and dmaengine_desc_set_metadata_len() is provided as helper functions.
349
350   From the DMA driver the following is expected for this mode:
351
352   - get_metadata_ptr()
353
354     Should return a pointer for the metadata buffer, the maximum size of the
355     metadata buffer and the currently used / valid (if any) bytes in the buffer.
356
357   - set_metadata_len()
358
359     It is called by the clients after it have placed the metadata to the buffer
360     to let the DMA driver know the number of valid bytes provided.
361
362   Note: since the client will ask for the metadata pointer in the completion
363   callback (in DMA_DEV_TO_MEM case) the DMA driver must ensure that the
364   descriptor is not freed up prior the callback is called.
365
366 Device operations
367 -----------------
368
369 Our dma_device structure also requires a few function pointers in
370 order to implement the actual logic, now that we described what
371 operations we were able to perform.
372
373 The functions that we have to fill in there, and hence have to
374 implement, obviously depend on the transaction types you reported as
375 supported.
376
377 - ``device_alloc_chan_resources``
378
379 - ``device_free_chan_resources``
380
381   - These functions will be called whenever a driver will call
382     ``dma_request_channel`` or ``dma_release_channel`` for the first/last
383     time on the channel associated to that driver.
384
385   - They are in charge of allocating/freeing all the needed
386     resources in order for that channel to be useful for your driver.
387
388   - These functions can sleep.
389
390 - ``device_prep_dma_*``
391
392   - These functions are matching the capabilities you registered
393     previously.
394
395   - These functions all take the buffer or the scatterlist relevant
396     for the transfer being prepared, and should create a hardware
397     descriptor or a list of hardware descriptors from it
398
399   - These functions can be called from an interrupt context
400
401   - Any allocation you might do should be using the GFP_NOWAIT
402     flag, in order not to potentially sleep, but without depleting
403     the emergency pool either.
404
405   - Drivers should try to pre-allocate any memory they might need
406     during the transfer setup at probe time to avoid putting to
407     much pressure on the nowait allocator.
408
409   - It should return a unique instance of the
410     ``dma_async_tx_descriptor structure``, that further represents this
411     particular transfer.
412
413   - This structure can be initialized using the function
414     ``dma_async_tx_descriptor_init``.
415
416   - You'll also need to set two fields in this structure:
417
418     - flags:
419       TODO: Can it be modified by the driver itself, or
420       should it be always the flags passed in the arguments
421
422     - tx_submit: A pointer to a function you have to implement,
423       that is supposed to push the current transaction descriptor to a
424       pending queue, waiting for issue_pending to be called.
425
426   - In this structure the function pointer callback_result can be
427     initialized in order for the submitter to be notified that a
428     transaction has completed. In the earlier code the function pointer
429     callback has been used. However it does not provide any status to the
430     transaction and will be deprecated. The result structure defined as
431     ``dmaengine_result`` that is passed in to callback_result
432     has two fields:
433
434     - result: This provides the transfer result defined by
435       ``dmaengine_tx_result``. Either success or some error condition.
436
437     - residue: Provides the residue bytes of the transfer for those that
438       support residue.
439
440 - ``device_issue_pending``
441
442   - Takes the first transaction descriptor in the pending queue,
443     and starts the transfer. Whenever that transfer is done, it
444     should move to the next transaction in the list.
445
446   - This function can be called in an interrupt context
447
448 - ``device_tx_status``
449
450   - Should report the bytes left to go over on the given channel
451
452   - Should only care about the transaction descriptor passed as
453     argument, not the currently active one on a given channel
454
455   - The tx_state argument might be NULL
456
457   - Should use dma_set_residue to report it
458
459   - In the case of a cyclic transfer, it should only take into
460     account the current period.
461
462   - Should return DMA_OUT_OF_ORDER if the device does not support in order
463     completion and is completing the operation out of order.
464
465   - This function can be called in an interrupt context.
466
467 - device_config
468
469   - Reconfigures the channel with the configuration given as argument
470
471   - This command should NOT perform synchronously, or on any
472     currently queued transfers, but only on subsequent ones
473
474   - In this case, the function will receive a ``dma_slave_config``
475     structure pointer as an argument, that will detail which
476     configuration to use.
477
478   - Even though that structure contains a direction field, this
479     field is deprecated in favor of the direction argument given to
480     the prep_* functions
481
482   - This call is mandatory for slave operations only. This should NOT be
483     set or expected to be set for memcpy operations.
484     If a driver support both, it should use this call for slave
485     operations only and not for memcpy ones.
486
487 - device_pause
488
489   - Pauses a transfer on the channel
490
491   - This command should operate synchronously on the channel,
492     pausing right away the work of the given channel
493
494 - device_resume
495
496   - Resumes a transfer on the channel
497
498   - This command should operate synchronously on the channel,
499     resuming right away the work of the given channel
500
501 - device_terminate_all
502
503   - Aborts all the pending and ongoing transfers on the channel
504
505   - For aborted transfers the complete callback should not be called
506
507   - Can be called from atomic context or from within a complete
508     callback of a descriptor. Must not sleep. Drivers must be able
509     to handle this correctly.
510
511   - Termination may be asynchronous. The driver does not have to
512     wait until the currently active transfer has completely stopped.
513     See device_synchronize.
514
515 - device_synchronize
516
517   - Must synchronize the termination of a channel to the current
518     context.
519
520   - Must make sure that memory for previously submitted
521     descriptors is no longer accessed by the DMA controller.
522
523   - Must make sure that all complete callbacks for previously
524     submitted descriptors have finished running and none are
525     scheduled to run.
526
527   - May sleep.
528
529
530 Misc notes
531 ==========
532
533 (stuff that should be documented, but don't really know
534 where to put them)
535
536 ``dma_run_dependencies``
537
538 - Should be called at the end of an async TX transfer, and can be
539   ignored in the slave transfers case.
540
541 - Makes sure that dependent operations are run before marking it
542   as complete.
543
544 dma_cookie_t
545
546 - it's a DMA transaction ID that will increment over time.
547
548 - Not really relevant any more since the introduction of ``virt-dma``
549   that abstracts it away.
550
551 DMA_CTRL_ACK
552
553 - If clear, the descriptor cannot be reused by provider until the
554   client acknowledges receipt, i.e. has a chance to establish any
555   dependency chains
556
557 - This can be acked by invoking async_tx_ack()
558
559 - If set, does not mean descriptor can be reused
560
561 DMA_CTRL_REUSE
562
563 - If set, the descriptor can be reused after being completed. It should
564   not be freed by provider if this flag is set.
565
566 - The descriptor should be prepared for reuse by invoking
567   ``dmaengine_desc_set_reuse()`` which will set DMA_CTRL_REUSE.
568
569 - ``dmaengine_desc_set_reuse()`` will succeed only when channel support
570   reusable descriptor as exhibited by capabilities
571
572 - As a consequence, if a device driver wants to skip the
573   ``dma_map_sg()`` and ``dma_unmap_sg()`` in between 2 transfers,
574   because the DMA'd data wasn't used, it can resubmit the transfer right after
575   its completion.
576
577 - Descriptor can be freed in few ways
578
579   - Clearing DMA_CTRL_REUSE by invoking
580     ``dmaengine_desc_clear_reuse()`` and submitting for last txn
581
582   - Explicitly invoking ``dmaengine_desc_free()``, this can succeed only
583     when DMA_CTRL_REUSE is already set
584
585   - Terminating the channel
586
587 - DMA_PREP_CMD
588
589   - If set, the client driver tells DMA controller that passed data in DMA
590     API is command data.
591
592   - Interpretation of command data is DMA controller specific. It can be
593     used for issuing commands to other peripherals/register reads/register
594     writes for which the descriptor should be in different format from
595     normal data descriptors.
596
597 - DMA_PREP_REPEAT
598
599   - If set, the transfer will be automatically repeated when it ends until a
600     new transfer is queued on the same channel with the DMA_PREP_LOAD_EOT flag.
601     If the next transfer to be queued on the channel does not have the
602     DMA_PREP_LOAD_EOT flag set, the current transfer will be repeated until the
603     client terminates all transfers.
604
605   - This flag is only supported if the channel reports the DMA_REPEAT
606     capability.
607
608 - DMA_PREP_LOAD_EOT
609
610   - If set, the transfer will replace the transfer currently being executed at
611     the end of the transfer.
612
613   - This is the default behaviour for non-repeated transfers, specifying
614     DMA_PREP_LOAD_EOT for non-repeated transfers will thus make no difference.
615
616   - When using repeated transfers, DMA clients will usually need to set the
617     DMA_PREP_LOAD_EOT flag on all transfers, otherwise the channel will keep
618     repeating the last repeated transfer and ignore the new transfers being
619     queued. Failure to set DMA_PREP_LOAD_EOT will appear as if the channel was
620     stuck on the previous transfer.
621
622   - This flag is only supported if the channel reports the DMA_LOAD_EOT
623     capability.
624
625 General Design Notes
626 ====================
627
628 Most of the DMAEngine drivers you'll see are based on a similar design
629 that handles the end of transfer interrupts in the handler, but defer
630 most work to a tasklet, including the start of a new transfer whenever
631 the previous transfer ended.
632
633 This is a rather inefficient design though, because the inter-transfer
634 latency will be not only the interrupt latency, but also the
635 scheduling latency of the tasklet, which will leave the channel idle
636 in between, which will slow down the global transfer rate.
637
638 You should avoid this kind of practice, and instead of electing a new
639 transfer in your tasklet, move that part to the interrupt handler in
640 order to have a shorter idle window (that we can't really avoid
641 anyway).
642
643 Glossary
644 ========
645
646 - Burst: A number of consecutive read or write operations that
647   can be queued to buffers before being flushed to memory.
648
649 - Chunk: A contiguous collection of bursts
650
651 - Transfer: A collection of chunks (be it contiguous or not)