Merge 'irq/loongarch', 'pci/ctrl/loongson' and 'pci/header-cleanup-immutable'
[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_MEMSET
210
211   - The device is able to fill memory with the provided pattern
212
213   - The pattern is treated as a single byte signed value.
214
215 - DMA_INTERRUPT
216
217   - The device is able to trigger a dummy transfer that will
218     generate periodic interrupts
219
220   - Used by the client drivers to register a callback that will be
221     called on a regular basis through the DMA controller interrupt
222
223 - DMA_PRIVATE
224
225   - The devices only supports slave transfers, and as such isn't
226     available for async transfers.
227
228 - DMA_ASYNC_TX
229
230   - Must not be set by the device, and will be set by the framework
231     if needed
232
233   - TODO: What is it about?
234
235 - DMA_SLAVE
236
237   - The device can handle device to memory transfers, including
238     scatter-gather transfers.
239
240   - While in the mem2mem case we were having two distinct types to
241     deal with a single chunk to copy or a collection of them, here,
242     we just have a single transaction type that is supposed to
243     handle both.
244
245   - If you want to transfer a single contiguous memory buffer,
246     simply build a scatter list with only one item.
247
248 - DMA_CYCLIC
249
250   - The device can handle cyclic transfers.
251
252   - A cyclic transfer is a transfer where the chunk collection will
253     loop over itself, with the last item pointing to the first.
254
255   - It's usually used for audio transfers, where you want to operate
256     on a single ring buffer that you will fill with your audio data.
257
258 - DMA_INTERLEAVE
259
260   - The device supports interleaved transfer.
261
262   - These transfers can transfer data from a non-contiguous buffer
263     to a non-contiguous buffer, opposed to DMA_SLAVE that can
264     transfer data from a non-contiguous data set to a continuous
265     destination buffer.
266
267   - It's usually used for 2d content transfers, in which case you
268     want to transfer a portion of uncompressed data directly to the
269     display to print it
270
271 - DMA_COMPLETION_NO_ORDER
272
273   - The device does not support in order completion.
274
275   - The driver should return DMA_OUT_OF_ORDER for device_tx_status if
276     the device is setting this capability.
277
278   - All cookie tracking and checking API should be treated as invalid if
279     the device exports this capability.
280
281   - At this point, this is incompatible with polling option for dmatest.
282
283   - If this cap is set, the user is recommended to provide an unique
284     identifier for each descriptor sent to the DMA device in order to
285     properly track the completion.
286
287 - DMA_REPEAT
288
289   - The device supports repeated transfers. A repeated transfer, indicated by
290     the DMA_PREP_REPEAT transfer flag, is similar to a cyclic transfer in that
291     it gets automatically repeated when it ends, but can additionally be
292     replaced by the client.
293
294   - This feature is limited to interleaved transfers, this flag should thus not
295     be set if the DMA_INTERLEAVE flag isn't set. This limitation is based on
296     the current needs of DMA clients, support for additional transfer types
297     should be added in the future if and when the need arises.
298
299 - DMA_LOAD_EOT
300
301   - The device supports replacing repeated transfers at end of transfer (EOT)
302     by queuing a new transfer with the DMA_PREP_LOAD_EOT flag set.
303
304   - Support for replacing a currently running transfer at another point (such
305     as end of burst instead of end of transfer) will be added in the future
306     based on DMA clients needs, if and when the need arises.
307
308 These various types will also affect how the source and destination
309 addresses change over time.
310
311 Addresses pointing to RAM are typically incremented (or decremented)
312 after each transfer. In case of a ring buffer, they may loop
313 (DMA_CYCLIC). Addresses pointing to a device's register (e.g. a FIFO)
314 are typically fixed.
315
316 Per descriptor metadata support
317 -------------------------------
318 Some data movement architecture (DMA controller and peripherals) uses metadata
319 associated with a transaction. The DMA controller role is to transfer the
320 payload and the metadata alongside.
321 The metadata itself is not used by the DMA engine itself, but it contains
322 parameters, keys, vectors, etc for peripheral or from the peripheral.
323
324 The DMAengine framework provides a generic ways to facilitate the metadata for
325 descriptors. Depending on the architecture the DMA driver can implement either
326 or both of the methods and it is up to the client driver to choose which one
327 to use.
328
329 - DESC_METADATA_CLIENT
330
331   The metadata buffer is allocated/provided by the client driver and it is
332   attached (via the dmaengine_desc_attach_metadata() helper to the descriptor.
333
334   From the DMA driver the following is expected for this mode:
335
336   - DMA_MEM_TO_DEV / DEV_MEM_TO_MEM
337
338     The data from the provided metadata buffer should be prepared for the DMA
339     controller to be sent alongside of the payload data. Either by copying to a
340     hardware descriptor, or highly coupled packet.
341
342   - DMA_DEV_TO_MEM
343
344     On transfer completion the DMA driver must copy the metadata to the client
345     provided metadata buffer before notifying the client about the completion.
346     After the transfer completion, DMA drivers must not touch the metadata
347     buffer provided by the client.
348
349 - DESC_METADATA_ENGINE
350
351   The metadata buffer is allocated/managed by the DMA driver. The client driver
352   can ask for the pointer, maximum size and the currently used size of the
353   metadata and can directly update or read it. dmaengine_desc_get_metadata_ptr()
354   and dmaengine_desc_set_metadata_len() is provided as helper functions.
355
356   From the DMA driver the following is expected for this mode:
357
358   - get_metadata_ptr()
359
360     Should return a pointer for the metadata buffer, the maximum size of the
361     metadata buffer and the currently used / valid (if any) bytes in the buffer.
362
363   - set_metadata_len()
364
365     It is called by the clients after it have placed the metadata to the buffer
366     to let the DMA driver know the number of valid bytes provided.
367
368   Note: since the client will ask for the metadata pointer in the completion
369   callback (in DMA_DEV_TO_MEM case) the DMA driver must ensure that the
370   descriptor is not freed up prior the callback is called.
371
372 Device operations
373 -----------------
374
375 Our dma_device structure also requires a few function pointers in
376 order to implement the actual logic, now that we described what
377 operations we were able to perform.
378
379 The functions that we have to fill in there, and hence have to
380 implement, obviously depend on the transaction types you reported as
381 supported.
382
383 - ``device_alloc_chan_resources``
384
385 - ``device_free_chan_resources``
386
387   - These functions will be called whenever a driver will call
388     ``dma_request_channel`` or ``dma_release_channel`` for the first/last
389     time on the channel associated to that driver.
390
391   - They are in charge of allocating/freeing all the needed
392     resources in order for that channel to be useful for your driver.
393
394   - These functions can sleep.
395
396 - ``device_prep_dma_*``
397
398   - These functions are matching the capabilities you registered
399     previously.
400
401   - These functions all take the buffer or the scatterlist relevant
402     for the transfer being prepared, and should create a hardware
403     descriptor or a list of hardware descriptors from it
404
405   - These functions can be called from an interrupt context
406
407   - Any allocation you might do should be using the GFP_NOWAIT
408     flag, in order not to potentially sleep, but without depleting
409     the emergency pool either.
410
411   - Drivers should try to pre-allocate any memory they might need
412     during the transfer setup at probe time to avoid putting to
413     much pressure on the nowait allocator.
414
415   - It should return a unique instance of the
416     ``dma_async_tx_descriptor structure``, that further represents this
417     particular transfer.
418
419   - This structure can be initialized using the function
420     ``dma_async_tx_descriptor_init``.
421
422   - You'll also need to set two fields in this structure:
423
424     - flags:
425       TODO: Can it be modified by the driver itself, or
426       should it be always the flags passed in the arguments
427
428     - tx_submit: A pointer to a function you have to implement,
429       that is supposed to push the current transaction descriptor to a
430       pending queue, waiting for issue_pending to be called.
431
432   - In this structure the function pointer callback_result can be
433     initialized in order for the submitter to be notified that a
434     transaction has completed. In the earlier code the function pointer
435     callback has been used. However it does not provide any status to the
436     transaction and will be deprecated. The result structure defined as
437     ``dmaengine_result`` that is passed in to callback_result
438     has two fields:
439
440     - result: This provides the transfer result defined by
441       ``dmaengine_tx_result``. Either success or some error condition.
442
443     - residue: Provides the residue bytes of the transfer for those that
444       support residue.
445
446 - ``device_issue_pending``
447
448   - Takes the first transaction descriptor in the pending queue,
449     and starts the transfer. Whenever that transfer is done, it
450     should move to the next transaction in the list.
451
452   - This function can be called in an interrupt context
453
454 - ``device_tx_status``
455
456   - Should report the bytes left to go over on the given channel
457
458   - Should only care about the transaction descriptor passed as
459     argument, not the currently active one on a given channel
460
461   - The tx_state argument might be NULL
462
463   - Should use dma_set_residue to report it
464
465   - In the case of a cyclic transfer, it should only take into
466     account the total size of the cyclic buffer.
467
468   - Should return DMA_OUT_OF_ORDER if the device does not support in order
469     completion and is completing the operation out of order.
470
471   - This function can be called in an interrupt context.
472
473 - device_config
474
475   - Reconfigures the channel with the configuration given as argument
476
477   - This command should NOT perform synchronously, or on any
478     currently queued transfers, but only on subsequent ones
479
480   - In this case, the function will receive a ``dma_slave_config``
481     structure pointer as an argument, that will detail which
482     configuration to use.
483
484   - Even though that structure contains a direction field, this
485     field is deprecated in favor of the direction argument given to
486     the prep_* functions
487
488   - This call is mandatory for slave operations only. This should NOT be
489     set or expected to be set for memcpy operations.
490     If a driver support both, it should use this call for slave
491     operations only and not for memcpy ones.
492
493 - device_pause
494
495   - Pauses a transfer on the channel
496
497   - This command should operate synchronously on the channel,
498     pausing right away the work of the given channel
499
500 - device_resume
501
502   - Resumes a transfer on the channel
503
504   - This command should operate synchronously on the channel,
505     resuming right away the work of the given channel
506
507 - device_terminate_all
508
509   - Aborts all the pending and ongoing transfers on the channel
510
511   - For aborted transfers the complete callback should not be called
512
513   - Can be called from atomic context or from within a complete
514     callback of a descriptor. Must not sleep. Drivers must be able
515     to handle this correctly.
516
517   - Termination may be asynchronous. The driver does not have to
518     wait until the currently active transfer has completely stopped.
519     See device_synchronize.
520
521 - device_synchronize
522
523   - Must synchronize the termination of a channel to the current
524     context.
525
526   - Must make sure that memory for previously submitted
527     descriptors is no longer accessed by the DMA controller.
528
529   - Must make sure that all complete callbacks for previously
530     submitted descriptors have finished running and none are
531     scheduled to run.
532
533   - May sleep.
534
535
536 Misc notes
537 ==========
538
539 (stuff that should be documented, but don't really know
540 where to put them)
541
542 ``dma_run_dependencies``
543
544 - Should be called at the end of an async TX transfer, and can be
545   ignored in the slave transfers case.
546
547 - Makes sure that dependent operations are run before marking it
548   as complete.
549
550 dma_cookie_t
551
552 - it's a DMA transaction ID that will increment over time.
553
554 - Not really relevant any more since the introduction of ``virt-dma``
555   that abstracts it away.
556
557 DMA_CTRL_ACK
558
559 - If clear, the descriptor cannot be reused by provider until the
560   client acknowledges receipt, i.e. has a chance to establish any
561   dependency chains
562
563 - This can be acked by invoking async_tx_ack()
564
565 - If set, does not mean descriptor can be reused
566
567 DMA_CTRL_REUSE
568
569 - If set, the descriptor can be reused after being completed. It should
570   not be freed by provider if this flag is set.
571
572 - The descriptor should be prepared for reuse by invoking
573   ``dmaengine_desc_set_reuse()`` which will set DMA_CTRL_REUSE.
574
575 - ``dmaengine_desc_set_reuse()`` will succeed only when channel support
576   reusable descriptor as exhibited by capabilities
577
578 - As a consequence, if a device driver wants to skip the
579   ``dma_map_sg()`` and ``dma_unmap_sg()`` in between 2 transfers,
580   because the DMA'd data wasn't used, it can resubmit the transfer right after
581   its completion.
582
583 - Descriptor can be freed in few ways
584
585   - Clearing DMA_CTRL_REUSE by invoking
586     ``dmaengine_desc_clear_reuse()`` and submitting for last txn
587
588   - Explicitly invoking ``dmaengine_desc_free()``, this can succeed only
589     when DMA_CTRL_REUSE is already set
590
591   - Terminating the channel
592
593 - DMA_PREP_CMD
594
595   - If set, the client driver tells DMA controller that passed data in DMA
596     API is command data.
597
598   - Interpretation of command data is DMA controller specific. It can be
599     used for issuing commands to other peripherals/register reads/register
600     writes for which the descriptor should be in different format from
601     normal data descriptors.
602
603 - DMA_PREP_REPEAT
604
605   - If set, the transfer will be automatically repeated when it ends until a
606     new transfer is queued on the same channel with the DMA_PREP_LOAD_EOT flag.
607     If the next transfer to be queued on the channel does not have the
608     DMA_PREP_LOAD_EOT flag set, the current transfer will be repeated until the
609     client terminates all transfers.
610
611   - This flag is only supported if the channel reports the DMA_REPEAT
612     capability.
613
614 - DMA_PREP_LOAD_EOT
615
616   - If set, the transfer will replace the transfer currently being executed at
617     the end of the transfer.
618
619   - This is the default behaviour for non-repeated transfers, specifying
620     DMA_PREP_LOAD_EOT for non-repeated transfers will thus make no difference.
621
622   - When using repeated transfers, DMA clients will usually need to set the
623     DMA_PREP_LOAD_EOT flag on all transfers, otherwise the channel will keep
624     repeating the last repeated transfer and ignore the new transfers being
625     queued. Failure to set DMA_PREP_LOAD_EOT will appear as if the channel was
626     stuck on the previous transfer.
627
628   - This flag is only supported if the channel reports the DMA_LOAD_EOT
629     capability.
630
631 General Design Notes
632 ====================
633
634 Most of the DMAEngine drivers you'll see are based on a similar design
635 that handles the end of transfer interrupts in the handler, but defer
636 most work to a tasklet, including the start of a new transfer whenever
637 the previous transfer ended.
638
639 This is a rather inefficient design though, because the inter-transfer
640 latency will be not only the interrupt latency, but also the
641 scheduling latency of the tasklet, which will leave the channel idle
642 in between, which will slow down the global transfer rate.
643
644 You should avoid this kind of practice, and instead of electing a new
645 transfer in your tasklet, move that part to the interrupt handler in
646 order to have a shorter idle window (that we can't really avoid
647 anyway).
648
649 Glossary
650 ========
651
652 - Burst: A number of consecutive read or write operations that
653   can be queued to buffers before being flushed to memory.
654
655 - Chunk: A contiguous collection of bursts
656
657 - Transfer: A collection of chunks (be it contiguous or not)