Merge series "ASoC: Fix dependency issues of SND_SOC" from Wei Li <liwei391@huawei...
[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.txt.
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_XOR
166
167   - The device is able to perform XOR operations on memory areas
168
169   - Used to accelerate XOR intensive tasks, such as RAID5
170
171 - DMA_XOR_VAL
172
173   - The device is able to perform parity check using the XOR
174     algorithm against a memory buffer.
175
176 - DMA_PQ
177
178   - The device is able to perform RAID6 P+Q computations, P being a
179     simple XOR, and Q being a Reed-Solomon algorithm.
180
181 - DMA_PQ_VAL
182
183   - The device is able to perform parity check using RAID6 P+Q
184     algorithm against a memory buffer.
185
186 - DMA_INTERRUPT
187
188   - The device is able to trigger a dummy transfer that will
189     generate periodic interrupts
190
191   - Used by the client drivers to register a callback that will be
192     called on a regular basis through the DMA controller interrupt
193
194 - DMA_PRIVATE
195
196   - The devices only supports slave transfers, and as such isn't
197     available for async transfers.
198
199 - DMA_ASYNC_TX
200
201   - Must not be set by the device, and will be set by the framework
202     if needed
203
204   - TODO: What is it about?
205
206 - DMA_SLAVE
207
208   - The device can handle device to memory transfers, including
209     scatter-gather transfers.
210
211   - While in the mem2mem case we were having two distinct types to
212     deal with a single chunk to copy or a collection of them, here,
213     we just have a single transaction type that is supposed to
214     handle both.
215
216   - If you want to transfer a single contiguous memory buffer,
217     simply build a scatter list with only one item.
218
219 - DMA_CYCLIC
220
221   - The device can handle cyclic transfers.
222
223   - A cyclic transfer is a transfer where the chunk collection will
224     loop over itself, with the last item pointing to the first.
225
226   - It's usually used for audio transfers, where you want to operate
227     on a single ring buffer that you will fill with your audio data.
228
229 - DMA_INTERLEAVE
230
231   - The device supports interleaved transfer.
232
233   - These transfers can transfer data from a non-contiguous buffer
234     to a non-contiguous buffer, opposed to DMA_SLAVE that can
235     transfer data from a non-contiguous data set to a continuous
236     destination buffer.
237
238   - It's usually used for 2d content transfers, in which case you
239     want to transfer a portion of uncompressed data directly to the
240     display to print it
241
242 These various types will also affect how the source and destination
243 addresses change over time.
244
245 Addresses pointing to RAM are typically incremented (or decremented)
246 after each transfer. In case of a ring buffer, they may loop
247 (DMA_CYCLIC). Addresses pointing to a device's register (e.g. a FIFO)
248 are typically fixed.
249
250 Per descriptor metadata support
251 -------------------------------
252 Some data movement architecture (DMA controller and peripherals) uses metadata
253 associated with a transaction. The DMA controller role is to transfer the
254 payload and the metadata alongside.
255 The metadata itself is not used by the DMA engine itself, but it contains
256 parameters, keys, vectors, etc for peripheral or from the peripheral.
257
258 The DMAengine framework provides a generic ways to facilitate the metadata for
259 descriptors. Depending on the architecture the DMA driver can implement either
260 or both of the methods and it is up to the client driver to choose which one
261 to use.
262
263 - DESC_METADATA_CLIENT
264
265   The metadata buffer is allocated/provided by the client driver and it is
266   attached (via the dmaengine_desc_attach_metadata() helper to the descriptor.
267
268   From the DMA driver the following is expected for this mode:
269
270   - DMA_MEM_TO_DEV / DEV_MEM_TO_MEM
271
272     The data from the provided metadata buffer should be prepared for the DMA
273     controller to be sent alongside of the payload data. Either by copying to a
274     hardware descriptor, or highly coupled packet.
275
276   - DMA_DEV_TO_MEM
277
278     On transfer completion the DMA driver must copy the metadata to the client
279     provided metadata buffer before notifying the client about the completion.
280     After the transfer completion, DMA drivers must not touch the metadata
281     buffer provided by the client.
282
283 - DESC_METADATA_ENGINE
284
285   The metadata buffer is allocated/managed by the DMA driver. The client driver
286   can ask for the pointer, maximum size and the currently used size of the
287   metadata and can directly update or read it. dmaengine_desc_get_metadata_ptr()
288   and dmaengine_desc_set_metadata_len() is provided as helper functions.
289
290   From the DMA driver the following is expected for this mode:
291
292   - get_metadata_ptr()
293
294     Should return a pointer for the metadata buffer, the maximum size of the
295     metadata buffer and the currently used / valid (if any) bytes in the buffer.
296
297   - set_metadata_len()
298
299     It is called by the clients after it have placed the metadata to the buffer
300     to let the DMA driver know the number of valid bytes provided.
301
302   Note: since the client will ask for the metadata pointer in the completion
303   callback (in DMA_DEV_TO_MEM case) the DMA driver must ensure that the
304   descriptor is not freed up prior the callback is called.
305
306 Device operations
307 -----------------
308
309 Our dma_device structure also requires a few function pointers in
310 order to implement the actual logic, now that we described what
311 operations we were able to perform.
312
313 The functions that we have to fill in there, and hence have to
314 implement, obviously depend on the transaction types you reported as
315 supported.
316
317 - ``device_alloc_chan_resources``
318
319 - ``device_free_chan_resources``
320
321   - These functions will be called whenever a driver will call
322     ``dma_request_channel`` or ``dma_release_channel`` for the first/last
323     time on the channel associated to that driver.
324
325   - They are in charge of allocating/freeing all the needed
326     resources in order for that channel to be useful for your driver.
327
328   - These functions can sleep.
329
330 - ``device_prep_dma_*``
331
332   - These functions are matching the capabilities you registered
333     previously.
334
335   - These functions all take the buffer or the scatterlist relevant
336     for the transfer being prepared, and should create a hardware
337     descriptor or a list of hardware descriptors from it
338
339   - These functions can be called from an interrupt context
340
341   - Any allocation you might do should be using the GFP_NOWAIT
342     flag, in order not to potentially sleep, but without depleting
343     the emergency pool either.
344
345   - Drivers should try to pre-allocate any memory they might need
346     during the transfer setup at probe time to avoid putting to
347     much pressure on the nowait allocator.
348
349   - It should return a unique instance of the
350     ``dma_async_tx_descriptor structure``, that further represents this
351     particular transfer.
352
353   - This structure can be initialized using the function
354     ``dma_async_tx_descriptor_init``.
355
356   - You'll also need to set two fields in this structure:
357
358     - flags:
359       TODO: Can it be modified by the driver itself, or
360       should it be always the flags passed in the arguments
361
362     - tx_submit: A pointer to a function you have to implement,
363       that is supposed to push the current transaction descriptor to a
364       pending queue, waiting for issue_pending to be called.
365
366   - In this structure the function pointer callback_result can be
367     initialized in order for the submitter to be notified that a
368     transaction has completed. In the earlier code the function pointer
369     callback has been used. However it does not provide any status to the
370     transaction and will be deprecated. The result structure defined as
371     ``dmaengine_result`` that is passed in to callback_result
372     has two fields:
373
374     - result: This provides the transfer result defined by
375       ``dmaengine_tx_result``. Either success or some error condition.
376
377     - residue: Provides the residue bytes of the transfer for those that
378       support residue.
379
380 - ``device_issue_pending``
381
382   - Takes the first transaction descriptor in the pending queue,
383     and starts the transfer. Whenever that transfer is done, it
384     should move to the next transaction in the list.
385
386   - This function can be called in an interrupt context
387
388 - ``device_tx_status``
389
390   - Should report the bytes left to go over on the given channel
391
392   - Should only care about the transaction descriptor passed as
393     argument, not the currently active one on a given channel
394
395   - The tx_state argument might be NULL
396
397   - Should use dma_set_residue to report it
398
399   - In the case of a cyclic transfer, it should only take into
400     account the current period.
401
402   - This function can be called in an interrupt context.
403
404 - device_config
405
406   - Reconfigures the channel with the configuration given as argument
407
408   - This command should NOT perform synchronously, or on any
409     currently queued transfers, but only on subsequent ones
410
411   - In this case, the function will receive a ``dma_slave_config``
412     structure pointer as an argument, that will detail which
413     configuration to use.
414
415   - Even though that structure contains a direction field, this
416     field is deprecated in favor of the direction argument given to
417     the prep_* functions
418
419   - This call is mandatory for slave operations only. This should NOT be
420     set or expected to be set for memcpy operations.
421     If a driver support both, it should use this call for slave
422     operations only and not for memcpy ones.
423
424 - device_pause
425
426   - Pauses a transfer on the channel
427
428   - This command should operate synchronously on the channel,
429     pausing right away the work of the given channel
430
431 - device_resume
432
433   - Resumes a transfer on the channel
434
435   - This command should operate synchronously on the channel,
436     resuming right away the work of the given channel
437
438 - device_terminate_all
439
440   - Aborts all the pending and ongoing transfers on the channel
441
442   - For aborted transfers the complete callback should not be called
443
444   - Can be called from atomic context or from within a complete
445     callback of a descriptor. Must not sleep. Drivers must be able
446     to handle this correctly.
447
448   - Termination may be asynchronous. The driver does not have to
449     wait until the currently active transfer has completely stopped.
450     See device_synchronize.
451
452 - device_synchronize
453
454   - Must synchronize the termination of a channel to the current
455     context.
456
457   - Must make sure that memory for previously submitted
458     descriptors is no longer accessed by the DMA controller.
459
460   - Must make sure that all complete callbacks for previously
461     submitted descriptors have finished running and none are
462     scheduled to run.
463
464   - May sleep.
465
466
467 Misc notes
468 ==========
469
470 (stuff that should be documented, but don't really know
471 where to put them)
472
473 ``dma_run_dependencies``
474
475 - Should be called at the end of an async TX transfer, and can be
476   ignored in the slave transfers case.
477
478 - Makes sure that dependent operations are run before marking it
479   as complete.
480
481 dma_cookie_t
482
483 - it's a DMA transaction ID that will increment over time.
484
485 - Not really relevant any more since the introduction of ``virt-dma``
486   that abstracts it away.
487
488 DMA_CTRL_ACK
489
490 - If clear, the descriptor cannot be reused by provider until the
491   client acknowledges receipt, i.e. has has a chance to establish any
492   dependency chains
493
494 - This can be acked by invoking async_tx_ack()
495
496 - If set, does not mean descriptor can be reused
497
498 DMA_CTRL_REUSE
499
500 - If set, the descriptor can be reused after being completed. It should
501   not be freed by provider if this flag is set.
502
503 - The descriptor should be prepared for reuse by invoking
504   ``dmaengine_desc_set_reuse()`` which will set DMA_CTRL_REUSE.
505
506 - ``dmaengine_desc_set_reuse()`` will succeed only when channel support
507   reusable descriptor as exhibited by capabilities
508
509 - As a consequence, if a device driver wants to skip the
510   ``dma_map_sg()`` and ``dma_unmap_sg()`` in between 2 transfers,
511   because the DMA'd data wasn't used, it can resubmit the transfer right after
512   its completion.
513
514 - Descriptor can be freed in few ways
515
516   - Clearing DMA_CTRL_REUSE by invoking
517     ``dmaengine_desc_clear_reuse()`` and submitting for last txn
518
519   - Explicitly invoking ``dmaengine_desc_free()``, this can succeed only
520     when DMA_CTRL_REUSE is already set
521
522   - Terminating the channel
523
524 - DMA_PREP_CMD
525
526   - If set, the client driver tells DMA controller that passed data in DMA
527     API is command data.
528
529   - Interpretation of command data is DMA controller specific. It can be
530     used for issuing commands to other peripherals/register reads/register
531     writes for which the descriptor should be in different format from
532     normal data descriptors.
533
534 General Design Notes
535 ====================
536
537 Most of the DMAEngine drivers you'll see are based on a similar design
538 that handles the end of transfer interrupts in the handler, but defer
539 most work to a tasklet, including the start of a new transfer whenever
540 the previous transfer ended.
541
542 This is a rather inefficient design though, because the inter-transfer
543 latency will be not only the interrupt latency, but also the
544 scheduling latency of the tasklet, which will leave the channel idle
545 in between, which will slow down the global transfer rate.
546
547 You should avoid this kind of practice, and instead of electing a new
548 transfer in your tasklet, move that part to the interrupt handler in
549 order to have a shorter idle window (that we can't really avoid
550 anyway).
551
552 Glossary
553 ========
554
555 - Burst: A number of consecutive read or write operations that
556   can be queued to buffers before being flushed to memory.
557
558 - Chunk: A contiguous collection of bursts
559
560 - Transfer: A collection of chunks (be it contiguous or not)