ab82c8f21d3194cc1bce0788aaa86f1a36eb59ec
[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_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 - DMA_REPEAT
243
244   - The device supports repeated transfers. A repeated transfer, indicated by
245     the DMA_PREP_REPEAT transfer flag, is similar to a cyclic transfer in that
246     it gets automatically repeated when it ends, but can additionally be
247     replaced by the client.
248
249   - This feature is limited to interleaved transfers, this flag should thus not
250     be set if the DMA_INTERLEAVE flag isn't set. This limitation is based on
251     the current needs of DMA clients, support for additional transfer types
252     should be added in the future if and when the need arises.
253
254 - DMA_LOAD_EOT
255
256   - The device supports replacing repeated transfers at end of transfer (EOT)
257     by queuing a new transfer with the DMA_PREP_LOAD_EOT flag set.
258
259   - Support for replacing a currently running transfer at another point (such
260     as end of burst instead of end of transfer) will be added in the future
261     based on DMA clients needs, if and when the need arises.
262
263 These various types will also affect how the source and destination
264 addresses change over time.
265
266 Addresses pointing to RAM are typically incremented (or decremented)
267 after each transfer. In case of a ring buffer, they may loop
268 (DMA_CYCLIC). Addresses pointing to a device's register (e.g. a FIFO)
269 are typically fixed.
270
271 Per descriptor metadata support
272 -------------------------------
273 Some data movement architecture (DMA controller and peripherals) uses metadata
274 associated with a transaction. The DMA controller role is to transfer the
275 payload and the metadata alongside.
276 The metadata itself is not used by the DMA engine itself, but it contains
277 parameters, keys, vectors, etc for peripheral or from the peripheral.
278
279 The DMAengine framework provides a generic ways to facilitate the metadata for
280 descriptors. Depending on the architecture the DMA driver can implement either
281 or both of the methods and it is up to the client driver to choose which one
282 to use.
283
284 - DESC_METADATA_CLIENT
285
286   The metadata buffer is allocated/provided by the client driver and it is
287   attached (via the dmaengine_desc_attach_metadata() helper to the descriptor.
288
289   From the DMA driver the following is expected for this mode:
290
291   - DMA_MEM_TO_DEV / DEV_MEM_TO_MEM
292
293     The data from the provided metadata buffer should be prepared for the DMA
294     controller to be sent alongside of the payload data. Either by copying to a
295     hardware descriptor, or highly coupled packet.
296
297   - DMA_DEV_TO_MEM
298
299     On transfer completion the DMA driver must copy the metadata to the client
300     provided metadata buffer before notifying the client about the completion.
301     After the transfer completion, DMA drivers must not touch the metadata
302     buffer provided by the client.
303
304 - DESC_METADATA_ENGINE
305
306   The metadata buffer is allocated/managed by the DMA driver. The client driver
307   can ask for the pointer, maximum size and the currently used size of the
308   metadata and can directly update or read it. dmaengine_desc_get_metadata_ptr()
309   and dmaengine_desc_set_metadata_len() is provided as helper functions.
310
311   From the DMA driver the following is expected for this mode:
312
313   - get_metadata_ptr()
314
315     Should return a pointer for the metadata buffer, the maximum size of the
316     metadata buffer and the currently used / valid (if any) bytes in the buffer.
317
318   - set_metadata_len()
319
320     It is called by the clients after it have placed the metadata to the buffer
321     to let the DMA driver know the number of valid bytes provided.
322
323   Note: since the client will ask for the metadata pointer in the completion
324   callback (in DMA_DEV_TO_MEM case) the DMA driver must ensure that the
325   descriptor is not freed up prior the callback is called.
326
327 Device operations
328 -----------------
329
330 Our dma_device structure also requires a few function pointers in
331 order to implement the actual logic, now that we described what
332 operations we were able to perform.
333
334 The functions that we have to fill in there, and hence have to
335 implement, obviously depend on the transaction types you reported as
336 supported.
337
338 - ``device_alloc_chan_resources``
339
340 - ``device_free_chan_resources``
341
342   - These functions will be called whenever a driver will call
343     ``dma_request_channel`` or ``dma_release_channel`` for the first/last
344     time on the channel associated to that driver.
345
346   - They are in charge of allocating/freeing all the needed
347     resources in order for that channel to be useful for your driver.
348
349   - These functions can sleep.
350
351 - ``device_prep_dma_*``
352
353   - These functions are matching the capabilities you registered
354     previously.
355
356   - These functions all take the buffer or the scatterlist relevant
357     for the transfer being prepared, and should create a hardware
358     descriptor or a list of hardware descriptors from it
359
360   - These functions can be called from an interrupt context
361
362   - Any allocation you might do should be using the GFP_NOWAIT
363     flag, in order not to potentially sleep, but without depleting
364     the emergency pool either.
365
366   - Drivers should try to pre-allocate any memory they might need
367     during the transfer setup at probe time to avoid putting to
368     much pressure on the nowait allocator.
369
370   - It should return a unique instance of the
371     ``dma_async_tx_descriptor structure``, that further represents this
372     particular transfer.
373
374   - This structure can be initialized using the function
375     ``dma_async_tx_descriptor_init``.
376
377   - You'll also need to set two fields in this structure:
378
379     - flags:
380       TODO: Can it be modified by the driver itself, or
381       should it be always the flags passed in the arguments
382
383     - tx_submit: A pointer to a function you have to implement,
384       that is supposed to push the current transaction descriptor to a
385       pending queue, waiting for issue_pending to be called.
386
387   - In this structure the function pointer callback_result can be
388     initialized in order for the submitter to be notified that a
389     transaction has completed. In the earlier code the function pointer
390     callback has been used. However it does not provide any status to the
391     transaction and will be deprecated. The result structure defined as
392     ``dmaengine_result`` that is passed in to callback_result
393     has two fields:
394
395     - result: This provides the transfer result defined by
396       ``dmaengine_tx_result``. Either success or some error condition.
397
398     - residue: Provides the residue bytes of the transfer for those that
399       support residue.
400
401 - ``device_issue_pending``
402
403   - Takes the first transaction descriptor in the pending queue,
404     and starts the transfer. Whenever that transfer is done, it
405     should move to the next transaction in the list.
406
407   - This function can be called in an interrupt context
408
409 - ``device_tx_status``
410
411   - Should report the bytes left to go over on the given channel
412
413   - Should only care about the transaction descriptor passed as
414     argument, not the currently active one on a given channel
415
416   - The tx_state argument might be NULL
417
418   - Should use dma_set_residue to report it
419
420   - In the case of a cyclic transfer, it should only take into
421     account the current period.
422
423   - This function can be called in an interrupt context.
424
425 - device_config
426
427   - Reconfigures the channel with the configuration given as argument
428
429   - This command should NOT perform synchronously, or on any
430     currently queued transfers, but only on subsequent ones
431
432   - In this case, the function will receive a ``dma_slave_config``
433     structure pointer as an argument, that will detail which
434     configuration to use.
435
436   - Even though that structure contains a direction field, this
437     field is deprecated in favor of the direction argument given to
438     the prep_* functions
439
440   - This call is mandatory for slave operations only. This should NOT be
441     set or expected to be set for memcpy operations.
442     If a driver support both, it should use this call for slave
443     operations only and not for memcpy ones.
444
445 - device_pause
446
447   - Pauses a transfer on the channel
448
449   - This command should operate synchronously on the channel,
450     pausing right away the work of the given channel
451
452 - device_resume
453
454   - Resumes a transfer on the channel
455
456   - This command should operate synchronously on the channel,
457     resuming right away the work of the given channel
458
459 - device_terminate_all
460
461   - Aborts all the pending and ongoing transfers on the channel
462
463   - For aborted transfers the complete callback should not be called
464
465   - Can be called from atomic context or from within a complete
466     callback of a descriptor. Must not sleep. Drivers must be able
467     to handle this correctly.
468
469   - Termination may be asynchronous. The driver does not have to
470     wait until the currently active transfer has completely stopped.
471     See device_synchronize.
472
473 - device_synchronize
474
475   - Must synchronize the termination of a channel to the current
476     context.
477
478   - Must make sure that memory for previously submitted
479     descriptors is no longer accessed by the DMA controller.
480
481   - Must make sure that all complete callbacks for previously
482     submitted descriptors have finished running and none are
483     scheduled to run.
484
485   - May sleep.
486
487
488 Misc notes
489 ==========
490
491 (stuff that should be documented, but don't really know
492 where to put them)
493
494 ``dma_run_dependencies``
495
496 - Should be called at the end of an async TX transfer, and can be
497   ignored in the slave transfers case.
498
499 - Makes sure that dependent operations are run before marking it
500   as complete.
501
502 dma_cookie_t
503
504 - it's a DMA transaction ID that will increment over time.
505
506 - Not really relevant any more since the introduction of ``virt-dma``
507   that abstracts it away.
508
509 DMA_CTRL_ACK
510
511 - If clear, the descriptor cannot be reused by provider until the
512   client acknowledges receipt, i.e. has has a chance to establish any
513   dependency chains
514
515 - This can be acked by invoking async_tx_ack()
516
517 - If set, does not mean descriptor can be reused
518
519 DMA_CTRL_REUSE
520
521 - If set, the descriptor can be reused after being completed. It should
522   not be freed by provider if this flag is set.
523
524 - The descriptor should be prepared for reuse by invoking
525   ``dmaengine_desc_set_reuse()`` which will set DMA_CTRL_REUSE.
526
527 - ``dmaengine_desc_set_reuse()`` will succeed only when channel support
528   reusable descriptor as exhibited by capabilities
529
530 - As a consequence, if a device driver wants to skip the
531   ``dma_map_sg()`` and ``dma_unmap_sg()`` in between 2 transfers,
532   because the DMA'd data wasn't used, it can resubmit the transfer right after
533   its completion.
534
535 - Descriptor can be freed in few ways
536
537   - Clearing DMA_CTRL_REUSE by invoking
538     ``dmaengine_desc_clear_reuse()`` and submitting for last txn
539
540   - Explicitly invoking ``dmaengine_desc_free()``, this can succeed only
541     when DMA_CTRL_REUSE is already set
542
543   - Terminating the channel
544
545 - DMA_PREP_CMD
546
547   - If set, the client driver tells DMA controller that passed data in DMA
548     API is command data.
549
550   - Interpretation of command data is DMA controller specific. It can be
551     used for issuing commands to other peripherals/register reads/register
552     writes for which the descriptor should be in different format from
553     normal data descriptors.
554
555 - DMA_PREP_REPEAT
556
557   - If set, the transfer will be automatically repeated when it ends until a
558     new transfer is queued on the same channel with the DMA_PREP_LOAD_EOT flag.
559     If the next transfer to be queued on the channel does not have the
560     DMA_PREP_LOAD_EOT flag set, the current transfer will be repeated until the
561     client terminates all transfers.
562
563   - This flag is only supported if the channel reports the DMA_REPEAT
564     capability.
565
566 - DMA_PREP_LOAD_EOT
567
568   - If set, the transfer will replace the transfer currently being executed at
569     the end of the transfer.
570
571   - This is the default behaviour for non-repeated transfers, specifying
572     DMA_PREP_LOAD_EOT for non-repeated transfers will thus make no difference.
573
574   - When using repeated transfers, DMA clients will usually need to set the
575     DMA_PREP_LOAD_EOT flag on all transfers, otherwise the channel will keep
576     repeating the last repeated transfer and ignore the new transfers being
577     queued. Failure to set DMA_PREP_LOAD_EOT will appear as if the channel was
578     stuck on the previous transfer.
579
580   - This flag is only supported if the channel reports the DMA_LOAD_EOT
581     capability.
582
583 General Design Notes
584 ====================
585
586 Most of the DMAEngine drivers you'll see are based on a similar design
587 that handles the end of transfer interrupts in the handler, but defer
588 most work to a tasklet, including the start of a new transfer whenever
589 the previous transfer ended.
590
591 This is a rather inefficient design though, because the inter-transfer
592 latency will be not only the interrupt latency, but also the
593 scheduling latency of the tasklet, which will leave the channel idle
594 in between, which will slow down the global transfer rate.
595
596 You should avoid this kind of practice, and instead of electing a new
597 transfer in your tasklet, move that part to the interrupt handler in
598 order to have a shorter idle window (that we can't really avoid
599 anyway).
600
601 Glossary
602 ========
603
604 - Burst: A number of consecutive read or write operations that
605   can be queued to buffers before being flushed to memory.
606
607 - Chunk: A contiguous collection of bursts
608
609 - Transfer: A collection of chunks (be it contiguous or not)