Documentation/i2c/i2c-topology.rst

   1 ================================
   2 I2C muxes and complex topologies
   3 ================================
   4
   5 There are a couple of reasons for building more complex I2C topologies
   6 than a straight-forward I2C bus with one adapter and one or more devices.
   7
   8 1. A mux may be needed on the bus to prevent address collisions.
   9
  10 2. The bus may be accessible from some external bus master, and arbitration
  11    may be needed to determine if it is ok to access the bus.
  12
  13 3. A device (particularly RF tuners) may want to avoid the digital noise
  14    from the I2C bus, at least most of the time, and sits behind a gate
  15    that has to be operated before the device can be accessed.
  16
  17 Etc
  18 ===
  19
  20 These constructs are represented as I2C adapter trees by Linux, where
  21 each adapter has a parent adapter (except the root adapter) and zero or
  22 more child adapters. The root adapter is the actual adapter that issues
  23 I2C transfers, and all adapters with a parent are part of an "i2c-mux"
  24 object (quoted, since it can also be an arbitrator or a gate).
  25
  26 Depending of the particular mux driver, something happens when there is
  27 an I2C transfer on one of its child adapters. The mux driver can
  28 obviously operate a mux, but it can also do arbitration with an external
  29 bus master or open a gate. The mux driver has two operations for this,
  30 select and deselect. select is called before the transfer and (the
  31 optional) deselect is called after the transfer.
  32
  33
  34 Locking
  35 =======
  36
  37 There are two variants of locking available to I2C muxes, they can be
  38 mux-locked or parent-locked muxes. As is evident from below, it can be
  39 useful to know if a mux is mux-locked or if it is parent-locked. The
  40 following list was correct at the time of writing:
  41
  42 In drivers/i2c/muxes/:
  43
  44 ======================    =============================================
  45 i2c-arb-gpio-challenge    Parent-locked
  46 i2c-mux-gpio              Normally parent-locked, mux-locked iff
  47                           all involved gpio pins are controlled by the
  48                           same I2C root adapter that they mux.
  49 i2c-mux-gpmux             Normally parent-locked, mux-locked iff
  50                           specified in device-tree.
  51 i2c-mux-ltc4306           Mux-locked
  52 i2c-mux-mlxcpld           Parent-locked
  53 i2c-mux-pca9541           Parent-locked
  54 i2c-mux-pca954x           Parent-locked
  55 i2c-mux-pinctrl           Normally parent-locked, mux-locked iff
  56                           all involved pinctrl devices are controlled
  57                           by the same I2C root adapter that they mux.
  58 i2c-mux-reg               Parent-locked
  59 ======================    =============================================
  60
  61 In drivers/iio/:
  62
  63 ======================    =============================================
  64 gyro/mpu3050              Mux-locked
  65 imu/inv_mpu6050/          Mux-locked
  66 ======================    =============================================
  67
  68 In drivers/media/:
  69
  70 =======================   =============================================
  71 dvb-frontends/lgdt3306a   Mux-locked
  72 dvb-frontends/m88ds3103   Parent-locked
  73 dvb-frontends/rtl2830     Parent-locked
  74 dvb-frontends/rtl2832     Mux-locked
  75 dvb-frontends/si2168      Mux-locked
  76 usb/cx231xx/              Parent-locked
  77 =======================   =============================================
  78
  79
  80 Mux-locked muxes
  81 ----------------
  82
  83 Mux-locked muxes does not lock the entire parent adapter during the
  84 full select-transfer-deselect transaction, only the muxes on the parent
  85 adapter are locked. Mux-locked muxes are mostly interesting if the
  86 select and/or deselect operations must use I2C transfers to complete
  87 their tasks. Since the parent adapter is not fully locked during the
  88 full transaction, unrelated I2C transfers may interleave the different
  89 stages of the transaction. This has the benefit that the mux driver
  90 may be easier and cleaner to implement, but it has some caveats.
  91
  92 ==== =====================================================================
  93 ML1. If you build a topology with a mux-locked mux being the parent
  94      of a parent-locked mux, this might break the expectation from the
  95      parent-locked mux that the root adapter is locked during the
  96      transaction.
  97
  98 ML2. It is not safe to build arbitrary topologies with two (or more)
  99      mux-locked muxes that are not siblings, when there are address
 100      collisions between the devices on the child adapters of these
 101      non-sibling muxes.
 102
 103      I.e. the select-transfer-deselect transaction targeting e.g. device
 104      address 0x42 behind mux-one may be interleaved with a similar
 105      operation targeting device address 0x42 behind mux-two. The
 106      intension with such a topology would in this hypothetical example
 107      be that mux-one and mux-two should not be selected simultaneously,
 108      but mux-locked muxes do not guarantee that in all topologies.
 109
 110 ML3. A mux-locked mux cannot be used by a driver for auto-closing
 111      gates/muxes, i.e. something that closes automatically after a given
 112      number (one, in most cases) of I2C transfers. Unrelated I2C transfers
 113      may creep in and close prematurely.
 114
 115 ML4. If any non-I2C operation in the mux driver changes the I2C mux state,
 116      the driver has to lock the root adapter during that operation.
 117      Otherwise garbage may appear on the bus as seen from devices
 118      behind the mux, when an unrelated I2C transfer is in flight during
 119      the non-I2C mux-changing operation.
 120 ==== =====================================================================
 121
 122
 123 Mux-locked Example
 124 ------------------
 125
 126
 127 ::
 128
 129                    .----------.     .--------.
 130     .--------.     |   mux-   |-----| dev D1 |
 131     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
 132     '--------'  |  |  mux M1  |--.  .--------.
 133                 |  '----------'  '--| dev D2 |
 134                 |  .--------.       '--------'
 135                 '--| dev D3 |
 136                    '--------'
 137
 138 When there is an access to D1, this happens:
 139
 140  1. Someone issues an I2C transfer to D1.
 141  2. M1 locks muxes on its parent (the root adapter in this case).
 142  3. M1 calls ->select to ready the mux.
 143  4. M1 (presumably) does some I2C transfers as part of its select.
 144     These transfers are normal I2C transfers that locks the parent
 145     adapter.
 146  5. M1 feeds the I2C transfer from step 1 to its parent adapter as a
 147     normal I2C transfer that locks the parent adapter.
 148  6. M1 calls ->deselect, if it has one.
 149  7. Same rules as in step 4, but for ->deselect.
 150  8. M1 unlocks muxes on its parent.
 151
 152 This means that accesses to D2 are lockout out for the full duration
 153 of the entire operation. But accesses to D3 are possibly interleaved
 154 at any point.
 155
 156
 157 Parent-locked muxes
 158 -------------------
 159
 160 Parent-locked muxes lock the parent adapter during the full select-
 161 transfer-deselect transaction. The implication is that the mux driver
 162 has to ensure that any and all I2C transfers through that parent
 163 adapter during the transaction are unlocked I2C transfers (using e.g.
 164 __i2c_transfer), or a deadlock will follow. There are a couple of
 165 caveats.
 166
 167 ==== ====================================================================
 168 PL1. If you build a topology with a parent-locked mux being the child
 169      of another mux, this might break a possible assumption from the
 170      child mux that the root adapter is unused between its select op
 171      and the actual transfer (e.g. if the child mux is auto-closing
 172      and the parent mux issues I2C transfers as part of its select).
 173      This is especially the case if the parent mux is mux-locked, but
 174      it may also happen if the parent mux is parent-locked.
 175
 176 PL2. If select/deselect calls out to other subsystems such as gpio,
 177      pinctrl, regmap or iio, it is essential that any I2C transfers
 178      caused by these subsystems are unlocked. This can be convoluted to
 179      accomplish, maybe even impossible if an acceptably clean solution
 180      is sought.
 181 ==== ====================================================================
 182
 183
 184 Parent-locked Example
 185 ---------------------
 186
 187 ::
 188
 189                    .----------.     .--------.
 190     .--------.     |  parent- |-----| dev D1 |
 191     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
 192     '--------'  |  |  mux M1  |--.  .--------.
 193                 |  '----------'  '--| dev D2 |
 194                 |  .--------.       '--------'
 195                 '--| dev D3 |
 196                    '--------'
 197
 198 When there is an access to D1, this happens:
 199
 200  1.  Someone issues an I2C transfer to D1.
 201  2.  M1 locks muxes on its parent (the root adapter in this case).
 202  3.  M1 locks its parent adapter.
 203  4.  M1 calls ->select to ready the mux.
 204  5.  If M1 does any I2C transfers (on this root adapter) as part of
 205      its select, those transfers must be unlocked I2C transfers so
 206      that they do not deadlock the root adapter.
 207  6.  M1 feeds the I2C transfer from step 1 to the root adapter as an
 208      unlocked I2C transfer, so that it does not deadlock the parent
 209      adapter.
 210  7.  M1 calls ->deselect, if it has one.
 211  8.  Same rules as in step 5, but for ->deselect.
 212  9.  M1 unlocks its parent adapter.
 213  10. M1 unlocks muxes on its parent.
 214
 215
 216 This means that accesses to both D2 and D3 are locked out for the full
 217 duration of the entire operation.
 218
 219
 220 Complex Examples
 221 ================
 222
 223 Parent-locked mux as parent of parent-locked mux
 224 ------------------------------------------------
 225
 226 This is a useful topology, but it can be bad::
 227
 228                    .----------.     .----------.     .--------.
 229     .--------.     |  parent- |-----|  parent- |-----| dev D1 |
 230     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
 231     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
 232                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
 233                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
 234                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
 235                    '--------'       '--------'
 236
 237 When any device is accessed, all other devices are locked out for
 238 the full duration of the operation (both muxes lock their parent,
 239 and specifically when M2 requests its parent to lock, M1 passes
 240 the buck to the root adapter).
 241
 242 This topology is bad if M2 is an auto-closing mux and M1->select
 243 issues any unlocked I2C transfers on the root adapter that may leak
 244 through and be seen by the M2 adapter, thus closing M2 prematurely.
 245
 246
 247 Mux-locked mux as parent of mux-locked mux
 248 ------------------------------------------
 249
 250 This is a good topology::
 251
 252                    .----------.     .----------.     .--------.
 253     .--------.     |   mux-   |-----|   mux-   |-----| dev D1 |
 254     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
 255     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
 256                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
 257                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
 258                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
 259                    '--------'       '--------'
 260
 261 When device D1 is accessed, accesses to D2 are locked out for the
 262 full duration of the operation (muxes on the top child adapter of M1
 263 are locked). But accesses to D3 and D4 are possibly interleaved at
 264 any point. Accesses to D3 locks out D1 and D2, but accesses to D4
 265 are still possibly interleaved.
 266
 267
 268 Mux-locked mux as parent of parent-locked mux
 269 ---------------------------------------------
 270
 271 This is probably a bad topology::
 272
 273                    .----------.     .----------.     .--------.
 274     .--------.     |   mux-   |-----|  parent- |-----| dev D1 |
 275     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
 276     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
 277                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
 278                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
 279                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
 280                    '--------'       '--------'
 281
 282 When device D1 is accessed, accesses to D2 and D3 are locked out
 283 for the full duration of the operation (M1 locks child muxes on the
 284 root adapter). But accesses to D4 are possibly interleaved at any
 285 point.
 286
 287 This kind of topology is generally not suitable and should probably
 288 be avoided. The reason is that M2 probably assumes that there will
 289 be no I2C transfers during its calls to ->select and ->deselect, and
 290 if there are, any such transfers might appear on the slave side of M2
 291 as partial I2C transfers, i.e. garbage or worse. This might cause
 292 device lockups and/or other problems.
 293
 294 The topology is especially troublesome if M2 is an auto-closing
 295 mux. In that case, any interleaved accesses to D4 might close M2
 296 prematurely, as might any I2C transfers part of M1->select.
 297
 298 But if M2 is not making the above stated assumption, and if M2 is not
 299 auto-closing, the topology is fine.
 300
 301
 302 Parent-locked mux as parent of mux-locked mux
 303 ---------------------------------------------
 304
 305 This is a good topology::
 306
 307                    .----------.     .----------.     .--------.
 308     .--------.     |  parent- |-----|   mux-   |-----| dev D1 |
 309     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
 310     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
 311                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
 312                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
 313                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
 314                    '--------'       '--------'
 315
 316 When D1 is accessed, accesses to D2 are locked out for the full
 317 duration of the operation (muxes on the top child adapter of M1
 318 are locked). Accesses to D3 and D4 are possibly interleaved at
 319 any point, just as is expected for mux-locked muxes.
 320
 321 When D3 or D4 are accessed, everything else is locked out. For D3
 322 accesses, M1 locks the root adapter. For D4 accesses, the root
 323 adapter is locked directly.
 324
 325
 326 Two mux-locked sibling muxes
 327 ----------------------------
 328
 329 This is a good topology::
 330
 331                                     .--------.
 332                    .----------.  .--| dev D1 |
 333                    |   mux-   |--'  '--------'
 334                 .--|  locked  |     .--------.
 335                 |  |  mux M1  |-----| dev D2 |
 336                 |  '----------'     '--------'
 337                 |  .----------.     .--------.
 338     .--------.  |  |   mux-   |-----| dev D3 |
 339     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
 340     '--------'  |  |  mux M2  |--.  .--------.
 341                 |  '----------'  '--| dev D4 |
 342                 |  .--------.       '--------'
 343                 '--| dev D5 |
 344                    '--------'
 345
 346 When D1 is accessed, accesses to D2, D3 and D4 are locked out. But
 347 accesses to D5 may be interleaved at any time.
 348
 349
 350 Two parent-locked sibling muxes
 351 -------------------------------
 352
 353 This is a good topology::
 354
 355                                     .--------.
 356                    .----------.  .--| dev D1 |
 357                    |  parent- |--'  '--------'
 358                 .--|  locked  |     .--------.
 359                 |  |  mux M1  |-----| dev D2 |
 360                 |  '----------'     '--------'
 361                 |  .----------.     .--------.
 362     .--------.  |  |  parent- |-----| dev D3 |
 363     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
 364     '--------'  |  |  mux M2  |--.  .--------.
 365                 |  '----------'  '--| dev D4 |
 366                 |  .--------.       '--------'
 367                 '--| dev D5 |
 368                    '--------'
 369
 370 When any device is accessed, accesses to all other devices are locked
 371 out.
 372
 373
 374 Mux-locked and parent-locked sibling muxes
 375 ------------------------------------------
 376
 377 This is a good topology::
 378
 379                                     .--------.
 380                    .----------.  .--| dev D1 |
 381                    |   mux-   |--'  '--------'
 382                 .--|  locked  |     .--------.
 383                 |  |  mux M1  |-----| dev D2 |
 384                 |  '----------'     '--------'
 385                 |  .----------.     .--------.
 386     .--------.  |  |  parent- |-----| dev D3 |
 387     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
 388     '--------'  |  |  mux M2  |--.  .--------.
 389                 |  '----------'  '--| dev D4 |
 390                 |  .--------.       '--------'
 391                 '--| dev D5 |
 392                    '--------'
 393
 394 When D1 or D2 are accessed, accesses to D3 and D4 are locked out while
 395 accesses to D5 may interleave. When D3 or D4 are accessed, accesses to
 396 all other devices are locked out.