MIPS: SEAD3: Nuke PIC32 I2C driver.
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / DMA-API-HOWTO.txt
1                      Dynamic DMA mapping Guide
2                      =========================
3
4                  David S. Miller <davem@redhat.com>
5                  Richard Henderson <rth@cygnus.com>
6                   Jakub Jelinek <jakub@redhat.com>
7
8 This is a guide to device driver writers on how to use the DMA API
9 with example pseudo-code.  For a concise description of the API, see
10 DMA-API.txt.
11
12                        CPU and DMA addresses
13
14 There are several kinds of addresses involved in the DMA API, and it's
15 important to understand the differences.
16
17 The kernel normally uses virtual addresses.  Any address returned by
18 kmalloc(), vmalloc(), and similar interfaces is a virtual address and can
19 be stored in a "void *".
20
21 The virtual memory system (TLB, page tables, etc.) translates virtual
22 addresses to CPU physical addresses, which are stored as "phys_addr_t" or
23 "resource_size_t".  The kernel manages device resources like registers as
24 physical addresses.  These are the addresses in /proc/iomem.  The physical
25 address is not directly useful to a driver; it must use ioremap() to map
26 the space and produce a virtual address.
27
28 I/O devices use a third kind of address: a "bus address" or "DMA address".
29 If a device has registers at an MMIO address, or if it performs DMA to read
30 or write system memory, the addresses used by the device are bus addresses.
31 In some systems, bus addresses are identical to CPU physical addresses, but
32 in general they are not.  IOMMUs and host bridges can produce arbitrary
33 mappings between physical and bus addresses.
34
35 Here's a picture and some examples:
36
37                CPU                  CPU                  Bus
38              Virtual              Physical             Address
39              Address              Address               Space
40               Space                Space
41
42             +-------+             +------+             +------+
43             |       |             |MMIO  |   Offset    |      |
44             |       |  Virtual    |Space |   applied   |      |
45           C +-------+ --------> B +------+ ----------> +------+ A
46             |       |  mapping    |      |   by host   |      |
47   +-----+   |       |             |      |   bridge    |      |   +--------+
48   |     |   |       |             +------+             |      |   |        |
49   | CPU |   |       |             | RAM  |             |      |   | Device |
50   |     |   |       |             |      |             |      |   |        |
51   +-----+   +-------+             +------+             +------+   +--------+
52             |       |  Virtual    |Buffer|   Mapping   |      |
53           X +-------+ --------> Y +------+ <---------- +------+ Z
54             |       |  mapping    | RAM  |   by IOMMU
55             |       |             |      |
56             |       |             |      |
57             +-------+             +------+
58
59 During the enumeration process, the kernel learns about I/O devices and
60 their MMIO space and the host bridges that connect them to the system.  For
61 example, if a PCI device has a BAR, the kernel reads the bus address (A)
62 from the BAR and converts it to a CPU physical address (B).  The address B
63 is stored in a struct resource and usually exposed via /proc/iomem.  When a
64 driver claims a device, it typically uses ioremap() to map physical address
65 B at a virtual address (C).  It can then use, e.g., ioread32(C), to access
66 the device registers at bus address A.
67
68 If the device supports DMA, the driver sets up a buffer using kmalloc() or
69 a similar interface, which returns a virtual address (X).  The virtual
70 memory system maps X to a physical address (Y) in system RAM.  The driver
71 can use virtual address X to access the buffer, but the device itself
72 cannot because DMA doesn't go through the CPU virtual memory system.
73
74 In some simple systems, the device can do DMA directly to physical address
75 Y.  But in many others, there is IOMMU hardware that translates bus
76 addresses to physical addresses, e.g., it translates Z to Y.  This is part
77 of the reason for the DMA API: the driver can give a virtual address X to
78 an interface like dma_map_single(), which sets up any required IOMMU
79 mapping and returns the bus address Z.  The driver then tells the device to
80 do DMA to Z, and the IOMMU maps it to the buffer at address Y in system
81 RAM.
82
83 So that Linux can use the dynamic DMA mapping, it needs some help from the
84 drivers, namely it has to take into account that DMA addresses should be
85 mapped only for the time they are actually used and unmapped after the DMA
86 transfer.
87
88 The following API will work of course even on platforms where no such
89 hardware exists.
90
91 Note that the DMA API works with any bus independent of the underlying
92 microprocessor architecture. You should use the DMA API rather than the
93 bus-specific DMA API, i.e., use the dma_map_*() interfaces rather than the
94 pci_map_*() interfaces.
95
96 First of all, you should make sure
97
98 #include <linux/dma-mapping.h>
99
100 is in your driver, which provides the definition of dma_addr_t.  This type
101 can hold any valid DMA or bus address for the platform and should be used
102 everywhere you hold a DMA address returned from the DMA mapping functions.
103
104                          What memory is DMA'able?
105
106 The first piece of information you must know is what kernel memory can
107 be used with the DMA mapping facilities.  There has been an unwritten
108 set of rules regarding this, and this text is an attempt to finally
109 write them down.
110
111 If you acquired your memory via the page allocator
112 (i.e. __get_free_page*()) or the generic memory allocators
113 (i.e. kmalloc() or kmem_cache_alloc()) then you may DMA to/from
114 that memory using the addresses returned from those routines.
115
116 This means specifically that you may _not_ use the memory/addresses
117 returned from vmalloc() for DMA.  It is possible to DMA to the
118 _underlying_ memory mapped into a vmalloc() area, but this requires
119 walking page tables to get the physical addresses, and then
120 translating each of those pages back to a kernel address using
121 something like __va().  [ EDIT: Update this when we integrate
122 Gerd Knorr's generic code which does this. ]
123
124 This rule also means that you may use neither kernel image addresses
125 (items in data/text/bss segments), nor module image addresses, nor
126 stack addresses for DMA.  These could all be mapped somewhere entirely
127 different than the rest of physical memory.  Even if those classes of
128 memory could physically work with DMA, you'd need to ensure the I/O
129 buffers were cacheline-aligned.  Without that, you'd see cacheline
130 sharing problems (data corruption) on CPUs with DMA-incoherent caches.
131 (The CPU could write to one word, DMA would write to a different one
132 in the same cache line, and one of them could be overwritten.)
133
134 Also, this means that you cannot take the return of a kmap()
135 call and DMA to/from that.  This is similar to vmalloc().
136
137 What about block I/O and networking buffers?  The block I/O and
138 networking subsystems make sure that the buffers they use are valid
139 for you to DMA from/to.
140
141                         DMA addressing limitations
142
143 Does your device have any DMA addressing limitations?  For example, is
144 your device only capable of driving the low order 24-bits of address?
145 If so, you need to inform the kernel of this fact.
146
147 By default, the kernel assumes that your device can address the full
148 32-bits.  For a 64-bit capable device, this needs to be increased.
149 And for a device with limitations, as discussed in the previous
150 paragraph, it needs to be decreased.
151
152 Special note about PCI: PCI-X specification requires PCI-X devices to
153 support 64-bit addressing (DAC) for all transactions.  And at least
154 one platform (SGI SN2) requires 64-bit consistent allocations to
155 operate correctly when the IO bus is in PCI-X mode.
156
157 For correct operation, you must interrogate the kernel in your device
158 probe routine to see if the DMA controller on the machine can properly
159 support the DMA addressing limitation your device has.  It is good
160 style to do this even if your device holds the default setting,
161 because this shows that you did think about these issues wrt. your
162 device.
163
164 The query is performed via a call to dma_set_mask_and_coherent():
165
166         int dma_set_mask_and_coherent(struct device *dev, u64 mask);
167
168 which will query the mask for both streaming and coherent APIs together.
169 If you have some special requirements, then the following two separate
170 queries can be used instead:
171
172         The query for streaming mappings is performed via a call to
173         dma_set_mask():
174
175                 int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);
176
177         The query for consistent allocations is performed via a call
178         to dma_set_coherent_mask():
179
180                 int dma_set_coherent_mask(struct device *dev, u64 mask);
181
182 Here, dev is a pointer to the device struct of your device, and mask
183 is a bit mask describing which bits of an address your device
184 supports.  It returns zero if your card can perform DMA properly on
185 the machine given the address mask you provided.  In general, the
186 device struct of your device is embedded in the bus-specific device
187 struct of your device.  For example, &pdev->dev is a pointer to the
188 device struct of a PCI device (pdev is a pointer to the PCI device
189 struct of your device).
190
191 If it returns non-zero, your device cannot perform DMA properly on
192 this platform, and attempting to do so will result in undefined
193 behavior.  You must either use a different mask, or not use DMA.
194
195 This means that in the failure case, you have three options:
196
197 1) Use another DMA mask, if possible (see below).
198 2) Use some non-DMA mode for data transfer, if possible.
199 3) Ignore this device and do not initialize it.
200
201 It is recommended that your driver print a kernel KERN_WARNING message
202 when you end up performing either #2 or #3.  In this manner, if a user
203 of your driver reports that performance is bad or that the device is not
204 even detected, you can ask them for the kernel messages to find out
205 exactly why.
206
207 The standard 32-bit addressing device would do something like this:
208
209         if (dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
210                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
211                 goto ignore_this_device;
212         }
213
214 Another common scenario is a 64-bit capable device.  The approach here
215 is to try for 64-bit addressing, but back down to a 32-bit mask that
216 should not fail.  The kernel may fail the 64-bit mask not because the
217 platform is not capable of 64-bit addressing.  Rather, it may fail in
218 this case simply because 32-bit addressing is done more efficiently
219 than 64-bit addressing.  For example, Sparc64 PCI SAC addressing is
220 more efficient than DAC addressing.
221
222 Here is how you would handle a 64-bit capable device which can drive
223 all 64-bits when accessing streaming DMA:
224
225         int using_dac;
226
227         if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
228                 using_dac = 1;
229         } else if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
230                 using_dac = 0;
231         } else {
232                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
233                 goto ignore_this_device;
234         }
235
236 If a card is capable of using 64-bit consistent allocations as well,
237 the case would look like this:
238
239         int using_dac, consistent_using_dac;
240
241         if (!dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
242                 using_dac = 1;
243                 consistent_using_dac = 1;
244         } else if (!dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
245                 using_dac = 0;
246                 consistent_using_dac = 0;
247         } else {
248                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
249                 goto ignore_this_device;
250         }
251
252 The coherent mask will always be able to set the same or a smaller mask as
253 the streaming mask. However for the rare case that a device driver only
254 uses consistent allocations, one would have to check the return value from
255 dma_set_coherent_mask().
256
257 Finally, if your device can only drive the low 24-bits of
258 address you might do something like:
259
260         if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(24))) {
261                 dev_warn(dev, "mydev: 24-bit DMA addressing not available\n");
262                 goto ignore_this_device;
263         }
264
265 When dma_set_mask() or dma_set_mask_and_coherent() is successful, and
266 returns zero, the kernel saves away this mask you have provided.  The
267 kernel will use this information later when you make DMA mappings.
268
269 There is a case which we are aware of at this time, which is worth
270 mentioning in this documentation.  If your device supports multiple
271 functions (for example a sound card provides playback and record
272 functions) and the various different functions have _different_
273 DMA addressing limitations, you may wish to probe each mask and
274 only provide the functionality which the machine can handle.  It
275 is important that the last call to dma_set_mask() be for the
276 most specific mask.
277
278 Here is pseudo-code showing how this might be done:
279
280         #define PLAYBACK_ADDRESS_BITS   DMA_BIT_MASK(32)
281         #define RECORD_ADDRESS_BITS     DMA_BIT_MASK(24)
282
283         struct my_sound_card *card;
284         struct device *dev;
285
286         ...
287         if (!dma_set_mask(dev, PLAYBACK_ADDRESS_BITS)) {
288                 card->playback_enabled = 1;
289         } else {
290                 card->playback_enabled = 0;
291                 dev_warn(dev, "%s: Playback disabled due to DMA limitations\n",
292                        card->name);
293         }
294         if (!dma_set_mask(dev, RECORD_ADDRESS_BITS)) {
295                 card->record_enabled = 1;
296         } else {
297                 card->record_enabled = 0;
298                 dev_warn(dev, "%s: Record disabled due to DMA limitations\n",
299                        card->name);
300         }
301
302 A sound card was used as an example here because this genre of PCI
303 devices seems to be littered with ISA chips given a PCI front end,
304 and thus retaining the 16MB DMA addressing limitations of ISA.
305
306                         Types of DMA mappings
307
308 There are two types of DMA mappings:
309
310 - Consistent DMA mappings which are usually mapped at driver
311   initialization, unmapped at the end and for which the hardware should
312   guarantee that the device and the CPU can access the data
313   in parallel and will see updates made by each other without any
314   explicit software flushing.
315
316   Think of "consistent" as "synchronous" or "coherent".
317
318   The current default is to return consistent memory in the low 32
319   bits of the bus space.  However, for future compatibility you should
320   set the consistent mask even if this default is fine for your
321   driver.
322
323   Good examples of what to use consistent mappings for are:
324
325         - Network card DMA ring descriptors.
326         - SCSI adapter mailbox command data structures.
327         - Device firmware microcode executed out of
328           main memory.
329
330   The invariant these examples all require is that any CPU store
331   to memory is immediately visible to the device, and vice
332   versa.  Consistent mappings guarantee this.
333
334   IMPORTANT: Consistent DMA memory does not preclude the usage of
335              proper memory barriers.  The CPU may reorder stores to
336              consistent memory just as it may normal memory.  Example:
337              if it is important for the device to see the first word
338              of a descriptor updated before the second, you must do
339              something like:
340
341                 desc->word0 = address;
342                 wmb();
343                 desc->word1 = DESC_VALID;
344
345              in order to get correct behavior on all platforms.
346
347              Also, on some platforms your driver may need to flush CPU write
348              buffers in much the same way as it needs to flush write buffers
349              found in PCI bridges (such as by reading a register's value
350              after writing it).
351
352 - Streaming DMA mappings which are usually mapped for one DMA
353   transfer, unmapped right after it (unless you use dma_sync_* below)
354   and for which hardware can optimize for sequential accesses.
355
356   This of "streaming" as "asynchronous" or "outside the coherency
357   domain".
358
359   Good examples of what to use streaming mappings for are:
360
361         - Networking buffers transmitted/received by a device.
362         - Filesystem buffers written/read by a SCSI device.
363
364   The interfaces for using this type of mapping were designed in
365   such a way that an implementation can make whatever performance
366   optimizations the hardware allows.  To this end, when using
367   such mappings you must be explicit about what you want to happen.
368
369 Neither type of DMA mapping has alignment restrictions that come from
370 the underlying bus, although some devices may have such restrictions.
371 Also, systems with caches that aren't DMA-coherent will work better
372 when the underlying buffers don't share cache lines with other data.
373
374
375                  Using Consistent DMA mappings.
376
377 To allocate and map large (PAGE_SIZE or so) consistent DMA regions,
378 you should do:
379
380         dma_addr_t dma_handle;
381
382         cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, gfp);
383
384 where device is a struct device *. This may be called in interrupt
385 context with the GFP_ATOMIC flag.
386
387 Size is the length of the region you want to allocate, in bytes.
388
389 This routine will allocate RAM for that region, so it acts similarly to
390 __get_free_pages() (but takes size instead of a page order).  If your
391 driver needs regions sized smaller than a page, you may prefer using
392 the dma_pool interface, described below.
393
394 The consistent DMA mapping interfaces, for non-NULL dev, will by
395 default return a DMA address which is 32-bit addressable.  Even if the
396 device indicates (via DMA mask) that it may address the upper 32-bits,
397 consistent allocation will only return > 32-bit addresses for DMA if
398 the consistent DMA mask has been explicitly changed via
399 dma_set_coherent_mask().  This is true of the dma_pool interface as
400 well.
401
402 dma_alloc_coherent() returns two values: the virtual address which you
403 can use to access it from the CPU and dma_handle which you pass to the
404 card.
405
406 The CPU virtual address and the DMA bus address are both
407 guaranteed to be aligned to the smallest PAGE_SIZE order which
408 is greater than or equal to the requested size.  This invariant
409 exists (for example) to guarantee that if you allocate a chunk
410 which is smaller than or equal to 64 kilobytes, the extent of the
411 buffer you receive will not cross a 64K boundary.
412
413 To unmap and free such a DMA region, you call:
414
415         dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle);
416
417 where dev, size are the same as in the above call and cpu_addr and
418 dma_handle are the values dma_alloc_coherent() returned to you.
419 This function may not be called in interrupt context.
420
421 If your driver needs lots of smaller memory regions, you can write
422 custom code to subdivide pages returned by dma_alloc_coherent(),
423 or you can use the dma_pool API to do that.  A dma_pool is like
424 a kmem_cache, but it uses dma_alloc_coherent(), not __get_free_pages().
425 Also, it understands common hardware constraints for alignment,
426 like queue heads needing to be aligned on N byte boundaries.
427
428 Create a dma_pool like this:
429
430         struct dma_pool *pool;
431
432         pool = dma_pool_create(name, dev, size, align, boundary);
433
434 The "name" is for diagnostics (like a kmem_cache name); dev and size
435 are as above.  The device's hardware alignment requirement for this
436 type of data is "align" (which is expressed in bytes, and must be a
437 power of two).  If your device has no boundary crossing restrictions,
438 pass 0 for boundary; passing 4096 says memory allocated from this pool
439 must not cross 4KByte boundaries (but at that time it may be better to
440 use dma_alloc_coherent() directly instead).
441
442 Allocate memory from a DMA pool like this:
443
444         cpu_addr = dma_pool_alloc(pool, flags, &dma_handle);
445
446 flags are GFP_KERNEL if blocking is permitted (not in_interrupt nor
447 holding SMP locks), GFP_ATOMIC otherwise.  Like dma_alloc_coherent(),
448 this returns two values, cpu_addr and dma_handle.
449
450 Free memory that was allocated from a dma_pool like this:
451
452         dma_pool_free(pool, cpu_addr, dma_handle);
453
454 where pool is what you passed to dma_pool_alloc(), and cpu_addr and
455 dma_handle are the values dma_pool_alloc() returned. This function
456 may be called in interrupt context.
457
458 Destroy a dma_pool by calling:
459
460         dma_pool_destroy(pool);
461
462 Make sure you've called dma_pool_free() for all memory allocated
463 from a pool before you destroy the pool. This function may not
464 be called in interrupt context.
465
466                         DMA Direction
467
468 The interfaces described in subsequent portions of this document
469 take a DMA direction argument, which is an integer and takes on
470 one of the following values:
471
472  DMA_BIDIRECTIONAL
473  DMA_TO_DEVICE
474  DMA_FROM_DEVICE
475  DMA_NONE
476
477 You should provide the exact DMA direction if you know it.
478
479 DMA_TO_DEVICE means "from main memory to the device"
480 DMA_FROM_DEVICE means "from the device to main memory"
481 It is the direction in which the data moves during the DMA
482 transfer.
483
484 You are _strongly_ encouraged to specify this as precisely
485 as you possibly can.
486
487 If you absolutely cannot know the direction of the DMA transfer,
488 specify DMA_BIDIRECTIONAL.  It means that the DMA can go in
489 either direction.  The platform guarantees that you may legally
490 specify this, and that it will work, but this may be at the
491 cost of performance for example.
492
493 The value DMA_NONE is to be used for debugging.  One can
494 hold this in a data structure before you come to know the
495 precise direction, and this will help catch cases where your
496 direction tracking logic has failed to set things up properly.
497
498 Another advantage of specifying this value precisely (outside of
499 potential platform-specific optimizations of such) is for debugging.
500 Some platforms actually have a write permission boolean which DMA
501 mappings can be marked with, much like page protections in the user
502 program address space.  Such platforms can and do report errors in the
503 kernel logs when the DMA controller hardware detects violation of the
504 permission setting.
505
506 Only streaming mappings specify a direction, consistent mappings
507 implicitly have a direction attribute setting of
508 DMA_BIDIRECTIONAL.
509
510 The SCSI subsystem tells you the direction to use in the
511 'sc_data_direction' member of the SCSI command your driver is
512 working on.
513
514 For Networking drivers, it's a rather simple affair.  For transmit
515 packets, map/unmap them with the DMA_TO_DEVICE direction
516 specifier.  For receive packets, just the opposite, map/unmap them
517 with the DMA_FROM_DEVICE direction specifier.
518
519                   Using Streaming DMA mappings
520
521 The streaming DMA mapping routines can be called from interrupt
522 context.  There are two versions of each map/unmap, one which will
523 map/unmap a single memory region, and one which will map/unmap a
524 scatterlist.
525
526 To map a single region, you do:
527
528         struct device *dev = &my_dev->dev;
529         dma_addr_t dma_handle;
530         void *addr = buffer->ptr;
531         size_t size = buffer->len;
532
533         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
534         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
535                 /*
536                  * reduce current DMA mapping usage,
537                  * delay and try again later or
538                  * reset driver.
539                  */
540                 goto map_error_handling;
541         }
542
543 and to unmap it:
544
545         dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, direction);
546
547 You should call dma_mapping_error() as dma_map_single() could fail and return
548 error. Not all DMA implementations support the dma_mapping_error() interface.
549 However, it is a good practice to call dma_mapping_error() interface, which
550 will invoke the generic mapping error check interface. Doing so will ensure
551 that the mapping code will work correctly on all DMA implementations without
552 any dependency on the specifics of the underlying implementation. Using the
553 returned address without checking for errors could result in failures ranging
554 from panics to silent data corruption. A couple of examples of incorrect ways
555 to check for errors that make assumptions about the underlying DMA
556 implementation are as follows and these are applicable to dma_map_page() as
557 well.
558
559 Incorrect example 1:
560         dma_addr_t dma_handle;
561
562         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
563         if ((dma_handle & 0xffff != 0) || (dma_handle >= 0x1000000)) {
564                 goto map_error;
565         }
566
567 Incorrect example 2:
568         dma_addr_t dma_handle;
569
570         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
571         if (dma_handle == DMA_ERROR_CODE) {
572                 goto map_error;
573         }
574
575 You should call dma_unmap_single() when the DMA activity is finished, e.g.,
576 from the interrupt which told you that the DMA transfer is done.
577
578 Using CPU pointers like this for single mappings has a disadvantage:
579 you cannot reference HIGHMEM memory in this way.  Thus, there is a
580 map/unmap interface pair akin to dma_{map,unmap}_single().  These
581 interfaces deal with page/offset pairs instead of CPU pointers.
582 Specifically:
583
584         struct device *dev = &my_dev->dev;
585         dma_addr_t dma_handle;
586         struct page *page = buffer->page;
587         unsigned long offset = buffer->offset;
588         size_t size = buffer->len;
589
590         dma_handle = dma_map_page(dev, page, offset, size, direction);
591         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
592                 /*
593                  * reduce current DMA mapping usage,
594                  * delay and try again later or
595                  * reset driver.
596                  */
597                 goto map_error_handling;
598         }
599
600         ...
601
602         dma_unmap_page(dev, dma_handle, size, direction);
603
604 Here, "offset" means byte offset within the given page.
605
606 You should call dma_mapping_error() as dma_map_page() could fail and return
607 error as outlined under the dma_map_single() discussion.
608
609 You should call dma_unmap_page() when the DMA activity is finished, e.g.,
610 from the interrupt which told you that the DMA transfer is done.
611
612 With scatterlists, you map a region gathered from several regions by:
613
614         int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
615         struct scatterlist *sg;
616
617         for_each_sg(sglist, sg, count, i) {
618                 hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
619                 hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
620         }
621
622 where nents is the number of entries in the sglist.
623
624 The implementation is free to merge several consecutive sglist entries
625 into one (e.g. if DMA mapping is done with PAGE_SIZE granularity, any
626 consecutive sglist entries can be merged into one provided the first one
627 ends and the second one starts on a page boundary - in fact this is a huge
628 advantage for cards which either cannot do scatter-gather or have very
629 limited number of scatter-gather entries) and returns the actual number
630 of sg entries it mapped them to. On failure 0 is returned.
631
632 Then you should loop count times (note: this can be less than nents times)
633 and use sg_dma_address() and sg_dma_len() macros where you previously
634 accessed sg->address and sg->length as shown above.
635
636 To unmap a scatterlist, just call:
637
638         dma_unmap_sg(dev, sglist, nents, direction);
639
640 Again, make sure DMA activity has already finished.
641
642 PLEASE NOTE:  The 'nents' argument to the dma_unmap_sg call must be
643               the _same_ one you passed into the dma_map_sg call,
644               it should _NOT_ be the 'count' value _returned_ from the
645               dma_map_sg call.
646
647 Every dma_map_{single,sg}() call should have its dma_unmap_{single,sg}()
648 counterpart, because the bus address space is a shared resource and
649 you could render the machine unusable by consuming all bus addresses.
650
651 If you need to use the same streaming DMA region multiple times and touch
652 the data in between the DMA transfers, the buffer needs to be synced
653 properly in order for the CPU and device to see the most up-to-date and
654 correct copy of the DMA buffer.
655
656 So, firstly, just map it with dma_map_{single,sg}(), and after each DMA
657 transfer call either:
658
659         dma_sync_single_for_cpu(dev, dma_handle, size, direction);
660
661 or:
662
663         dma_sync_sg_for_cpu(dev, sglist, nents, direction);
664
665 as appropriate.
666
667 Then, if you wish to let the device get at the DMA area again,
668 finish accessing the data with the CPU, and then before actually
669 giving the buffer to the hardware call either:
670
671         dma_sync_single_for_device(dev, dma_handle, size, direction);
672
673 or:
674
675         dma_sync_sg_for_device(dev, sglist, nents, direction);
676
677 as appropriate.
678
679 After the last DMA transfer call one of the DMA unmap routines
680 dma_unmap_{single,sg}(). If you don't touch the data from the first
681 dma_map_*() call till dma_unmap_*(), then you don't have to call the
682 dma_sync_*() routines at all.
683
684 Here is pseudo code which shows a situation in which you would need
685 to use the dma_sync_*() interfaces.
686
687         my_card_setup_receive_buffer(struct my_card *cp, char *buffer, int len)
688         {
689                 dma_addr_t mapping;
690
691                 mapping = dma_map_single(cp->dev, buffer, len, DMA_FROM_DEVICE);
692                 if (dma_mapping_error(cp->dev, dma_handle)) {
693                         /*
694                          * reduce current DMA mapping usage,
695                          * delay and try again later or
696                          * reset driver.
697                          */
698                         goto map_error_handling;
699                 }
700
701                 cp->rx_buf = buffer;
702                 cp->rx_len = len;
703                 cp->rx_dma = mapping;
704
705                 give_rx_buf_to_card(cp);
706         }
707
708         ...
709
710         my_card_interrupt_handler(int irq, void *devid, struct pt_regs *regs)
711         {
712                 struct my_card *cp = devid;
713
714                 ...
715                 if (read_card_status(cp) == RX_BUF_TRANSFERRED) {
716                         struct my_card_header *hp;
717
718                         /* Examine the header to see if we wish
719                          * to accept the data.  But synchronize
720                          * the DMA transfer with the CPU first
721                          * so that we see updated contents.
722                          */
723                         dma_sync_single_for_cpu(&cp->dev, cp->rx_dma,
724                                                 cp->rx_len,
725                                                 DMA_FROM_DEVICE);
726
727                         /* Now it is safe to examine the buffer. */
728                         hp = (struct my_card_header *) cp->rx_buf;
729                         if (header_is_ok(hp)) {
730                                 dma_unmap_single(&cp->dev, cp->rx_dma, cp->rx_len,
731                                                  DMA_FROM_DEVICE);
732                                 pass_to_upper_layers(cp->rx_buf);
733                                 make_and_setup_new_rx_buf(cp);
734                         } else {
735                                 /* CPU should not write to
736                                  * DMA_FROM_DEVICE-mapped area,
737                                  * so dma_sync_single_for_device() is
738                                  * not needed here. It would be required
739                                  * for DMA_BIDIRECTIONAL mapping if
740                                  * the memory was modified.
741                                  */
742                                 give_rx_buf_to_card(cp);
743                         }
744                 }
745         }
746
747 Drivers converted fully to this interface should not use virt_to_bus() any
748 longer, nor should they use bus_to_virt(). Some drivers have to be changed a
749 little bit, because there is no longer an equivalent to bus_to_virt() in the
750 dynamic DMA mapping scheme - you have to always store the DMA addresses
751 returned by the dma_alloc_coherent(), dma_pool_alloc(), and dma_map_single()
752 calls (dma_map_sg() stores them in the scatterlist itself if the platform
753 supports dynamic DMA mapping in hardware) in your driver structures and/or
754 in the card registers.
755
756 All drivers should be using these interfaces with no exceptions.  It
757 is planned to completely remove virt_to_bus() and bus_to_virt() as
758 they are entirely deprecated.  Some ports already do not provide these
759 as it is impossible to correctly support them.
760
761                         Handling Errors
762
763 DMA address space is limited on some architectures and an allocation
764 failure can be determined by:
765
766 - checking if dma_alloc_coherent() returns NULL or dma_map_sg returns 0
767
768 - checking the dma_addr_t returned from dma_map_single() and dma_map_page()
769   by using dma_mapping_error():
770
771         dma_addr_t dma_handle;
772
773         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
774         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
775                 /*
776                  * reduce current DMA mapping usage,
777                  * delay and try again later or
778                  * reset driver.
779                  */
780                 goto map_error_handling;
781         }
782
783 - unmap pages that are already mapped, when mapping error occurs in the middle
784   of a multiple page mapping attempt. These example are applicable to
785   dma_map_page() as well.
786
787 Example 1:
788         dma_addr_t dma_handle1;
789         dma_addr_t dma_handle2;
790
791         dma_handle1 = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
792         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle1)) {
793                 /*
794                  * reduce current DMA mapping usage,
795                  * delay and try again later or
796                  * reset driver.
797                  */
798                 goto map_error_handling1;
799         }
800         dma_handle2 = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
801         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle2)) {
802                 /*
803                  * reduce current DMA mapping usage,
804                  * delay and try again later or
805                  * reset driver.
806                  */
807                 goto map_error_handling2;
808         }
809
810         ...
811
812         map_error_handling2:
813                 dma_unmap_single(dma_handle1);
814         map_error_handling1:
815
816 Example 2: (if buffers are allocated in a loop, unmap all mapped buffers when
817             mapping error is detected in the middle)
818
819         dma_addr_t dma_addr;
820         dma_addr_t array[DMA_BUFFERS];
821         int save_index = 0;
822
823         for (i = 0; i < DMA_BUFFERS; i++) {
824
825                 ...
826
827                 dma_addr = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
828                 if (dma_mapping_error(dev, dma_addr)) {
829                         /*
830                          * reduce current DMA mapping usage,
831                          * delay and try again later or
832                          * reset driver.
833                          */
834                         goto map_error_handling;
835                 }
836                 array[i].dma_addr = dma_addr;
837                 save_index++;
838         }
839
840         ...
841
842         map_error_handling:
843
844         for (i = 0; i < save_index; i++) {
845
846                 ...
847
848                 dma_unmap_single(array[i].dma_addr);
849         }
850
851 Networking drivers must call dev_kfree_skb() to free the socket buffer
852 and return NETDEV_TX_OK if the DMA mapping fails on the transmit hook
853 (ndo_start_xmit). This means that the socket buffer is just dropped in
854 the failure case.
855
856 SCSI drivers must return SCSI_MLQUEUE_HOST_BUSY if the DMA mapping
857 fails in the queuecommand hook. This means that the SCSI subsystem
858 passes the command to the driver again later.
859
860                 Optimizing Unmap State Space Consumption
861
862 On many platforms, dma_unmap_{single,page}() is simply a nop.
863 Therefore, keeping track of the mapping address and length is a waste
864 of space.  Instead of filling your drivers up with ifdefs and the like
865 to "work around" this (which would defeat the whole purpose of a
866 portable API) the following facilities are provided.
867
868 Actually, instead of describing the macros one by one, we'll
869 transform some example code.
870
871 1) Use DEFINE_DMA_UNMAP_{ADDR,LEN} in state saving structures.
872    Example, before:
873
874         struct ring_state {
875                 struct sk_buff *skb;
876                 dma_addr_t mapping;
877                 __u32 len;
878         };
879
880    after:
881
882         struct ring_state {
883                 struct sk_buff *skb;
884                 DEFINE_DMA_UNMAP_ADDR(mapping);
885                 DEFINE_DMA_UNMAP_LEN(len);
886         };
887
888 2) Use dma_unmap_{addr,len}_set() to set these values.
889    Example, before:
890
891         ringp->mapping = FOO;
892         ringp->len = BAR;
893
894    after:
895
896         dma_unmap_addr_set(ringp, mapping, FOO);
897         dma_unmap_len_set(ringp, len, BAR);
898
899 3) Use dma_unmap_{addr,len}() to access these values.
900    Example, before:
901
902         dma_unmap_single(dev, ringp->mapping, ringp->len,
903                          DMA_FROM_DEVICE);
904
905    after:
906
907         dma_unmap_single(dev,
908                          dma_unmap_addr(ringp, mapping),
909                          dma_unmap_len(ringp, len),
910                          DMA_FROM_DEVICE);
911
912 It really should be self-explanatory.  We treat the ADDR and LEN
913 separately, because it is possible for an implementation to only
914 need the address in order to perform the unmap operation.
915
916                         Platform Issues
917
918 If you are just writing drivers for Linux and do not maintain
919 an architecture port for the kernel, you can safely skip down
920 to "Closing".
921
922 1) Struct scatterlist requirements.
923
924    Don't invent the architecture specific struct scatterlist; just use
925    <asm-generic/scatterlist.h>. You need to enable
926    CONFIG_NEED_SG_DMA_LENGTH if the architecture supports IOMMUs
927    (including software IOMMU).
928
929 2) ARCH_DMA_MINALIGN
930
931    Architectures must ensure that kmalloc'ed buffer is
932    DMA-safe. Drivers and subsystems depend on it. If an architecture
933    isn't fully DMA-coherent (i.e. hardware doesn't ensure that data in
934    the CPU cache is identical to data in main memory),
935    ARCH_DMA_MINALIGN must be set so that the memory allocator
936    makes sure that kmalloc'ed buffer doesn't share a cache line with
937    the others. See arch/arm/include/asm/cache.h as an example.
938
939    Note that ARCH_DMA_MINALIGN is about DMA memory alignment
940    constraints. You don't need to worry about the architecture data
941    alignment constraints (e.g. the alignment constraints about 64-bit
942    objects).
943
944 3) Supporting multiple types of IOMMUs
945
946    If your architecture needs to support multiple types of IOMMUs, you
947    can use include/linux/asm-generic/dma-mapping-common.h. It's a
948    library to support the DMA API with multiple types of IOMMUs. Lots
949    of architectures (x86, powerpc, sh, alpha, ia64, microblaze and
950    sparc) use it. Choose one to see how it can be used. If you need to
951    support multiple types of IOMMUs in a single system, the example of
952    x86 or powerpc helps.
953
954                            Closing
955
956 This document, and the API itself, would not be in its current
957 form without the feedback and suggestions from numerous individuals.
958 We would like to specifically mention, in no particular order, the
959 following people:
960
961         Russell King <rmk@arm.linux.org.uk>
962         Leo Dagum <dagum@barrel.engr.sgi.com>
963         Ralf Baechle <ralf@oss.sgi.com>
964         Grant Grundler <grundler@cup.hp.com>
965         Jay Estabrook <Jay.Estabrook@compaq.com>
966         Thomas Sailer <sailer@ife.ee.ethz.ch>
967         Andrea Arcangeli <andrea@suse.de>
968         Jens Axboe <jens.axboe@oracle.com>
969         David Mosberger-Tang <davidm@hpl.hp.com>