Merge tag 'drm-intel-next-2019-03-20' of git://anongit.freedesktop.org/drm/drm-intel...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / DMA-API-HOWTO.txt
1 =========================
2 Dynamic DMA mapping Guide
3 =========================
4
5 :Author: David S. Miller <davem@redhat.com>
6 :Author: Richard Henderson <rth@cygnus.com>
7 :Author: Jakub Jelinek <jakub@redhat.com>
8
9 This is a guide to device driver writers on how to use the DMA API
10 with example pseudo-code.  For a concise description of the API, see
11 DMA-API.txt.
12
13 CPU and DMA addresses
14 =====================
15
16 There are several kinds of addresses involved in the DMA API, and it's
17 important to understand the differences.
18
19 The kernel normally uses virtual addresses.  Any address returned by
20 kmalloc(), vmalloc(), and similar interfaces is a virtual address and can
21 be stored in a ``void *``.
22
23 The virtual memory system (TLB, page tables, etc.) translates virtual
24 addresses to CPU physical addresses, which are stored as "phys_addr_t" or
25 "resource_size_t".  The kernel manages device resources like registers as
26 physical addresses.  These are the addresses in /proc/iomem.  The physical
27 address is not directly useful to a driver; it must use ioremap() to map
28 the space and produce a virtual address.
29
30 I/O devices use a third kind of address: a "bus address".  If a device has
31 registers at an MMIO address, or if it performs DMA to read or write system
32 memory, the addresses used by the device are bus addresses.  In some
33 systems, bus addresses are identical to CPU physical addresses, but in
34 general they are not.  IOMMUs and host bridges can produce arbitrary
35 mappings between physical and bus addresses.
36
37 From a device's point of view, DMA uses the bus address space, but it may
38 be restricted to a subset of that space.  For example, even if a system
39 supports 64-bit addresses for main memory and PCI BARs, it may use an IOMMU
40 so devices only need to use 32-bit DMA addresses.
41
42 Here's a picture and some examples::
43
44                CPU                  CPU                  Bus
45              Virtual              Physical             Address
46              Address              Address               Space
47               Space                Space
48
49             +-------+             +------+             +------+
50             |       |             |MMIO  |   Offset    |      |
51             |       |  Virtual    |Space |   applied   |      |
52           C +-------+ --------> B +------+ ----------> +------+ A
53             |       |  mapping    |      |   by host   |      |
54   +-----+   |       |             |      |   bridge    |      |   +--------+
55   |     |   |       |             +------+             |      |   |        |
56   | CPU |   |       |             | RAM  |             |      |   | Device |
57   |     |   |       |             |      |             |      |   |        |
58   +-----+   +-------+             +------+             +------+   +--------+
59             |       |  Virtual    |Buffer|   Mapping   |      |
60           X +-------+ --------> Y +------+ <---------- +------+ Z
61             |       |  mapping    | RAM  |   by IOMMU
62             |       |             |      |
63             |       |             |      |
64             +-------+             +------+
65
66 During the enumeration process, the kernel learns about I/O devices and
67 their MMIO space and the host bridges that connect them to the system.  For
68 example, if a PCI device has a BAR, the kernel reads the bus address (A)
69 from the BAR and converts it to a CPU physical address (B).  The address B
70 is stored in a struct resource and usually exposed via /proc/iomem.  When a
71 driver claims a device, it typically uses ioremap() to map physical address
72 B at a virtual address (C).  It can then use, e.g., ioread32(C), to access
73 the device registers at bus address A.
74
75 If the device supports DMA, the driver sets up a buffer using kmalloc() or
76 a similar interface, which returns a virtual address (X).  The virtual
77 memory system maps X to a physical address (Y) in system RAM.  The driver
78 can use virtual address X to access the buffer, but the device itself
79 cannot because DMA doesn't go through the CPU virtual memory system.
80
81 In some simple systems, the device can do DMA directly to physical address
82 Y.  But in many others, there is IOMMU hardware that translates DMA
83 addresses to physical addresses, e.g., it translates Z to Y.  This is part
84 of the reason for the DMA API: the driver can give a virtual address X to
85 an interface like dma_map_single(), which sets up any required IOMMU
86 mapping and returns the DMA address Z.  The driver then tells the device to
87 do DMA to Z, and the IOMMU maps it to the buffer at address Y in system
88 RAM.
89
90 So that Linux can use the dynamic DMA mapping, it needs some help from the
91 drivers, namely it has to take into account that DMA addresses should be
92 mapped only for the time they are actually used and unmapped after the DMA
93 transfer.
94
95 The following API will work of course even on platforms where no such
96 hardware exists.
97
98 Note that the DMA API works with any bus independent of the underlying
99 microprocessor architecture. You should use the DMA API rather than the
100 bus-specific DMA API, i.e., use the dma_map_*() interfaces rather than the
101 pci_map_*() interfaces.
102
103 First of all, you should make sure::
104
105         #include <linux/dma-mapping.h>
106
107 is in your driver, which provides the definition of dma_addr_t.  This type
108 can hold any valid DMA address for the platform and should be used
109 everywhere you hold a DMA address returned from the DMA mapping functions.
110
111 What memory is DMA'able?
112 ========================
113
114 The first piece of information you must know is what kernel memory can
115 be used with the DMA mapping facilities.  There has been an unwritten
116 set of rules regarding this, and this text is an attempt to finally
117 write them down.
118
119 If you acquired your memory via the page allocator
120 (i.e. __get_free_page*()) or the generic memory allocators
121 (i.e. kmalloc() or kmem_cache_alloc()) then you may DMA to/from
122 that memory using the addresses returned from those routines.
123
124 This means specifically that you may _not_ use the memory/addresses
125 returned from vmalloc() for DMA.  It is possible to DMA to the
126 _underlying_ memory mapped into a vmalloc() area, but this requires
127 walking page tables to get the physical addresses, and then
128 translating each of those pages back to a kernel address using
129 something like __va().  [ EDIT: Update this when we integrate
130 Gerd Knorr's generic code which does this. ]
131
132 This rule also means that you may use neither kernel image addresses
133 (items in data/text/bss segments), nor module image addresses, nor
134 stack addresses for DMA.  These could all be mapped somewhere entirely
135 different than the rest of physical memory.  Even if those classes of
136 memory could physically work with DMA, you'd need to ensure the I/O
137 buffers were cacheline-aligned.  Without that, you'd see cacheline
138 sharing problems (data corruption) on CPUs with DMA-incoherent caches.
139 (The CPU could write to one word, DMA would write to a different one
140 in the same cache line, and one of them could be overwritten.)
141
142 Also, this means that you cannot take the return of a kmap()
143 call and DMA to/from that.  This is similar to vmalloc().
144
145 What about block I/O and networking buffers?  The block I/O and
146 networking subsystems make sure that the buffers they use are valid
147 for you to DMA from/to.
148
149 DMA addressing capabilities
150 ==========================
151
152 By default, the kernel assumes that your device can address 32-bits of DMA
153 addressing.  For a 64-bit capable device, this needs to be increased, and for
154 a device with limitations, it needs to be decreased.
155
156 Special note about PCI: PCI-X specification requires PCI-X devices to support
157 64-bit addressing (DAC) for all transactions.  And at least one platform (SGI
158 SN2) requires 64-bit consistent allocations to operate correctly when the IO
159 bus is in PCI-X mode.
160
161 For correct operation, you must set the DMA mask to inform the kernel about
162 your devices DMA addressing capabilities.
163
164 This 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 set the mask for both streaming and coherent APIs together.  If you
169 have some special requirements, then the following two separate calls can be
170 used instead:
171
172         The setup 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 setup 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 is a bit
183 mask describing which bits of an address your device supports.  Often the
184 device struct of your device is embedded in the bus-specific device struct of
185 your device.  For example, &pdev->dev is a pointer to the device struct of a
186 PCI device (pdev is a pointer to the PCI device struct of your device).
187
188 These calls usually return zero to indicated your device can perform DMA
189 properly on the machine given the address mask you provided, but they might
190 return an error if the mask is too small to be supportable on the given
191 system.  If it returns non-zero, your device cannot perform DMA properly on
192 this platform, and attempting to do so will result in undefined behavior.
193 You must not use DMA on this device unless the dma_set_mask family of
194 functions has returned success.
195
196 This means that in the failure case, you have two options:
197
198 1) Use some non-DMA mode for data transfer, if possible.
199 2) Ignore this device and do not initialize it.
200
201 It is recommended that your driver print a kernel KERN_WARNING message when
202 setting the DMA mask fails.  In this manner, if a user of your driver reports
203 that performance is bad or that the device is not even detected, you can ask
204 them for the kernel messages to find out exactly why.
205
206 The standard 64-bit addressing device would do something like this::
207
208         if (dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
209                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
210                 goto ignore_this_device;
211         }
212
213 If the device only supports 32-bit addressing for descriptors in the
214 coherent allocations, but supports full 64-bits for streaming mappings
215 it would look like this:
216
217         if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
218                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
219                 goto ignore_this_device;
220         }
221
222 The coherent mask will always be able to set the same or a smaller mask as
223 the streaming mask. However for the rare case that a device driver only
224 uses consistent allocations, one would have to check the return value from
225 dma_set_coherent_mask().
226
227 Finally, if your device can only drive the low 24-bits of
228 address you might do something like::
229
230         if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(24))) {
231                 dev_warn(dev, "mydev: 24-bit DMA addressing not available\n");
232                 goto ignore_this_device;
233         }
234
235 When dma_set_mask() or dma_set_mask_and_coherent() is successful, and
236 returns zero, the kernel saves away this mask you have provided.  The
237 kernel will use this information later when you make DMA mappings.
238
239 There is a case which we are aware of at this time, which is worth
240 mentioning in this documentation.  If your device supports multiple
241 functions (for example a sound card provides playback and record
242 functions) and the various different functions have _different_
243 DMA addressing limitations, you may wish to probe each mask and
244 only provide the functionality which the machine can handle.  It
245 is important that the last call to dma_set_mask() be for the
246 most specific mask.
247
248 Here is pseudo-code showing how this might be done::
249
250         #define PLAYBACK_ADDRESS_BITS   DMA_BIT_MASK(32)
251         #define RECORD_ADDRESS_BITS     DMA_BIT_MASK(24)
252
253         struct my_sound_card *card;
254         struct device *dev;
255
256         ...
257         if (!dma_set_mask(dev, PLAYBACK_ADDRESS_BITS)) {
258                 card->playback_enabled = 1;
259         } else {
260                 card->playback_enabled = 0;
261                 dev_warn(dev, "%s: Playback disabled due to DMA limitations\n",
262                        card->name);
263         }
264         if (!dma_set_mask(dev, RECORD_ADDRESS_BITS)) {
265                 card->record_enabled = 1;
266         } else {
267                 card->record_enabled = 0;
268                 dev_warn(dev, "%s: Record disabled due to DMA limitations\n",
269                        card->name);
270         }
271
272 A sound card was used as an example here because this genre of PCI
273 devices seems to be littered with ISA chips given a PCI front end,
274 and thus retaining the 16MB DMA addressing limitations of ISA.
275
276 Types of DMA mappings
277 =====================
278
279 There are two types of DMA mappings:
280
281 - Consistent DMA mappings which are usually mapped at driver
282   initialization, unmapped at the end and for which the hardware should
283   guarantee that the device and the CPU can access the data
284   in parallel and will see updates made by each other without any
285   explicit software flushing.
286
287   Think of "consistent" as "synchronous" or "coherent".
288
289   The current default is to return consistent memory in the low 32
290   bits of the DMA space.  However, for future compatibility you should
291   set the consistent mask even if this default is fine for your
292   driver.
293
294   Good examples of what to use consistent mappings for are:
295
296         - Network card DMA ring descriptors.
297         - SCSI adapter mailbox command data structures.
298         - Device firmware microcode executed out of
299           main memory.
300
301   The invariant these examples all require is that any CPU store
302   to memory is immediately visible to the device, and vice
303   versa.  Consistent mappings guarantee this.
304
305   .. important::
306
307              Consistent DMA memory does not preclude the usage of
308              proper memory barriers.  The CPU may reorder stores to
309              consistent memory just as it may normal memory.  Example:
310              if it is important for the device to see the first word
311              of a descriptor updated before the second, you must do
312              something like::
313
314                 desc->word0 = address;
315                 wmb();
316                 desc->word1 = DESC_VALID;
317
318              in order to get correct behavior on all platforms.
319
320              Also, on some platforms your driver may need to flush CPU write
321              buffers in much the same way as it needs to flush write buffers
322              found in PCI bridges (such as by reading a register's value
323              after writing it).
324
325 - Streaming DMA mappings which are usually mapped for one DMA
326   transfer, unmapped right after it (unless you use dma_sync_* below)
327   and for which hardware can optimize for sequential accesses.
328
329   Think of "streaming" as "asynchronous" or "outside the coherency
330   domain".
331
332   Good examples of what to use streaming mappings for are:
333
334         - Networking buffers transmitted/received by a device.
335         - Filesystem buffers written/read by a SCSI device.
336
337   The interfaces for using this type of mapping were designed in
338   such a way that an implementation can make whatever performance
339   optimizations the hardware allows.  To this end, when using
340   such mappings you must be explicit about what you want to happen.
341
342 Neither type of DMA mapping has alignment restrictions that come from
343 the underlying bus, although some devices may have such restrictions.
344 Also, systems with caches that aren't DMA-coherent will work better
345 when the underlying buffers don't share cache lines with other data.
346
347
348 Using Consistent DMA mappings
349 =============================
350
351 To allocate and map large (PAGE_SIZE or so) consistent DMA regions,
352 you should do::
353
354         dma_addr_t dma_handle;
355
356         cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, gfp);
357
358 where device is a ``struct device *``. This may be called in interrupt
359 context with the GFP_ATOMIC flag.
360
361 Size is the length of the region you want to allocate, in bytes.
362
363 This routine will allocate RAM for that region, so it acts similarly to
364 __get_free_pages() (but takes size instead of a page order).  If your
365 driver needs regions sized smaller than a page, you may prefer using
366 the dma_pool interface, described below.
367
368 The consistent DMA mapping interfaces, for non-NULL dev, will by
369 default return a DMA address which is 32-bit addressable.  Even if the
370 device indicates (via DMA mask) that it may address the upper 32-bits,
371 consistent allocation will only return > 32-bit addresses for DMA if
372 the consistent DMA mask has been explicitly changed via
373 dma_set_coherent_mask().  This is true of the dma_pool interface as
374 well.
375
376 dma_alloc_coherent() returns two values: the virtual address which you
377 can use to access it from the CPU and dma_handle which you pass to the
378 card.
379
380 The CPU virtual address and the DMA address are both
381 guaranteed to be aligned to the smallest PAGE_SIZE order which
382 is greater than or equal to the requested size.  This invariant
383 exists (for example) to guarantee that if you allocate a chunk
384 which is smaller than or equal to 64 kilobytes, the extent of the
385 buffer you receive will not cross a 64K boundary.
386
387 To unmap and free such a DMA region, you call::
388
389         dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle);
390
391 where dev, size are the same as in the above call and cpu_addr and
392 dma_handle are the values dma_alloc_coherent() returned to you.
393 This function may not be called in interrupt context.
394
395 If your driver needs lots of smaller memory regions, you can write
396 custom code to subdivide pages returned by dma_alloc_coherent(),
397 or you can use the dma_pool API to do that.  A dma_pool is like
398 a kmem_cache, but it uses dma_alloc_coherent(), not __get_free_pages().
399 Also, it understands common hardware constraints for alignment,
400 like queue heads needing to be aligned on N byte boundaries.
401
402 Create a dma_pool like this::
403
404         struct dma_pool *pool;
405
406         pool = dma_pool_create(name, dev, size, align, boundary);
407
408 The "name" is for diagnostics (like a kmem_cache name); dev and size
409 are as above.  The device's hardware alignment requirement for this
410 type of data is "align" (which is expressed in bytes, and must be a
411 power of two).  If your device has no boundary crossing restrictions,
412 pass 0 for boundary; passing 4096 says memory allocated from this pool
413 must not cross 4KByte boundaries (but at that time it may be better to
414 use dma_alloc_coherent() directly instead).
415
416 Allocate memory from a DMA pool like this::
417
418         cpu_addr = dma_pool_alloc(pool, flags, &dma_handle);
419
420 flags are GFP_KERNEL if blocking is permitted (not in_interrupt nor
421 holding SMP locks), GFP_ATOMIC otherwise.  Like dma_alloc_coherent(),
422 this returns two values, cpu_addr and dma_handle.
423
424 Free memory that was allocated from a dma_pool like this::
425
426         dma_pool_free(pool, cpu_addr, dma_handle);
427
428 where pool is what you passed to dma_pool_alloc(), and cpu_addr and
429 dma_handle are the values dma_pool_alloc() returned. This function
430 may be called in interrupt context.
431
432 Destroy a dma_pool by calling::
433
434         dma_pool_destroy(pool);
435
436 Make sure you've called dma_pool_free() for all memory allocated
437 from a pool before you destroy the pool. This function may not
438 be called in interrupt context.
439
440 DMA Direction
441 =============
442
443 The interfaces described in subsequent portions of this document
444 take a DMA direction argument, which is an integer and takes on
445 one of the following values::
446
447  DMA_BIDIRECTIONAL
448  DMA_TO_DEVICE
449  DMA_FROM_DEVICE
450  DMA_NONE
451
452 You should provide the exact DMA direction if you know it.
453
454 DMA_TO_DEVICE means "from main memory to the device"
455 DMA_FROM_DEVICE means "from the device to main memory"
456 It is the direction in which the data moves during the DMA
457 transfer.
458
459 You are _strongly_ encouraged to specify this as precisely
460 as you possibly can.
461
462 If you absolutely cannot know the direction of the DMA transfer,
463 specify DMA_BIDIRECTIONAL.  It means that the DMA can go in
464 either direction.  The platform guarantees that you may legally
465 specify this, and that it will work, but this may be at the
466 cost of performance for example.
467
468 The value DMA_NONE is to be used for debugging.  One can
469 hold this in a data structure before you come to know the
470 precise direction, and this will help catch cases where your
471 direction tracking logic has failed to set things up properly.
472
473 Another advantage of specifying this value precisely (outside of
474 potential platform-specific optimizations of such) is for debugging.
475 Some platforms actually have a write permission boolean which DMA
476 mappings can be marked with, much like page protections in the user
477 program address space.  Such platforms can and do report errors in the
478 kernel logs when the DMA controller hardware detects violation of the
479 permission setting.
480
481 Only streaming mappings specify a direction, consistent mappings
482 implicitly have a direction attribute setting of
483 DMA_BIDIRECTIONAL.
484
485 The SCSI subsystem tells you the direction to use in the
486 'sc_data_direction' member of the SCSI command your driver is
487 working on.
488
489 For Networking drivers, it's a rather simple affair.  For transmit
490 packets, map/unmap them with the DMA_TO_DEVICE direction
491 specifier.  For receive packets, just the opposite, map/unmap them
492 with the DMA_FROM_DEVICE direction specifier.
493
494 Using Streaming DMA mappings
495 ============================
496
497 The streaming DMA mapping routines can be called from interrupt
498 context.  There are two versions of each map/unmap, one which will
499 map/unmap a single memory region, and one which will map/unmap a
500 scatterlist.
501
502 To map a single region, you do::
503
504         struct device *dev = &my_dev->dev;
505         dma_addr_t dma_handle;
506         void *addr = buffer->ptr;
507         size_t size = buffer->len;
508
509         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
510         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
511                 /*
512                  * reduce current DMA mapping usage,
513                  * delay and try again later or
514                  * reset driver.
515                  */
516                 goto map_error_handling;
517         }
518
519 and to unmap it::
520
521         dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, direction);
522
523 You should call dma_mapping_error() as dma_map_single() could fail and return
524 error.  Doing so will ensure that the mapping code will work correctly on all
525 DMA implementations without any dependency on the specifics of the underlying
526 implementation. Using the returned address without checking for errors could
527 result in failures ranging from panics to silent data corruption.  The same
528 applies to dma_map_page() as well.
529
530 You should call dma_unmap_single() when the DMA activity is finished, e.g.,
531 from the interrupt which told you that the DMA transfer is done.
532
533 Using CPU pointers like this for single mappings has a disadvantage:
534 you cannot reference HIGHMEM memory in this way.  Thus, there is a
535 map/unmap interface pair akin to dma_{map,unmap}_single().  These
536 interfaces deal with page/offset pairs instead of CPU pointers.
537 Specifically::
538
539         struct device *dev = &my_dev->dev;
540         dma_addr_t dma_handle;
541         struct page *page = buffer->page;
542         unsigned long offset = buffer->offset;
543         size_t size = buffer->len;
544
545         dma_handle = dma_map_page(dev, page, offset, size, direction);
546         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
547                 /*
548                  * reduce current DMA mapping usage,
549                  * delay and try again later or
550                  * reset driver.
551                  */
552                 goto map_error_handling;
553         }
554
555         ...
556
557         dma_unmap_page(dev, dma_handle, size, direction);
558
559 Here, "offset" means byte offset within the given page.
560
561 You should call dma_mapping_error() as dma_map_page() could fail and return
562 error as outlined under the dma_map_single() discussion.
563
564 You should call dma_unmap_page() when the DMA activity is finished, e.g.,
565 from the interrupt which told you that the DMA transfer is done.
566
567 With scatterlists, you map a region gathered from several regions by::
568
569         int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
570         struct scatterlist *sg;
571
572         for_each_sg(sglist, sg, count, i) {
573                 hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
574                 hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
575         }
576
577 where nents is the number of entries in the sglist.
578
579 The implementation is free to merge several consecutive sglist entries
580 into one (e.g. if DMA mapping is done with PAGE_SIZE granularity, any
581 consecutive sglist entries can be merged into one provided the first one
582 ends and the second one starts on a page boundary - in fact this is a huge
583 advantage for cards which either cannot do scatter-gather or have very
584 limited number of scatter-gather entries) and returns the actual number
585 of sg entries it mapped them to. On failure 0 is returned.
586
587 Then you should loop count times (note: this can be less than nents times)
588 and use sg_dma_address() and sg_dma_len() macros where you previously
589 accessed sg->address and sg->length as shown above.
590
591 To unmap a scatterlist, just call::
592
593         dma_unmap_sg(dev, sglist, nents, direction);
594
595 Again, make sure DMA activity has already finished.
596
597 .. note::
598
599         The 'nents' argument to the dma_unmap_sg call must be
600         the _same_ one you passed into the dma_map_sg call,
601         it should _NOT_ be the 'count' value _returned_ from the
602         dma_map_sg call.
603
604 Every dma_map_{single,sg}() call should have its dma_unmap_{single,sg}()
605 counterpart, because the DMA address space is a shared resource and
606 you could render the machine unusable by consuming all DMA addresses.
607
608 If you need to use the same streaming DMA region multiple times and touch
609 the data in between the DMA transfers, the buffer needs to be synced
610 properly in order for the CPU and device to see the most up-to-date and
611 correct copy of the DMA buffer.
612
613 So, firstly, just map it with dma_map_{single,sg}(), and after each DMA
614 transfer call either::
615
616         dma_sync_single_for_cpu(dev, dma_handle, size, direction);
617
618 or::
619
620         dma_sync_sg_for_cpu(dev, sglist, nents, direction);
621
622 as appropriate.
623
624 Then, if you wish to let the device get at the DMA area again,
625 finish accessing the data with the CPU, and then before actually
626 giving the buffer to the hardware call either::
627
628         dma_sync_single_for_device(dev, dma_handle, size, direction);
629
630 or::
631
632         dma_sync_sg_for_device(dev, sglist, nents, direction);
633
634 as appropriate.
635
636 .. note::
637
638               The 'nents' argument to dma_sync_sg_for_cpu() and
639               dma_sync_sg_for_device() must be the same passed to
640               dma_map_sg(). It is _NOT_ the count returned by
641               dma_map_sg().
642
643 After the last DMA transfer call one of the DMA unmap routines
644 dma_unmap_{single,sg}(). If you don't touch the data from the first
645 dma_map_*() call till dma_unmap_*(), then you don't have to call the
646 dma_sync_*() routines at all.
647
648 Here is pseudo code which shows a situation in which you would need
649 to use the dma_sync_*() interfaces::
650
651         my_card_setup_receive_buffer(struct my_card *cp, char *buffer, int len)
652         {
653                 dma_addr_t mapping;
654
655                 mapping = dma_map_single(cp->dev, buffer, len, DMA_FROM_DEVICE);
656                 if (dma_mapping_error(cp->dev, mapping)) {
657                         /*
658                          * reduce current DMA mapping usage,
659                          * delay and try again later or
660                          * reset driver.
661                          */
662                         goto map_error_handling;
663                 }
664
665                 cp->rx_buf = buffer;
666                 cp->rx_len = len;
667                 cp->rx_dma = mapping;
668
669                 give_rx_buf_to_card(cp);
670         }
671
672         ...
673
674         my_card_interrupt_handler(int irq, void *devid, struct pt_regs *regs)
675         {
676                 struct my_card *cp = devid;
677
678                 ...
679                 if (read_card_status(cp) == RX_BUF_TRANSFERRED) {
680                         struct my_card_header *hp;
681
682                         /* Examine the header to see if we wish
683                          * to accept the data.  But synchronize
684                          * the DMA transfer with the CPU first
685                          * so that we see updated contents.
686                          */
687                         dma_sync_single_for_cpu(&cp->dev, cp->rx_dma,
688                                                 cp->rx_len,
689                                                 DMA_FROM_DEVICE);
690
691                         /* Now it is safe to examine the buffer. */
692                         hp = (struct my_card_header *) cp->rx_buf;
693                         if (header_is_ok(hp)) {
694                                 dma_unmap_single(&cp->dev, cp->rx_dma, cp->rx_len,
695                                                  DMA_FROM_DEVICE);
696                                 pass_to_upper_layers(cp->rx_buf);
697                                 make_and_setup_new_rx_buf(cp);
698                         } else {
699                                 /* CPU should not write to
700                                  * DMA_FROM_DEVICE-mapped area,
701                                  * so dma_sync_single_for_device() is
702                                  * not needed here. It would be required
703                                  * for DMA_BIDIRECTIONAL mapping if
704                                  * the memory was modified.
705                                  */
706                                 give_rx_buf_to_card(cp);
707                         }
708                 }
709         }
710
711 Drivers converted fully to this interface should not use virt_to_bus() any
712 longer, nor should they use bus_to_virt(). Some drivers have to be changed a
713 little bit, because there is no longer an equivalent to bus_to_virt() in the
714 dynamic DMA mapping scheme - you have to always store the DMA addresses
715 returned by the dma_alloc_coherent(), dma_pool_alloc(), and dma_map_single()
716 calls (dma_map_sg() stores them in the scatterlist itself if the platform
717 supports dynamic DMA mapping in hardware) in your driver structures and/or
718 in the card registers.
719
720 All drivers should be using these interfaces with no exceptions.  It
721 is planned to completely remove virt_to_bus() and bus_to_virt() as
722 they are entirely deprecated.  Some ports already do not provide these
723 as it is impossible to correctly support them.
724
725 Handling Errors
726 ===============
727
728 DMA address space is limited on some architectures and an allocation
729 failure can be determined by:
730
731 - checking if dma_alloc_coherent() returns NULL or dma_map_sg returns 0
732
733 - checking the dma_addr_t returned from dma_map_single() and dma_map_page()
734   by using dma_mapping_error()::
735
736         dma_addr_t dma_handle;
737
738         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
739         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
740                 /*
741                  * reduce current DMA mapping usage,
742                  * delay and try again later or
743                  * reset driver.
744                  */
745                 goto map_error_handling;
746         }
747
748 - unmap pages that are already mapped, when mapping error occurs in the middle
749   of a multiple page mapping attempt. These example are applicable to
750   dma_map_page() as well.
751
752 Example 1::
753
754         dma_addr_t dma_handle1;
755         dma_addr_t dma_handle2;
756
757         dma_handle1 = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
758         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle1)) {
759                 /*
760                  * reduce current DMA mapping usage,
761                  * delay and try again later or
762                  * reset driver.
763                  */
764                 goto map_error_handling1;
765         }
766         dma_handle2 = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
767         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle2)) {
768                 /*
769                  * reduce current DMA mapping usage,
770                  * delay and try again later or
771                  * reset driver.
772                  */
773                 goto map_error_handling2;
774         }
775
776         ...
777
778         map_error_handling2:
779                 dma_unmap_single(dma_handle1);
780         map_error_handling1:
781
782 Example 2::
783
784         /*
785          * if buffers are allocated in a loop, unmap all mapped buffers when
786          * mapping error is detected in the middle
787          */
788
789         dma_addr_t dma_addr;
790         dma_addr_t array[DMA_BUFFERS];
791         int save_index = 0;
792
793         for (i = 0; i < DMA_BUFFERS; i++) {
794
795                 ...
796
797                 dma_addr = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
798                 if (dma_mapping_error(dev, dma_addr)) {
799                         /*
800                          * reduce current DMA mapping usage,
801                          * delay and try again later or
802                          * reset driver.
803                          */
804                         goto map_error_handling;
805                 }
806                 array[i].dma_addr = dma_addr;
807                 save_index++;
808         }
809
810         ...
811
812         map_error_handling:
813
814         for (i = 0; i < save_index; i++) {
815
816                 ...
817
818                 dma_unmap_single(array[i].dma_addr);
819         }
820
821 Networking drivers must call dev_kfree_skb() to free the socket buffer
822 and return NETDEV_TX_OK if the DMA mapping fails on the transmit hook
823 (ndo_start_xmit). This means that the socket buffer is just dropped in
824 the failure case.
825
826 SCSI drivers must return SCSI_MLQUEUE_HOST_BUSY if the DMA mapping
827 fails in the queuecommand hook. This means that the SCSI subsystem
828 passes the command to the driver again later.
829
830 Optimizing Unmap State Space Consumption
831 ========================================
832
833 On many platforms, dma_unmap_{single,page}() is simply a nop.
834 Therefore, keeping track of the mapping address and length is a waste
835 of space.  Instead of filling your drivers up with ifdefs and the like
836 to "work around" this (which would defeat the whole purpose of a
837 portable API) the following facilities are provided.
838
839 Actually, instead of describing the macros one by one, we'll
840 transform some example code.
841
842 1) Use DEFINE_DMA_UNMAP_{ADDR,LEN} in state saving structures.
843    Example, before::
844
845         struct ring_state {
846                 struct sk_buff *skb;
847                 dma_addr_t mapping;
848                 __u32 len;
849         };
850
851    after::
852
853         struct ring_state {
854                 struct sk_buff *skb;
855                 DEFINE_DMA_UNMAP_ADDR(mapping);
856                 DEFINE_DMA_UNMAP_LEN(len);
857         };
858
859 2) Use dma_unmap_{addr,len}_set() to set these values.
860    Example, before::
861
862         ringp->mapping = FOO;
863         ringp->len = BAR;
864
865    after::
866
867         dma_unmap_addr_set(ringp, mapping, FOO);
868         dma_unmap_len_set(ringp, len, BAR);
869
870 3) Use dma_unmap_{addr,len}() to access these values.
871    Example, before::
872
873         dma_unmap_single(dev, ringp->mapping, ringp->len,
874                          DMA_FROM_DEVICE);
875
876    after::
877
878         dma_unmap_single(dev,
879                          dma_unmap_addr(ringp, mapping),
880                          dma_unmap_len(ringp, len),
881                          DMA_FROM_DEVICE);
882
883 It really should be self-explanatory.  We treat the ADDR and LEN
884 separately, because it is possible for an implementation to only
885 need the address in order to perform the unmap operation.
886
887 Platform Issues
888 ===============
889
890 If you are just writing drivers for Linux and do not maintain
891 an architecture port for the kernel, you can safely skip down
892 to "Closing".
893
894 1) Struct scatterlist requirements.
895
896    You need to enable CONFIG_NEED_SG_DMA_LENGTH if the architecture
897    supports IOMMUs (including software IOMMU).
898
899 2) ARCH_DMA_MINALIGN
900
901    Architectures must ensure that kmalloc'ed buffer is
902    DMA-safe. Drivers and subsystems depend on it. If an architecture
903    isn't fully DMA-coherent (i.e. hardware doesn't ensure that data in
904    the CPU cache is identical to data in main memory),
905    ARCH_DMA_MINALIGN must be set so that the memory allocator
906    makes sure that kmalloc'ed buffer doesn't share a cache line with
907    the others. See arch/arm/include/asm/cache.h as an example.
908
909    Note that ARCH_DMA_MINALIGN is about DMA memory alignment
910    constraints. You don't need to worry about the architecture data
911    alignment constraints (e.g. the alignment constraints about 64-bit
912    objects).
913
914 Closing
915 =======
916
917 This document, and the API itself, would not be in its current
918 form without the feedback and suggestions from numerous individuals.
919 We would like to specifically mention, in no particular order, the
920 following people::
921
922         Russell King <rmk@arm.linux.org.uk>
923         Leo Dagum <dagum@barrel.engr.sgi.com>
924         Ralf Baechle <ralf@oss.sgi.com>
925         Grant Grundler <grundler@cup.hp.com>
926         Jay Estabrook <Jay.Estabrook@compaq.com>
927         Thomas Sailer <sailer@ife.ee.ethz.ch>
928         Andrea Arcangeli <andrea@suse.de>
929         Jens Axboe <jens.axboe@oracle.com>
930         David Mosberger-Tang <davidm@hpl.hp.com>