Linux 4.14.5
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / DMA-API-HOWTO.txt
blobf0cc3f772265488b24f2ace181c62c34cd0b080d
1 =========================
2 Dynamic DMA mapping Guide
3 =========================
5 :Author: David S. Miller <davem@redhat.com>
6 :Author: Richard Henderson <rth@cygnus.com>
7 :Author: Jakub Jelinek <jakub@redhat.com>
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.
13 CPU and DMA addresses
14 =====================
16 There are several kinds of addresses involved in the DMA API, and it's
17 important to understand the differences.
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 *``.
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.
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.
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.
42 Here's a picture and some examples::
44                CPU                  CPU                  Bus
45              Virtual              Physical             Address
46              Address              Address               Space
47               Space                Space
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             +-------+             +------+
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.
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.
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.
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.
95 The following API will work of course even on platforms where no such
96 hardware exists.
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.
103 First of all, you should make sure::
105         #include <linux/dma-mapping.h>
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.
111 What memory is DMA'able?
112 ========================
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.
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.
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. ]
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.)
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().
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.
149 DMA addressing limitations
150 ==========================
152 Does your device have any DMA addressing limitations?  For example, is
153 your device only capable of driving the low order 24-bits of address?
154 If so, you need to inform the kernel of this fact.
156 By default, the kernel assumes that your device can address the full
157 32-bits.  For a 64-bit capable device, this needs to be increased.
158 And for a device with limitations, as discussed in the previous
159 paragraph, it needs to be decreased.
161 Special note about PCI: PCI-X specification requires PCI-X devices to
162 support 64-bit addressing (DAC) for all transactions.  And at least
163 one platform (SGI SN2) requires 64-bit consistent allocations to
164 operate correctly when the IO bus is in PCI-X mode.
166 For correct operation, you must interrogate the kernel in your device
167 probe routine to see if the DMA controller on the machine can properly
168 support the DMA addressing limitation your device has.  It is good
169 style to do this even if your device holds the default setting,
170 because this shows that you did think about these issues wrt. your
171 device.
173 The query is performed via a call to dma_set_mask_and_coherent()::
175         int dma_set_mask_and_coherent(struct device *dev, u64 mask);
177 which will query the mask for both streaming and coherent APIs together.
178 If you have some special requirements, then the following two separate
179 queries can be used instead:
181         The query for streaming mappings is performed via a call to
182         dma_set_mask()::
184                 int dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask);
186         The query for consistent allocations is performed via a call
187         to dma_set_coherent_mask()::
189                 int dma_set_coherent_mask(struct device *dev, u64 mask);
191 Here, dev is a pointer to the device struct of your device, and mask
192 is a bit mask describing which bits of an address your device
193 supports.  It returns zero if your card can perform DMA properly on
194 the machine given the address mask you provided.  In general, the
195 device struct of your device is embedded in the bus-specific device
196 struct of your device.  For example, &pdev->dev is a pointer to the
197 device struct of a PCI device (pdev is a pointer to the PCI device
198 struct of your device).
200 If it returns non-zero, your device cannot perform DMA properly on
201 this platform, and attempting to do so will result in undefined
202 behavior.  You must either use a different mask, or not use DMA.
204 This means that in the failure case, you have three options:
206 1) Use another DMA mask, if possible (see below).
207 2) Use some non-DMA mode for data transfer, if possible.
208 3) Ignore this device and do not initialize it.
210 It is recommended that your driver print a kernel KERN_WARNING message
211 when you end up performing either #2 or #3.  In this manner, if a user
212 of your driver reports that performance is bad or that the device is not
213 even detected, you can ask them for the kernel messages to find out
214 exactly why.
216 The standard 32-bit addressing device would do something like this::
218         if (dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
219                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
220                 goto ignore_this_device;
221         }
223 Another common scenario is a 64-bit capable device.  The approach here
224 is to try for 64-bit addressing, but back down to a 32-bit mask that
225 should not fail.  The kernel may fail the 64-bit mask not because the
226 platform is not capable of 64-bit addressing.  Rather, it may fail in
227 this case simply because 32-bit addressing is done more efficiently
228 than 64-bit addressing.  For example, Sparc64 PCI SAC addressing is
229 more efficient than DAC addressing.
231 Here is how you would handle a 64-bit capable device which can drive
232 all 64-bits when accessing streaming DMA::
234         int using_dac;
236         if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
237                 using_dac = 1;
238         } else if (!dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
239                 using_dac = 0;
240         } else {
241                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
242                 goto ignore_this_device;
243         }
245 If a card is capable of using 64-bit consistent allocations as well,
246 the case would look like this::
248         int using_dac, consistent_using_dac;
250         if (!dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(64))) {
251                 using_dac = 1;
252                 consistent_using_dac = 1;
253         } else if (!dma_set_mask_and_coherent(dev, DMA_BIT_MASK(32))) {
254                 using_dac = 0;
255                 consistent_using_dac = 0;
256         } else {
257                 dev_warn(dev, "mydev: No suitable DMA available\n");
258                 goto ignore_this_device;
259         }
261 The coherent mask will always be able to set the same or a smaller mask as
262 the streaming mask. However for the rare case that a device driver only
263 uses consistent allocations, one would have to check the return value from
264 dma_set_coherent_mask().
266 Finally, if your device can only drive the low 24-bits of
267 address you might do something like::
269         if (dma_set_mask(dev, DMA_BIT_MASK(24))) {
270                 dev_warn(dev, "mydev: 24-bit DMA addressing not available\n");
271                 goto ignore_this_device;
272         }
274 When dma_set_mask() or dma_set_mask_and_coherent() is successful, and
275 returns zero, the kernel saves away this mask you have provided.  The
276 kernel will use this information later when you make DMA mappings.
278 There is a case which we are aware of at this time, which is worth
279 mentioning in this documentation.  If your device supports multiple
280 functions (for example a sound card provides playback and record
281 functions) and the various different functions have _different_
282 DMA addressing limitations, you may wish to probe each mask and
283 only provide the functionality which the machine can handle.  It
284 is important that the last call to dma_set_mask() be for the
285 most specific mask.
287 Here is pseudo-code showing how this might be done::
289         #define PLAYBACK_ADDRESS_BITS   DMA_BIT_MASK(32)
290         #define RECORD_ADDRESS_BITS     DMA_BIT_MASK(24)
292         struct my_sound_card *card;
293         struct device *dev;
295         ...
296         if (!dma_set_mask(dev, PLAYBACK_ADDRESS_BITS)) {
297                 card->playback_enabled = 1;
298         } else {
299                 card->playback_enabled = 0;
300                 dev_warn(dev, "%s: Playback disabled due to DMA limitations\n",
301                        card->name);
302         }
303         if (!dma_set_mask(dev, RECORD_ADDRESS_BITS)) {
304                 card->record_enabled = 1;
305         } else {
306                 card->record_enabled = 0;
307                 dev_warn(dev, "%s: Record disabled due to DMA limitations\n",
308                        card->name);
309         }
311 A sound card was used as an example here because this genre of PCI
312 devices seems to be littered with ISA chips given a PCI front end,
313 and thus retaining the 16MB DMA addressing limitations of ISA.
315 Types of DMA mappings
316 =====================
318 There are two types of DMA mappings:
320 - Consistent DMA mappings which are usually mapped at driver
321   initialization, unmapped at the end and for which the hardware should
322   guarantee that the device and the CPU can access the data
323   in parallel and will see updates made by each other without any
324   explicit software flushing.
326   Think of "consistent" as "synchronous" or "coherent".
328   The current default is to return consistent memory in the low 32
329   bits of the DMA space.  However, for future compatibility you should
330   set the consistent mask even if this default is fine for your
331   driver.
333   Good examples of what to use consistent mappings for are:
335         - Network card DMA ring descriptors.
336         - SCSI adapter mailbox command data structures.
337         - Device firmware microcode executed out of
338           main memory.
340   The invariant these examples all require is that any CPU store
341   to memory is immediately visible to the device, and vice
342   versa.  Consistent mappings guarantee this.
344   .. important::
346              Consistent DMA memory does not preclude the usage of
347              proper memory barriers.  The CPU may reorder stores to
348              consistent memory just as it may normal memory.  Example:
349              if it is important for the device to see the first word
350              of a descriptor updated before the second, you must do
351              something like::
353                 desc->word0 = address;
354                 wmb();
355                 desc->word1 = DESC_VALID;
357              in order to get correct behavior on all platforms.
359              Also, on some platforms your driver may need to flush CPU write
360              buffers in much the same way as it needs to flush write buffers
361              found in PCI bridges (such as by reading a register's value
362              after writing it).
364 - Streaming DMA mappings which are usually mapped for one DMA
365   transfer, unmapped right after it (unless you use dma_sync_* below)
366   and for which hardware can optimize for sequential accesses.
368   Think of "streaming" as "asynchronous" or "outside the coherency
369   domain".
371   Good examples of what to use streaming mappings for are:
373         - Networking buffers transmitted/received by a device.
374         - Filesystem buffers written/read by a SCSI device.
376   The interfaces for using this type of mapping were designed in
377   such a way that an implementation can make whatever performance
378   optimizations the hardware allows.  To this end, when using
379   such mappings you must be explicit about what you want to happen.
381 Neither type of DMA mapping has alignment restrictions that come from
382 the underlying bus, although some devices may have such restrictions.
383 Also, systems with caches that aren't DMA-coherent will work better
384 when the underlying buffers don't share cache lines with other data.
387 Using Consistent DMA mappings
388 =============================
390 To allocate and map large (PAGE_SIZE or so) consistent DMA regions,
391 you should do::
393         dma_addr_t dma_handle;
395         cpu_addr = dma_alloc_coherent(dev, size, &dma_handle, gfp);
397 where device is a ``struct device *``. This may be called in interrupt
398 context with the GFP_ATOMIC flag.
400 Size is the length of the region you want to allocate, in bytes.
402 This routine will allocate RAM for that region, so it acts similarly to
403 __get_free_pages() (but takes size instead of a page order).  If your
404 driver needs regions sized smaller than a page, you may prefer using
405 the dma_pool interface, described below.
407 The consistent DMA mapping interfaces, for non-NULL dev, will by
408 default return a DMA address which is 32-bit addressable.  Even if the
409 device indicates (via DMA mask) that it may address the upper 32-bits,
410 consistent allocation will only return > 32-bit addresses for DMA if
411 the consistent DMA mask has been explicitly changed via
412 dma_set_coherent_mask().  This is true of the dma_pool interface as
413 well.
415 dma_alloc_coherent() returns two values: the virtual address which you
416 can use to access it from the CPU and dma_handle which you pass to the
417 card.
419 The CPU virtual address and the DMA address are both
420 guaranteed to be aligned to the smallest PAGE_SIZE order which
421 is greater than or equal to the requested size.  This invariant
422 exists (for example) to guarantee that if you allocate a chunk
423 which is smaller than or equal to 64 kilobytes, the extent of the
424 buffer you receive will not cross a 64K boundary.
426 To unmap and free such a DMA region, you call::
428         dma_free_coherent(dev, size, cpu_addr, dma_handle);
430 where dev, size are the same as in the above call and cpu_addr and
431 dma_handle are the values dma_alloc_coherent() returned to you.
432 This function may not be called in interrupt context.
434 If your driver needs lots of smaller memory regions, you can write
435 custom code to subdivide pages returned by dma_alloc_coherent(),
436 or you can use the dma_pool API to do that.  A dma_pool is like
437 a kmem_cache, but it uses dma_alloc_coherent(), not __get_free_pages().
438 Also, it understands common hardware constraints for alignment,
439 like queue heads needing to be aligned on N byte boundaries.
441 Create a dma_pool like this::
443         struct dma_pool *pool;
445         pool = dma_pool_create(name, dev, size, align, boundary);
447 The "name" is for diagnostics (like a kmem_cache name); dev and size
448 are as above.  The device's hardware alignment requirement for this
449 type of data is "align" (which is expressed in bytes, and must be a
450 power of two).  If your device has no boundary crossing restrictions,
451 pass 0 for boundary; passing 4096 says memory allocated from this pool
452 must not cross 4KByte boundaries (but at that time it may be better to
453 use dma_alloc_coherent() directly instead).
455 Allocate memory from a DMA pool like this::
457         cpu_addr = dma_pool_alloc(pool, flags, &dma_handle);
459 flags are GFP_KERNEL if blocking is permitted (not in_interrupt nor
460 holding SMP locks), GFP_ATOMIC otherwise.  Like dma_alloc_coherent(),
461 this returns two values, cpu_addr and dma_handle.
463 Free memory that was allocated from a dma_pool like this::
465         dma_pool_free(pool, cpu_addr, dma_handle);
467 where pool is what you passed to dma_pool_alloc(), and cpu_addr and
468 dma_handle are the values dma_pool_alloc() returned. This function
469 may be called in interrupt context.
471 Destroy a dma_pool by calling::
473         dma_pool_destroy(pool);
475 Make sure you've called dma_pool_free() for all memory allocated
476 from a pool before you destroy the pool. This function may not
477 be called in interrupt context.
479 DMA Direction
480 =============
482 The interfaces described in subsequent portions of this document
483 take a DMA direction argument, which is an integer and takes on
484 one of the following values::
486  DMA_BIDIRECTIONAL
487  DMA_TO_DEVICE
488  DMA_FROM_DEVICE
489  DMA_NONE
491 You should provide the exact DMA direction if you know it.
493 DMA_TO_DEVICE means "from main memory to the device"
494 DMA_FROM_DEVICE means "from the device to main memory"
495 It is the direction in which the data moves during the DMA
496 transfer.
498 You are _strongly_ encouraged to specify this as precisely
499 as you possibly can.
501 If you absolutely cannot know the direction of the DMA transfer,
502 specify DMA_BIDIRECTIONAL.  It means that the DMA can go in
503 either direction.  The platform guarantees that you may legally
504 specify this, and that it will work, but this may be at the
505 cost of performance for example.
507 The value DMA_NONE is to be used for debugging.  One can
508 hold this in a data structure before you come to know the
509 precise direction, and this will help catch cases where your
510 direction tracking logic has failed to set things up properly.
512 Another advantage of specifying this value precisely (outside of
513 potential platform-specific optimizations of such) is for debugging.
514 Some platforms actually have a write permission boolean which DMA
515 mappings can be marked with, much like page protections in the user
516 program address space.  Such platforms can and do report errors in the
517 kernel logs when the DMA controller hardware detects violation of the
518 permission setting.
520 Only streaming mappings specify a direction, consistent mappings
521 implicitly have a direction attribute setting of
522 DMA_BIDIRECTIONAL.
524 The SCSI subsystem tells you the direction to use in the
525 'sc_data_direction' member of the SCSI command your driver is
526 working on.
528 For Networking drivers, it's a rather simple affair.  For transmit
529 packets, map/unmap them with the DMA_TO_DEVICE direction
530 specifier.  For receive packets, just the opposite, map/unmap them
531 with the DMA_FROM_DEVICE direction specifier.
533 Using Streaming DMA mappings
534 ============================
536 The streaming DMA mapping routines can be called from interrupt
537 context.  There are two versions of each map/unmap, one which will
538 map/unmap a single memory region, and one which will map/unmap a
539 scatterlist.
541 To map a single region, you do::
543         struct device *dev = &my_dev->dev;
544         dma_addr_t dma_handle;
545         void *addr = buffer->ptr;
546         size_t size = buffer->len;
548         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
549         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
550                 /*
551                  * reduce current DMA mapping usage,
552                  * delay and try again later or
553                  * reset driver.
554                  */
555                 goto map_error_handling;
556         }
558 and to unmap it::
560         dma_unmap_single(dev, dma_handle, size, direction);
562 You should call dma_mapping_error() as dma_map_single() could fail and return
563 error.  Doing so will ensure that the mapping code will work correctly on all
564 DMA implementations without any dependency on the specifics of the underlying
565 implementation. Using the returned address without checking for errors could
566 result in failures ranging from panics to silent data corruption.  The same
567 applies to dma_map_page() as well.
569 You should call dma_unmap_single() when the DMA activity is finished, e.g.,
570 from the interrupt which told you that the DMA transfer is done.
572 Using CPU pointers like this for single mappings has a disadvantage:
573 you cannot reference HIGHMEM memory in this way.  Thus, there is a
574 map/unmap interface pair akin to dma_{map,unmap}_single().  These
575 interfaces deal with page/offset pairs instead of CPU pointers.
576 Specifically::
578         struct device *dev = &my_dev->dev;
579         dma_addr_t dma_handle;
580         struct page *page = buffer->page;
581         unsigned long offset = buffer->offset;
582         size_t size = buffer->len;
584         dma_handle = dma_map_page(dev, page, offset, size, direction);
585         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
586                 /*
587                  * reduce current DMA mapping usage,
588                  * delay and try again later or
589                  * reset driver.
590                  */
591                 goto map_error_handling;
592         }
594         ...
596         dma_unmap_page(dev, dma_handle, size, direction);
598 Here, "offset" means byte offset within the given page.
600 You should call dma_mapping_error() as dma_map_page() could fail and return
601 error as outlined under the dma_map_single() discussion.
603 You should call dma_unmap_page() when the DMA activity is finished, e.g.,
604 from the interrupt which told you that the DMA transfer is done.
606 With scatterlists, you map a region gathered from several regions by::
608         int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
609         struct scatterlist *sg;
611         for_each_sg(sglist, sg, count, i) {
612                 hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
613                 hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
614         }
616 where nents is the number of entries in the sglist.
618 The implementation is free to merge several consecutive sglist entries
619 into one (e.g. if DMA mapping is done with PAGE_SIZE granularity, any
620 consecutive sglist entries can be merged into one provided the first one
621 ends and the second one starts on a page boundary - in fact this is a huge
622 advantage for cards which either cannot do scatter-gather or have very
623 limited number of scatter-gather entries) and returns the actual number
624 of sg entries it mapped them to. On failure 0 is returned.
626 Then you should loop count times (note: this can be less than nents times)
627 and use sg_dma_address() and sg_dma_len() macros where you previously
628 accessed sg->address and sg->length as shown above.
630 To unmap a scatterlist, just call::
632         dma_unmap_sg(dev, sglist, nents, direction);
634 Again, make sure DMA activity has already finished.
636 .. note::
638         The 'nents' argument to the dma_unmap_sg call must be
639         the _same_ one you passed into the dma_map_sg call,
640         it should _NOT_ be the 'count' value _returned_ from the
641         dma_map_sg call.
643 Every dma_map_{single,sg}() call should have its dma_unmap_{single,sg}()
644 counterpart, because the DMA address space is a shared resource and
645 you could render the machine unusable by consuming all DMA addresses.
647 If you need to use the same streaming DMA region multiple times and touch
648 the data in between the DMA transfers, the buffer needs to be synced
649 properly in order for the CPU and device to see the most up-to-date and
650 correct copy of the DMA buffer.
652 So, firstly, just map it with dma_map_{single,sg}(), and after each DMA
653 transfer call either::
655         dma_sync_single_for_cpu(dev, dma_handle, size, direction);
657 or::
659         dma_sync_sg_for_cpu(dev, sglist, nents, direction);
661 as appropriate.
663 Then, if you wish to let the device get at the DMA area again,
664 finish accessing the data with the CPU, and then before actually
665 giving the buffer to the hardware call either::
667         dma_sync_single_for_device(dev, dma_handle, size, direction);
669 or::
671         dma_sync_sg_for_device(dev, sglist, nents, direction);
673 as appropriate.
675 .. note::
677               The 'nents' argument to dma_sync_sg_for_cpu() and
678               dma_sync_sg_for_device() must be the same passed to
679               dma_map_sg(). It is _NOT_ the count returned by
680               dma_map_sg().
682 After the last DMA transfer call one of the DMA unmap routines
683 dma_unmap_{single,sg}(). If you don't touch the data from the first
684 dma_map_*() call till dma_unmap_*(), then you don't have to call the
685 dma_sync_*() routines at all.
687 Here is pseudo code which shows a situation in which you would need
688 to use the dma_sync_*() interfaces::
690         my_card_setup_receive_buffer(struct my_card *cp, char *buffer, int len)
691         {
692                 dma_addr_t mapping;
694                 mapping = dma_map_single(cp->dev, buffer, len, DMA_FROM_DEVICE);
695                 if (dma_mapping_error(cp->dev, mapping)) {
696                         /*
697                          * reduce current DMA mapping usage,
698                          * delay and try again later or
699                          * reset driver.
700                          */
701                         goto map_error_handling;
702                 }
704                 cp->rx_buf = buffer;
705                 cp->rx_len = len;
706                 cp->rx_dma = mapping;
708                 give_rx_buf_to_card(cp);
709         }
711         ...
713         my_card_interrupt_handler(int irq, void *devid, struct pt_regs *regs)
714         {
715                 struct my_card *cp = devid;
717                 ...
718                 if (read_card_status(cp) == RX_BUF_TRANSFERRED) {
719                         struct my_card_header *hp;
721                         /* Examine the header to see if we wish
722                          * to accept the data.  But synchronize
723                          * the DMA transfer with the CPU first
724                          * so that we see updated contents.
725                          */
726                         dma_sync_single_for_cpu(&cp->dev, cp->rx_dma,
727                                                 cp->rx_len,
728                                                 DMA_FROM_DEVICE);
730                         /* Now it is safe to examine the buffer. */
731                         hp = (struct my_card_header *) cp->rx_buf;
732                         if (header_is_ok(hp)) {
733                                 dma_unmap_single(&cp->dev, cp->rx_dma, cp->rx_len,
734                                                  DMA_FROM_DEVICE);
735                                 pass_to_upper_layers(cp->rx_buf);
736                                 make_and_setup_new_rx_buf(cp);
737                         } else {
738                                 /* CPU should not write to
739                                  * DMA_FROM_DEVICE-mapped area,
740                                  * so dma_sync_single_for_device() is
741                                  * not needed here. It would be required
742                                  * for DMA_BIDIRECTIONAL mapping if
743                                  * the memory was modified.
744                                  */
745                                 give_rx_buf_to_card(cp);
746                         }
747                 }
748         }
750 Drivers converted fully to this interface should not use virt_to_bus() any
751 longer, nor should they use bus_to_virt(). Some drivers have to be changed a
752 little bit, because there is no longer an equivalent to bus_to_virt() in the
753 dynamic DMA mapping scheme - you have to always store the DMA addresses
754 returned by the dma_alloc_coherent(), dma_pool_alloc(), and dma_map_single()
755 calls (dma_map_sg() stores them in the scatterlist itself if the platform
756 supports dynamic DMA mapping in hardware) in your driver structures and/or
757 in the card registers.
759 All drivers should be using these interfaces with no exceptions.  It
760 is planned to completely remove virt_to_bus() and bus_to_virt() as
761 they are entirely deprecated.  Some ports already do not provide these
762 as it is impossible to correctly support them.
764 Handling Errors
765 ===============
767 DMA address space is limited on some architectures and an allocation
768 failure can be determined by:
770 - checking if dma_alloc_coherent() returns NULL or dma_map_sg returns 0
772 - checking the dma_addr_t returned from dma_map_single() and dma_map_page()
773   by using dma_mapping_error()::
775         dma_addr_t dma_handle;
777         dma_handle = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
778         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle)) {
779                 /*
780                  * reduce current DMA mapping usage,
781                  * delay and try again later or
782                  * reset driver.
783                  */
784                 goto map_error_handling;
785         }
787 - unmap pages that are already mapped, when mapping error occurs in the middle
788   of a multiple page mapping attempt. These example are applicable to
789   dma_map_page() as well.
791 Example 1::
793         dma_addr_t dma_handle1;
794         dma_addr_t dma_handle2;
796         dma_handle1 = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
797         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle1)) {
798                 /*
799                  * reduce current DMA mapping usage,
800                  * delay and try again later or
801                  * reset driver.
802                  */
803                 goto map_error_handling1;
804         }
805         dma_handle2 = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
806         if (dma_mapping_error(dev, dma_handle2)) {
807                 /*
808                  * reduce current DMA mapping usage,
809                  * delay and try again later or
810                  * reset driver.
811                  */
812                 goto map_error_handling2;
813         }
815         ...
817         map_error_handling2:
818                 dma_unmap_single(dma_handle1);
819         map_error_handling1:
821 Example 2::
823         /*
824          * if buffers are allocated in a loop, unmap all mapped buffers when
825          * mapping error is detected in the middle
826          */
828         dma_addr_t dma_addr;
829         dma_addr_t array[DMA_BUFFERS];
830         int save_index = 0;
832         for (i = 0; i < DMA_BUFFERS; i++) {
834                 ...
836                 dma_addr = dma_map_single(dev, addr, size, direction);
837                 if (dma_mapping_error(dev, dma_addr)) {
838                         /*
839                          * reduce current DMA mapping usage,
840                          * delay and try again later or
841                          * reset driver.
842                          */
843                         goto map_error_handling;
844                 }
845                 array[i].dma_addr = dma_addr;
846                 save_index++;
847         }
849         ...
851         map_error_handling:
853         for (i = 0; i < save_index; i++) {
855                 ...
857                 dma_unmap_single(array[i].dma_addr);
858         }
860 Networking drivers must call dev_kfree_skb() to free the socket buffer
861 and return NETDEV_TX_OK if the DMA mapping fails on the transmit hook
862 (ndo_start_xmit). This means that the socket buffer is just dropped in
863 the failure case.
865 SCSI drivers must return SCSI_MLQUEUE_HOST_BUSY if the DMA mapping
866 fails in the queuecommand hook. This means that the SCSI subsystem
867 passes the command to the driver again later.
869 Optimizing Unmap State Space Consumption
870 ========================================
872 On many platforms, dma_unmap_{single,page}() is simply a nop.
873 Therefore, keeping track of the mapping address and length is a waste
874 of space.  Instead of filling your drivers up with ifdefs and the like
875 to "work around" this (which would defeat the whole purpose of a
876 portable API) the following facilities are provided.
878 Actually, instead of describing the macros one by one, we'll
879 transform some example code.
881 1) Use DEFINE_DMA_UNMAP_{ADDR,LEN} in state saving structures.
882    Example, before::
884         struct ring_state {
885                 struct sk_buff *skb;
886                 dma_addr_t mapping;
887                 __u32 len;
888         };
890    after::
892         struct ring_state {
893                 struct sk_buff *skb;
894                 DEFINE_DMA_UNMAP_ADDR(mapping);
895                 DEFINE_DMA_UNMAP_LEN(len);
896         };
898 2) Use dma_unmap_{addr,len}_set() to set these values.
899    Example, before::
901         ringp->mapping = FOO;
902         ringp->len = BAR;
904    after::
906         dma_unmap_addr_set(ringp, mapping, FOO);
907         dma_unmap_len_set(ringp, len, BAR);
909 3) Use dma_unmap_{addr,len}() to access these values.
910    Example, before::
912         dma_unmap_single(dev, ringp->mapping, ringp->len,
913                          DMA_FROM_DEVICE);
915    after::
917         dma_unmap_single(dev,
918                          dma_unmap_addr(ringp, mapping),
919                          dma_unmap_len(ringp, len),
920                          DMA_FROM_DEVICE);
922 It really should be self-explanatory.  We treat the ADDR and LEN
923 separately, because it is possible for an implementation to only
924 need the address in order to perform the unmap operation.
926 Platform Issues
927 ===============
929 If you are just writing drivers for Linux and do not maintain
930 an architecture port for the kernel, you can safely skip down
931 to "Closing".
933 1) Struct scatterlist requirements.
935    You need to enable CONFIG_NEED_SG_DMA_LENGTH if the architecture
936    supports IOMMUs (including software IOMMU).
938 2) ARCH_DMA_MINALIGN
940    Architectures must ensure that kmalloc'ed buffer is
941    DMA-safe. Drivers and subsystems depend on it. If an architecture
942    isn't fully DMA-coherent (i.e. hardware doesn't ensure that data in
943    the CPU cache is identical to data in main memory),
944    ARCH_DMA_MINALIGN must be set so that the memory allocator
945    makes sure that kmalloc'ed buffer doesn't share a cache line with
946    the others. See arch/arm/include/asm/cache.h as an example.
948    Note that ARCH_DMA_MINALIGN is about DMA memory alignment
949    constraints. You don't need to worry about the architecture data
950    alignment constraints (e.g. the alignment constraints about 64-bit
951    objects).
953 Closing
954 =======
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::
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>