Documentation/usb/dma.txt

   1 In Linux 2.5 kernels (and later), USB device drivers have additional control
   2 over how DMA may be used to perform I/O operations.  The APIs are detailed
   3 in the kernel usb programming guide (kerneldoc, from the source code).
   4
   5
   6 API OVERVIEW
   7
   8 The big picture is that USB drivers can continue to ignore most DMA issues,
   9 though they still must provide DMA-ready buffers (see DMA-mapping.txt).
  10 That's how they've worked through the 2.4 (and earlier) kernels.
  11
  12 OR:  they can now be DMA-aware.
  13
  14 - New calls enable DMA-aware drivers, letting them allocate dma buffers and
  15   manage dma mappings for existing dma-ready buffers (see below).
  16
  17 - URBs have an additional "transfer_dma" field, as well as a transfer_flags
  18   bit saying if it's valid.  (Control requests also have "setup_dma" and a
  19   corresponding transfer_flags bit.)
  20
  21 - "usbcore" will map those DMA addresses, if a DMA-aware driver didn't do
  22   it first and set URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP or URB_NO_SETUP_DMA_MAP.  HCDs
  23   don't manage dma mappings for URBs.
  24
  25 - There's a new "generic DMA API", parts of which are usable by USB device
  26   drivers.  Never use dma_set_mask() on any USB interface or device; that
  27   would potentially break all devices sharing that bus.
  28
  29
  30 ELIMINATING COPIES
  31
  32 It's good to avoid making CPUs copy data needlessly.  The costs can add up,
  33 and effects like cache-trashing can impose subtle penalties.
  34
  35 - If you're doing lots of small data transfers from the same buffer all
  36   the time, that can really burn up resources on systems which use an
  37   IOMMU to manage the DMA mappings.  It can cost MUCH more to set up and
  38   tear down the IOMMU mappings with each request than perform the I/O!
  39
  40   For those specific cases, USB has primitives to allocate less expensive
  41   memory.  They work like kmalloc and kfree versions that give you the right
  42   kind of addresses to store in urb->transfer_buffer and urb->transfer_dma.
  43   You'd also set URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP in urb->transfer_flags:
  44
  45         void *usb_buffer_alloc (struct usb_device *dev, size_t size,
  46                 int mem_flags, dma_addr_t *dma);
  47
  48         void usb_buffer_free (struct usb_device *dev, size_t size,
  49                 void *addr, dma_addr_t dma);
  50
  51   Most drivers should *NOT* be using these primitives; they don't need
  52   to use this type of memory ("dma-coherent"), and memory returned from
  53   kmalloc() will work just fine.
  54
  55   For control transfers you can use the buffer primitives or not for each
  56   of the transfer buffer and setup buffer independently.  Set the flag bits
  57   URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP and URB_NO_SETUP_DMA_MAP to indicate which
  58   buffers you have prepared.  For non-control transfers URB_NO_SETUP_DMA_MAP
  59   is ignored.
  60
  61   The memory buffer returned is "dma-coherent"; sometimes you might need to
  62   force a consistent memory access ordering by using memory barriers.  It's
  63   not using a streaming DMA mapping, so it's good for small transfers on
  64   systems where the I/O would otherwise thrash an IOMMU mapping.  (See
  65   Documentation/DMA-mapping.txt for definitions of "coherent" and "streaming"
  66   DMA mappings.)
  67
  68   Asking for 1/Nth of a page (as well as asking for N pages) is reasonably
  69   space-efficient.
  70
  71   On most systems the memory returned will be uncached, because the
  72   semantics of dma-coherent memory require either bypassing CPU caches
  73   or using cache hardware with bus-snooping support.  While x86 hardware
  74   has such bus-snooping, many other systems use software to flush cache
  75   lines to prevent DMA conflicts.
  76
  77 - Devices on some EHCI controllers could handle DMA to/from high memory.
  78
  79   Unfortunately, the current Linux DMA infrastructure doesn't have a sane
  80   way to expose these capabilities ... and in any case, HIGHMEM is mostly a
  81   design wart specific to x86_32.  So your best bet is to ensure you never
  82   pass a highmem buffer into a USB driver.  That's easy; it's the default
  83   behavior.  Just don't override it; e.g. with NETIF_F_HIGHDMA.
  84
  85   This may force your callers to do some bounce buffering, copying from
  86   high memory to "normal" DMA memory.  If you can come up with a good way
  87   to fix this issue (for x86_32 machines with over 1 GByte of memory),
  88   feel free to submit patches.
  89
  90
  91 WORKING WITH EXISTING BUFFERS
  92
  93 Existing buffers aren't usable for DMA without first being mapped into the
  94 DMA address space of the device.  However, most buffers passed to your
  95 driver can safely be used with such DMA mapping.  (See the first section
  96 of DMA-mapping.txt, titled "What memory is DMA-able?")
  97
  98 - When you're using scatterlists, you can map everything at once.  On some
  99   systems, this kicks in an IOMMU and turns the scatterlists into single
 100   DMA transactions:
 101
 102         int usb_buffer_map_sg (struct usb_device *dev, unsigned pipe,
 103                 struct scatterlist *sg, int nents);
 104
 105         void usb_buffer_dmasync_sg (struct usb_device *dev, unsigned pipe,
 106                 struct scatterlist *sg, int n_hw_ents);
 107
 108         void usb_buffer_unmap_sg (struct usb_device *dev, unsigned pipe,
 109                 struct scatterlist *sg, int n_hw_ents);
 110
 111   It's probably easier to use the new usb_sg_*() calls, which do the DMA
 112   mapping and apply other tweaks to make scatterlist i/o be fast.
 113
 114 - Some drivers may prefer to work with the model that they're mapping large
 115   buffers, synchronizing their safe re-use.  (If there's no re-use, then let
 116   usbcore do the map/unmap.)  Large periodic transfers make good examples
 117   here, since it's cheaper to just synchronize the buffer than to unmap it
 118   each time an urb completes and then re-map it on during resubmission.
 119
 120   These calls all work with initialized urbs:  urb->dev, urb->pipe,
 121   urb->transfer_buffer, and urb->transfer_buffer_length must all be
 122   valid when these calls are used (urb->setup_packet must be valid too
 123   if urb is a control request):
 124
 125         struct urb *usb_buffer_map (struct urb *urb);
 126
 127         void usb_buffer_dmasync (struct urb *urb);
 128
 129         void usb_buffer_unmap (struct urb *urb);
 130
 131   The calls manage urb->transfer_dma for you, and set URB_NO_TRANSFER_DMA_MAP
 132   so that usbcore won't map or unmap the buffer.  The same goes for
 133   urb->setup_dma and URB_NO_SETUP_DMA_MAP for control requests.
 134
 135 Note that several of those interfaces are currently commented out, since
 136 they don't have current users.  See the source code.  Other than the dmasync
 137 calls (where the underlying DMA primitives have changed), most of them can
 138 easily be commented back in if you want to use them.