Documentation/DMA-API.txt

   1                Dynamic DMA mapping using the generic device
   2                ============================================
   3
   4         James E.J. Bottomley <James.Bottomley@HansenPartnership.com>
   5
   6 This document describes the DMA API.  For a more gentle introduction
   7 phrased in terms of the pci_ equivalents (and actual examples) see
   8 DMA-mapping.txt
   9
  10 This API is split into two pieces.  Part I describes the API and the
  11 corresponding pci_ API.  Part II describes the extensions to the API
  12 for supporting non-consistent memory machines.  Unless you know that
  13 your driver absolutely has to support non-consistent platforms (this
  14 is usually only legacy platforms) you should only use the API
  15 described in part I.
  16
  17 Part I - pci_ and dma_ Equivalent API
  18 -------------------------------------
  19
  20 To get the pci_ API, you must #include <linux/pci.h>
  21 To get the dma_ API, you must #include <linux/dma-mapping.h>
  22
  23
  24 Part Ia - Using large dma-coherent buffers
  25 ------------------------------------------
  26
  27 void *
  28 dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
  29                              dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
  30 void *
  31 pci_alloc_consistent(struct pci_dev *dev, size_t size,
  32                              dma_addr_t *dma_handle)
  33
  34 Consistent memory is memory for which a write by either the device or
  35 the processor can immediately be read by the processor or device
  36 without having to worry about caching effects.  (You may however need
  37 to make sure to flush the processor's write buffers before telling
  38 devices to read that memory.)
  39
  40 This routine allocates a region of <size> bytes of consistent memory.
  41 It also returns a <dma_handle> which may be cast to an unsigned
  42 integer the same width as the bus and used as the physical address
  43 base of the region.
  44
  45 Returns: a pointer to the allocated region (in the processor's virtual
  46 address space) or NULL if the allocation failed.
  47
  48 Note: consistent memory can be expensive on some platforms, and the
  49 minimum allocation length may be as big as a page, so you should
  50 consolidate your requests for consistent memory as much as possible.
  51 The simplest way to do that is to use the dma_pool calls (see below).
  52
  53 The flag parameter (dma_alloc_coherent only) allows the caller to
  54 specify the GFP_ flags (see kmalloc) for the allocation (the
  55 implementation may choose to ignore flags that affect the location of
  56 the returned memory, like GFP_DMA).  For pci_alloc_consistent, you
  57 must assume GFP_ATOMIC behaviour.
  58
  59 void
  60 dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr,
  61                            dma_addr_t dma_handle)
  62 void
  63 pci_free_consistent(struct pci_dev *dev, size_t size, void *cpu_addr,
  64                            dma_addr_t dma_handle)
  65
  66 Free the region of consistent memory you previously allocated.  dev,
  67 size and dma_handle must all be the same as those passed into the
  68 consistent allocate.  cpu_addr must be the virtual address returned by
  69 the consistent allocate.
  70
  71 Note that unlike their sibling allocation calls, these routines
  72 may only be called with IRQs enabled.
  73
  74
  75 Part Ib - Using small dma-coherent buffers
  76 ------------------------------------------
  77
  78 To get this part of the dma_ API, you must #include <linux/dmapool.h>
  79
  80 Many drivers need lots of small dma-coherent memory regions for DMA
  81 descriptors or I/O buffers.  Rather than allocating in units of a page
  82 or more using dma_alloc_coherent(), you can use DMA pools.  These work
  83 much like a struct kmem_cache, except that they use the dma-coherent allocator,
  84 not __get_free_pages().  Also, they understand common hardware constraints
  85 for alignment, like queue heads needing to be aligned on N-byte boundaries.
  86
  87
  88         struct dma_pool *
  89         dma_pool_create(const char *name, struct device *dev,
  90                         size_t size, size_t align, size_t alloc);
  91
  92         struct pci_pool *
  93         pci_pool_create(const char *name, struct pci_device *dev,
  94                         size_t size, size_t align, size_t alloc);
  95
  96 The pool create() routines initialize a pool of dma-coherent buffers
  97 for use with a given device.  It must be called in a context which
  98 can sleep.
  99
 100 The "name" is for diagnostics (like a struct kmem_cache name); dev and size
 101 are like what you'd pass to dma_alloc_coherent().  The device's hardware
 102 alignment requirement for this type of data is "align" (which is expressed
 103 in bytes, and must be a power of two).  If your device has no boundary
 104 crossing restrictions, pass 0 for alloc; passing 4096 says memory allocated
 105 from this pool must not cross 4KByte boundaries.
 106
 107
 108         void *dma_pool_alloc(struct dma_pool *pool, gfp_t gfp_flags,
 109                         dma_addr_t *dma_handle);
 110
 111         void *pci_pool_alloc(struct pci_pool *pool, gfp_t gfp_flags,
 112                         dma_addr_t *dma_handle);
 113
 114 This allocates memory from the pool; the returned memory will meet the size
 115 and alignment requirements specified at creation time.  Pass GFP_ATOMIC to
 116 prevent blocking, or if it's permitted (not in_interrupt, not holding SMP locks),
 117 pass GFP_KERNEL to allow blocking.  Like dma_alloc_coherent(), this returns
 118 two values:  an address usable by the cpu, and the dma address usable by the
 119 pool's device.
 120
 121
 122         void dma_pool_free(struct dma_pool *pool, void *vaddr,
 123                         dma_addr_t addr);
 124
 125         void pci_pool_free(struct pci_pool *pool, void *vaddr,
 126                         dma_addr_t addr);
 127
 128 This puts memory back into the pool.  The pool is what was passed to
 129 the pool allocation routine; the cpu (vaddr) and dma addresses are what
 130 were returned when that routine allocated the memory being freed.
 131
 132
 133         void dma_pool_destroy(struct dma_pool *pool);
 134
 135         void pci_pool_destroy(struct pci_pool *pool);
 136
 137 The pool destroy() routines free the resources of the pool.  They must be
 138 called in a context which can sleep.  Make sure you've freed all allocated
 139 memory back to the pool before you destroy it.
 140
 141
 142 Part Ic - DMA addressing limitations
 143 ------------------------------------
 144
 145 int
 146 dma_supported(struct device *dev, u64 mask)
 147 int
 148 pci_dma_supported(struct device *dev, u64 mask)
 149
 150 Checks to see if the device can support DMA to the memory described by
 151 mask.
 152
 153 Returns: 1 if it can and 0 if it can't.
 154
 155 Notes: This routine merely tests to see if the mask is possible.  It
 156 won't change the current mask settings.  It is more intended as an
 157 internal API for use by the platform than an external API for use by
 158 driver writers.
 159
 160 int
 161 dma_set_mask(struct device *dev, u64 mask)
 162 int
 163 pci_set_dma_mask(struct pci_device *dev, u64 mask)
 164
 165 Checks to see if the mask is possible and updates the device
 166 parameters if it is.
 167
 168 Returns: 0 if successful and a negative error if not.
 169
 170 u64
 171 dma_get_required_mask(struct device *dev)
 172
 173 After setting the mask with dma_set_mask(), this API returns the
 174 actual mask (within that already set) that the platform actually
 175 requires to operate efficiently.  Usually this means the returned mask
 176 is the minimum required to cover all of memory.  Examining the
 177 required mask gives drivers with variable descriptor sizes the
 178 opportunity to use smaller descriptors as necessary.
 179
 180 Requesting the required mask does not alter the current mask.  If you
 181 wish to take advantage of it, you should issue another dma_set_mask()
 182 call to lower the mask again.
 183
 184
 185 Part Id - Streaming DMA mappings
 186 --------------------------------
 187
 188 dma_addr_t
 189 dma_map_single(struct device *dev, void *cpu_addr, size_t size,
 190                       enum dma_data_direction direction)
 191 dma_addr_t
 192 pci_map_single(struct device *dev, void *cpu_addr, size_t size,
 193                       int direction)
 194
 195 Maps a piece of processor virtual memory so it can be accessed by the
 196 device and returns the physical handle of the memory.
 197
 198 The direction for both api's may be converted freely by casting.
 199 However the dma_ API uses a strongly typed enumerator for its
 200 direction:
 201
 202 DMA_NONE                = PCI_DMA_NONE          no direction (used for
 203                                                 debugging)
 204 DMA_TO_DEVICE           = PCI_DMA_TODEVICE      data is going from the
 205                                                 memory to the device
 206 DMA_FROM_DEVICE         = PCI_DMA_FROMDEVICE    data is coming from
 207                                                 the device to the
 208                                                 memory
 209 DMA_BIDIRECTIONAL       = PCI_DMA_BIDIRECTIONAL direction isn't known
 210
 211 Notes:  Not all memory regions in a machine can be mapped by this
 212 API.  Further, regions that appear to be physically contiguous in
 213 kernel virtual space may not be contiguous as physical memory.  Since
 214 this API does not provide any scatter/gather capability, it will fail
 215 if the user tries to map a non-physically contiguous piece of memory.
 216 For this reason, it is recommended that memory mapped by this API be
 217 obtained only from sources which guarantee it to be physically contiguous
 218 (like kmalloc).
 219
 220 Further, the physical address of the memory must be within the
 221 dma_mask of the device (the dma_mask represents a bit mask of the
 222 addressable region for the device.  I.e., if the physical address of
 223 the memory anded with the dma_mask is still equal to the physical
 224 address, then the device can perform DMA to the memory).  In order to
 225 ensure that the memory allocated by kmalloc is within the dma_mask,
 226 the driver may specify various platform-dependent flags to restrict
 227 the physical memory range of the allocation (e.g. on x86, GFP_DMA
 228 guarantees to be within the first 16Mb of available physical memory,
 229 as required by ISA devices).
 230
 231 Note also that the above constraints on physical contiguity and
 232 dma_mask may not apply if the platform has an IOMMU (a device which
 233 supplies a physical to virtual mapping between the I/O memory bus and
 234 the device).  However, to be portable, device driver writers may *not*
 235 assume that such an IOMMU exists.
 236
 237 Warnings:  Memory coherency operates at a granularity called the cache
 238 line width.  In order for memory mapped by this API to operate
 239 correctly, the mapped region must begin exactly on a cache line
 240 boundary and end exactly on one (to prevent two separately mapped
 241 regions from sharing a single cache line).  Since the cache line size
 242 may not be known at compile time, the API will not enforce this
 243 requirement.  Therefore, it is recommended that driver writers who
 244 don't take special care to determine the cache line size at run time
 245 only map virtual regions that begin and end on page boundaries (which
 246 are guaranteed also to be cache line boundaries).
 247
 248 DMA_TO_DEVICE synchronisation must be done after the last modification
 249 of the memory region by the software and before it is handed off to
 250 the driver.  Once this primitive is used, memory covered by this
 251 primitive should be treated as read-only by the device.  If the device
 252 may write to it at any point, it should be DMA_BIDIRECTIONAL (see
 253 below).
 254
 255 DMA_FROM_DEVICE synchronisation must be done before the driver
 256 accesses data that may be changed by the device.  This memory should
 257 be treated as read-only by the driver.  If the driver needs to write
 258 to it at any point, it should be DMA_BIDIRECTIONAL (see below).
 259
 260 DMA_BIDIRECTIONAL requires special handling: it means that the driver
 261 isn't sure if the memory was modified before being handed off to the
 262 device and also isn't sure if the device will also modify it.  Thus,
 263 you must always sync bidirectional memory twice: once before the
 264 memory is handed off to the device (to make sure all memory changes
 265 are flushed from the processor) and once before the data may be
 266 accessed after being used by the device (to make sure any processor
 267 cache lines are updated with data that the device may have changed).
 268
 269 void
 270 dma_unmap_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_addr, size_t size,
 271                  enum dma_data_direction direction)
 272 void
 273 pci_unmap_single(struct pci_dev *hwdev, dma_addr_t dma_addr,
 274                  size_t size, int direction)
 275
 276 Unmaps the region previously mapped.  All the parameters passed in
 277 must be identical to those passed in (and returned) by the mapping
 278 API.
 279
 280 dma_addr_t
 281 dma_map_page(struct device *dev, struct page *page,
 282                     unsigned long offset, size_t size,
 283                     enum dma_data_direction direction)
 284 dma_addr_t
 285 pci_map_page(struct pci_dev *hwdev, struct page *page,
 286                     unsigned long offset, size_t size, int direction)
 287 void
 288 dma_unmap_page(struct device *dev, dma_addr_t dma_address, size_t size,
 289                enum dma_data_direction direction)
 290 void
 291 pci_unmap_page(struct pci_dev *hwdev, dma_addr_t dma_address,
 292                size_t size, int direction)
 293
 294 API for mapping and unmapping for pages.  All the notes and warnings
 295 for the other mapping APIs apply here.  Also, although the <offset>
 296 and <size> parameters are provided to do partial page mapping, it is
 297 recommended that you never use these unless you really know what the
 298 cache width is.
 299
 300 int
 301 dma_mapping_error(dma_addr_t dma_addr)
 302
 303 int
 304 pci_dma_mapping_error(dma_addr_t dma_addr)
 305
 306 In some circumstances dma_map_single and dma_map_page will fail to create
 307 a mapping. A driver can check for these errors by testing the returned
 308 dma address with dma_mapping_error(). A non-zero return value means the mapping
 309 could not be created and the driver should take appropriate action (e.g.
 310 reduce current DMA mapping usage or delay and try again later).
 311
 312         int
 313         dma_map_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
 314                 int nents, enum dma_data_direction direction)
 315         int
 316         pci_map_sg(struct pci_dev *hwdev, struct scatterlist *sg,
 317                 int nents, int direction)
 318
 319 Maps a scatter gather list from the block layer.
 320
 321 Returns: the number of physical segments mapped (this may be shorter
 322 than <nents> passed in if the block layer determines that some
 323 elements of the scatter/gather list are physically adjacent and thus
 324 may be mapped with a single entry).
 325
 326 Please note that the sg cannot be mapped again if it has been mapped once.
 327 The mapping process is allowed to destroy information in the sg.
 328
 329 As with the other mapping interfaces, dma_map_sg can fail. When it
 330 does, 0 is returned and a driver must take appropriate action. It is
 331 critical that the driver do something, in the case of a block driver
 332 aborting the request or even oopsing is better than doing nothing and
 333 corrupting the filesystem.
 334
 335 With scatterlists, you use the resulting mapping like this:
 336
 337         int i, count = dma_map_sg(dev, sglist, nents, direction);
 338         struct scatterlist *sg;
 339
 340         for (i = 0, sg = sglist; i < count; i++, sg++) {
 341                 hw_address[i] = sg_dma_address(sg);
 342                 hw_len[i] = sg_dma_len(sg);
 343         }
 344
 345 where nents is the number of entries in the sglist.
 346
 347 The implementation is free to merge several consecutive sglist entries
 348 into one (e.g. with an IOMMU, or if several pages just happen to be
 349 physically contiguous) and returns the actual number of sg entries it
 350 mapped them to. On failure 0, is returned.
 351
 352 Then you should loop count times (note: this can be less than nents times)
 353 and use sg_dma_address() and sg_dma_len() macros where you previously
 354 accessed sg->address and sg->length as shown above.
 355
 356         void
 357         dma_unmap_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg,
 358                 int nhwentries, enum dma_data_direction direction)
 359         void
 360         pci_unmap_sg(struct pci_dev *hwdev, struct scatterlist *sg,
 361                 int nents, int direction)
 362
 363 Unmap the previously mapped scatter/gather list.  All the parameters
 364 must be the same as those and passed in to the scatter/gather mapping
 365 API.
 366
 367 Note: <nents> must be the number you passed in, *not* the number of
 368 physical entries returned.
 369
 370 void
 371 dma_sync_single(struct device *dev, dma_addr_t dma_handle, size_t size,
 372                 enum dma_data_direction direction)
 373 void
 374 pci_dma_sync_single(struct pci_dev *hwdev, dma_addr_t dma_handle,
 375                            size_t size, int direction)
 376 void
 377 dma_sync_sg(struct device *dev, struct scatterlist *sg, int nelems,
 378                           enum dma_data_direction direction)
 379 void
 380 pci_dma_sync_sg(struct pci_dev *hwdev, struct scatterlist *sg,
 381                        int nelems, int direction)
 382
 383 Synchronise a single contiguous or scatter/gather mapping.  All the
 384 parameters must be the same as those passed into the single mapping
 385 API.
 386
 387 Notes:  You must do this:
 388
 389 - Before reading values that have been written by DMA from the device
 390   (use the DMA_FROM_DEVICE direction)
 391 - After writing values that will be written to the device using DMA
 392   (use the DMA_TO_DEVICE) direction
 393 - before *and* after handing memory to the device if the memory is
 394   DMA_BIDIRECTIONAL
 395
 396 See also dma_map_single().
 397
 398
 399 Part II - Advanced dma_ usage
 400 -----------------------------
 401
 402 Warning: These pieces of the DMA API have no PCI equivalent.  They
 403 should also not be used in the majority of cases, since they cater for
 404 unlikely corner cases that don't belong in usual drivers.
 405
 406 If you don't understand how cache line coherency works between a
 407 processor and an I/O device, you should not be using this part of the
 408 API at all.
 409
 410 void *
 411 dma_alloc_noncoherent(struct device *dev, size_t size,
 412                                dma_addr_t *dma_handle, gfp_t flag)
 413
 414 Identical to dma_alloc_coherent() except that the platform will
 415 choose to return either consistent or non-consistent memory as it sees
 416 fit.  By using this API, you are guaranteeing to the platform that you
 417 have all the correct and necessary sync points for this memory in the
 418 driver should it choose to return non-consistent memory.
 419
 420 Note: where the platform can return consistent memory, it will
 421 guarantee that the sync points become nops.
 422
 423 Warning:  Handling non-consistent memory is a real pain.  You should
 424 only ever use this API if you positively know your driver will be
 425 required to work on one of the rare (usually non-PCI) architectures
 426 that simply cannot make consistent memory.
 427
 428 void
 429 dma_free_noncoherent(struct device *dev, size_t size, void *cpu_addr,
 430                               dma_addr_t dma_handle)
 431
 432 Free memory allocated by the nonconsistent API.  All parameters must
 433 be identical to those passed in (and returned by
 434 dma_alloc_noncoherent()).
 435
 436 int
 437 dma_is_consistent(struct device *dev, dma_addr_t dma_handle)
 438
 439 Returns true if the device dev is performing consistent DMA on the memory
 440 area pointed to by the dma_handle.
 441
 442 int
 443 dma_get_cache_alignment(void)
 444
 445 Returns the processor cache alignment.  This is the absolute minimum
 446 alignment *and* width that you must observe when either mapping
 447 memory or doing partial flushes.
 448
 449 Notes: This API may return a number *larger* than the actual cache
 450 line, but it will guarantee that one or more cache lines fit exactly
 451 into the width returned by this call.  It will also always be a power
 452 of two for easy alignment.
 453
 454 void
 455 dma_sync_single_range(struct device *dev, dma_addr_t dma_handle,
 456                       unsigned long offset, size_t size,
 457                       enum dma_data_direction direction)
 458
 459 Does a partial sync, starting at offset and continuing for size.  You
 460 must be careful to observe the cache alignment and width when doing
 461 anything like this.  You must also be extra careful about accessing
 462 memory you intend to sync partially.
 463
 464 void
 465 dma_cache_sync(struct device *dev, void *vaddr, size_t size,
 466                enum dma_data_direction direction)
 467
 468 Do a partial sync of memory that was allocated by
 469 dma_alloc_noncoherent(), starting at virtual address vaddr and
 470 continuing on for size.  Again, you *must* observe the cache line
 471 boundaries when doing this.
 472
 473 int
 474 dma_declare_coherent_memory(struct device *dev, dma_addr_t bus_addr,
 475                             dma_addr_t device_addr, size_t size, int
 476                             flags)
 477
 478 Declare region of memory to be handed out by dma_alloc_coherent when
 479 it's asked for coherent memory for this device.
 480
 481 bus_addr is the physical address to which the memory is currently
 482 assigned in the bus responding region (this will be used by the
 483 platform to perform the mapping).
 484
 485 device_addr is the physical address the device needs to be programmed
 486 with actually to address this memory (this will be handed out as the
 487 dma_addr_t in dma_alloc_coherent()).
 488
 489 size is the size of the area (must be multiples of PAGE_SIZE).
 490
 491 flags can be or'd together and are:
 492
 493 DMA_MEMORY_MAP - request that the memory returned from
 494 dma_alloc_coherent() be directly writable.
 495
 496 DMA_MEMORY_IO - request that the memory returned from
 497 dma_alloc_coherent() be addressable using read/write/memcpy_toio etc.
 498
 499 One or both of these flags must be present.
 500
 501 DMA_MEMORY_INCLUDES_CHILDREN - make the declared memory be allocated by
 502 dma_alloc_coherent of any child devices of this one (for memory residing
 503 on a bridge).
 504
 505 DMA_MEMORY_EXCLUSIVE - only allocate memory from the declared regions.
 506 Do not allow dma_alloc_coherent() to fall back to system memory when
 507 it's out of memory in the declared region.
 508
 509 The return value will be either DMA_MEMORY_MAP or DMA_MEMORY_IO and
 510 must correspond to a passed in flag (i.e. no returning DMA_MEMORY_IO
 511 if only DMA_MEMORY_MAP were passed in) for success or zero for
 512 failure.
 513
 514 Note, for DMA_MEMORY_IO returns, all subsequent memory returned by
 515 dma_alloc_coherent() may no longer be accessed directly, but instead
 516 must be accessed using the correct bus functions.  If your driver
 517 isn't prepared to handle this contingency, it should not specify
 518 DMA_MEMORY_IO in the input flags.
 519
 520 As a simplification for the platforms, only *one* such region of
 521 memory may be declared per device.
 522
 523 For reasons of efficiency, most platforms choose to track the declared
 524 region only at the granularity of a page.  For smaller allocations,
 525 you should use the dma_pool() API.
 526
 527 void
 528 dma_release_declared_memory(struct device *dev)
 529
 530 Remove the memory region previously declared from the system.  This
 531 API performs *no* in-use checking for this region and will return
 532 unconditionally having removed all the required structures.  It is the
 533 driver's job to ensure that no parts of this memory region are
 534 currently in use.
 535
 536 void *
 537 dma_mark_declared_memory_occupied(struct device *dev,
 538                                   dma_addr_t device_addr, size_t size)
 539
 540 This is used to occupy specific regions of the declared space
 541 (dma_alloc_coherent() will hand out the first free region it finds).
 542
 543 device_addr is the *device* address of the region requested.
 544
 545 size is the size (and should be a page-sized multiple).
 546
 547 The return value will be either a pointer to the processor virtual
 548 address of the memory, or an error (via PTR_ERR()) if any part of the
 549 region is occupied.