STM32 DMA-MDMA chaining

STM32 DMA-MDMA 체이닝

이 문서는 `GPL-2.0` SPDX 라이선스 식별자를 사용하는 STM32 DMA-MDMA chaining 설명서입니다.

소개

이 문서는 STM32 DMA-MDMA 체이닝 기능을 설명합니다. 먼저 이 기능에 관여하는 주변장치를 소개합니다.

STM32 마이크로프로세서(MPU)는 CPU에서 데이터 전송 작업을 덜어 내기 위해 직접 메모리 접근 컨트롤러(DMA)를 내장합니다.

STM32MP1 SoC에는 STM32 DMA와 STM32 MDMA 컨트롤러가 모두 들어 있습니다. STM32 DMA의 요청 라우팅 기능은 DMA request multiplexer인 STM32 DMAMUX가 확장합니다.

STM32 DMAMUX

STM32 DMAMUX는 특정 주변장치에서 발생한 임의의 DMA 요청을 STM32 DMA 컨트롤러의 임의 채널로 라우팅합니다. STM32MP1에는 STM32 DMA 컨트롤러가 두 개 있습니다.

STM32 DMA

STM32 DMA는 주로 여러 주변장치의 중앙 데이터 버퍼 저장소를 구현하는 데 사용하며, 이 버퍼는 보통 시스템 SRAM에 둡니다. 외부 RAM에도 접근할 수 있지만 AXI 부하를 최적화하는 적절한 burst transfer를 생성하는 능력은 없습니다.

STM32 MDMA

STM32 MDMA(Master DMA)는 CPU 개입 없이 RAM 데이터 버퍼 사이를 직접 전송하는 데 주로 사용합니다.

계층형 구조에서는 STM32 DMA가 AHB 주변장치를 위한 1단계 데이터 버퍼 인터페이스를 맡고, 성능이 더 높은 STM32 MDMA가 2단계 DMA를 맡을 수 있습니다. AXI/AHB master인 STM32 MDMA는 AXI/AHB 버스의 제어권을 가져올 수 있습니다.

체이닝 원리

STM32 DMA-MDMA 체이닝은 두 컨트롤러의 장점을 함께 사용합니다.

STM32 DMA에는 순환 Double Buffer Mode(DBM)가 있습니다. 각 트랜잭션이 끝나 `DMA_SxNDTR` 데이터 카운터가 0에 도달하면 `DMA_SxSM0AR`와 `DMA_SxM1AR`로 구성한 메모리 포인터를 서로 바꾸고 데이터 카운터를 자동으로 다시 적재합니다. 따라서 STM32 DMA가 한 메모리 영역을 채우거나 사용하는 동안 소프트웨어 또는 STM32 MDMA가 다른 영역을 처리할 수 있습니다.

STM32 MDMA linked-list mode에서는 요청 하나가 노드 모음인 데이터 배열의 전송을 시작하고, 채널의 linked-list pointer가 null이 될 때까지 계속합니다. 마지막 노드의 channel transfer complete가 전체 전송의 끝입니다. 첫 노드와 마지막 노드를 서로 연결하면 linked list가 반복되어 순환 MDMA 전송이 됩니다.

STM32 MDMA는 STM32 DMA와 직접 연결됩니다. 이 연결은 주변장치 사이의 통신과 동기화를 자율화하여 CPU 자원 사용과 버스 혼잡을 줄입니다. STM32 DMA 채널의 Transfer Complete 신호가 STM32 MDMA 전송을 트리거할 수 있습니다.

STM32 MDMA는 `MDMA_CxMAR`에 저장된 주소의 DMA Interrupt Clear register에 `MDMA_CxMDR`의 bit mask를 기록하여 STM32 DMA가 생성한 요청을 지울 수 있습니다.

STM32 DMA와 MDMA의 인터커넥트

DMAMUX 채널 0~15는 DMA1·DMA2의 각 채널 Transfer Complete 신호와 MDMA 요청 0x00~0x0F에 일대일로 연결됩니다.

SRAM 이중 버퍼 파이프라인

STM32 DMA-MDMA 체이닝은 SRAM 버퍼를 사용합니다. STM32MP1 SoC는 데이터 저장용으로 크기가 서로 다른 고속 내부 정적 RAM 세 개를 내장합니다.

마이크로컨트롤러에서 유래한 STM32 DMA는 DDR 성능이 좋지 않고 SRAM에서는 최적 성능을 냅니다. 이 때문에 STM32 DMA와 STM32 MDMA 사이에 SRAM 버퍼를 둡니다. 버퍼를 같은 크기의 period 두 개로 나누어 STM32 DMA와 STM32 MDMA가 서로 다른 period를 동시에 사용합니다.

MDMA 구성 매개변수 전달

STM32 DMA-MDMA 체이닝은 `(struct dma_slave_config).peripheral_config`를 사용해 MDMA 구성에 필요한 매개변수를 교환합니다. 매개변수는 다음 세 값을 담은 `u32` 배열로 묶습니다.

• STM32 MDMA request. 실제 값은 DMAMUX channel ID입니다.
• Transfer Complete interrupt flag를 지울 STM32 DMA register의 주소입니다.
• STM32 DMA channel의 Transfer Complete interrupt flag mask입니다.

Device Tree에서 SRAM 버퍼 할당

SoC Device Tree에 정의된 SRAM 노드를 보드 Device Tree에서 참조하여 전용 SRAM pool을 정의합니다.

&sram {
        my_foo_device_dma_pool: dma-sram@0 {
                reg = <0x0 0x1000>;
        };
};

다른 SRAM 소비자가 있을 수 있으므로 시작 인덱스를 주의해야 합니다. STM32 DMA와 STM32 MDMA가 SRAM의 각 버퍼에서 동시에 작업할 수 있도록 pool 크기를 전략적으로 정하십시오.

SRAM period가 예상 DMA 전송보다 크면 두 컨트롤러가 동시에 움직이지 않고 순차적으로 동작합니다. 기능상 문제는 아니지만 최적 상태는 아닙니다.

장치 노드에서 SRAM pool을 참조하는 새 속성도 정의해야 합니다.

&my_foo_device {
        ...
        my_dma_pool = &my_foo_device_dma_pool;
};

그런 다음 foo 드라이버에서 이 SRAM pool을 얻어 DMA용 SRAM 버퍼를 할당합니다.

Device Tree에서 DMA와 MDMA 채널 할당

기존의 "classic" DMA 동작용 채널에 더해 장치 노드에 채널 하나를 추가해야 합니다. 새 채널은 STM32 MDMA 채널에서 가져오므로 사용할 DMA controller phandle은 MDMA 컨트롤러의 phandle입니다.

&my_foo_device {
        [...]
        my_dma_pool = &my_foo_device_dma_pool;
        dmas = <&dmamux1 ...>,                // STM32 DMA channel
               <&mdma1 0 0x3 0x1200000a 0 0>; // + STM32 MDMA channel
};

STM32 MDMA binding의 셀은 다음 의미를 갖습니다.

• 1. Request line number: 여기 지정한 값과 관계없이 MDMA 드라이버가 `(struct dma_slave_config).peripheral_config`로 전달된 STM32 DMAMUX channel ID로 덮어씁니다.
• 2. Priority level: 요청 중재에서 다른 채널보다 우선하도록 Very High(`0x3`)를 선택합니다.
• 3. DMA channel configuration을 지정하는 32-bit mask: source·destination address increment와 단일 전송당 128 bytes인 block transfer를 지정합니다.
• 4. Request acknowledge에 사용할 register를 지정하는 32-bit 값: MDMA 드라이버가 `.peripheral_config`로 받은 DMA channel interrupt flag clear register 주소로 덮어씁니다.
• 5. Request acknowledge를 위해 기록할 값을 지정하는 32-bit mask: MDMA 드라이버가 `.peripheral_config`로 받은 DMA channel Transfer Complete flag로 덮어씁니다.

드라이버의 scatter-gather 표 재구성

`dmaengine_prep_slave_sg()`를 사용한다면 원래 `sg_table`을 그대로 사용할 수 없습니다. 원본에서 새 `sg_table` 두 개를 만들어야 합니다. STM32 DMA용 표의 메모리 주소는 DDR 대신 SRAM 버퍼를 가리키고, STM32 MDMA용 표의 메모리 주소는 DDR 버퍼를 가리킵니다.

새 `sg_list` 항목은 SRAM period 길이에 맞아야 합니다. 다음은 `DMA_DEV_TO_MEM` 방향의 예제입니다. `sgl`과 `nents`는 원래 scatterlist와 그 길이이고, `sram_dma_buf`와 `sram_period`는 DMA용 pool에서 할당한 메모리 및 전체 `sram_buf`의 절반인 period 길이라고 가정합니다.

/*
  * Assuming sgl and nents, respectively the initial scatterlist and its
  * length.
  * Assuming sram_dma_buf and sram_period, respectively the memory
  * allocated from the pool for DMA usage, and the length of the period,
  * which is half of the sram_buf size.
  */
struct sg_table new_dma_sgt, new_mdma_sgt;
struct scatterlist *s, *_sgl;
dma_addr_t ddr_dma_buf;
u32 new_nents = 0, len;
int i;

/* Count the number of entries needed */
for_each_sg(sgl, s, nents, i)
        if (sg_dma_len(s) > sram_period)
                new_nents += DIV_ROUND_UP(sg_dma_len(s), sram_period);
        else
                new_nents++;

/* Create sg table for STM32 DMA channel */
ret = sg_alloc_table(&new_dma_sgt, new_nents, GFP_ATOMIC);
if (ret)
        dev_err(dev, "DMA sg table alloc failed\n");

for_each_sg(new_dma_sgt.sgl, s, new_dma_sgt.nents, i) {
        _sgl = sgl;
        sg_dma_len(s) = min(sg_dma_len(_sgl), sram_period);
        /* Targets the beginning = first half of the sram_buf */
        s->dma_address = sram_buf;
        /*
          * Targets the second half of the sram_buf
          * for odd indexes of the item of the sg_list
          */
        if (i & 1)
                s->dma_address += sram_period;
}

/* Create sg table for STM32 MDMA channel */
ret = sg_alloc_table(&new_mdma_sgt, new_nents, GFP_ATOMIC);
if (ret)
        dev_err(dev, "MDMA sg_table alloc failed\n");

_sgl = sgl;
len = sg_dma_len(sgl);
ddr_dma_buf = sg_dma_address(sgl);
for_each_sg(mdma_sgt.sgl, s, mdma_sgt.nents, i) {
        size_t bytes = min_t(size_t, len, sram_period);

        sg_dma_len(s) = bytes;
        sg_dma_address(s) = ddr_dma_buf;
        len -= bytes;

        if (!len && sg_next(_sgl)) {
                _sgl = sg_next(_sgl);
                len = sg_dma_len(_sgl);
                ddr_dma_buf = sg_dma_address(_sgl);
        } else {
                ddr_dma_buf += bytes;
        }
}

`dmaengine_prep_slave_sg()`로 descriptor를 얻은 뒤에는 새로 만든 두 `sg_table`을 반드시 해제해야 합니다.

컨트롤러별 매개변수 구성

먼저 `struct dma_slave_config`와 `dmaengine_slave_config()`로 STM32 DMA 채널을 구성합니다. 전송 방향에 따른 memory address가 SRAM 버퍼를 가리키게 하고 `(struct dma_slave_config).peripheral_size != 0`으로 설정합니다.

STM32 DMA 드라이버는 `.peripheral_size`를 확인해 체이닝 사용 여부를 판단합니다. 체이닝이면 `.peripheral_config`에 `u32` 세 개짜리 배열을 채웁니다. 순서대로 STM32 DMAMUX channel ID, channel interrupt flag clear register 주소, channel Transfer Complete flag mask입니다.

그 다음 별도의 `struct dma_slave_config`로 STM32 MDMA 채널을 구성합니다. 전송 방향에 따른 device address는 SRAM 버퍼를, memory address는 기존 "classic" DMA에서 사용하던 원본 버퍼를 가리켜야 합니다.

STM32 DMA 드라이버가 갱신한 이전 구성의 `.peripheral_size`와 `.peripheral_config`를 STM32 MDMA용 `struct dma_slave_config`의 같은 필드에 전달합니다. 아래 예제의 변수명과 필드는 원문 그대로 보존했습니다.

struct dma_slave_config dma_conf;
struct dma_slave_config mdma_conf;

memset(&dma_conf, 0, sizeof(dma_conf));
[...]
config.direction = DMA_DEV_TO_MEM;
config.dst_addr = sram_dma_buf;        // SRAM buffer
config.peripheral_size = 1;            // peripheral_size != 0 => chaining

dmaengine_slave_config(dma_chan, &dma_config);

memset(&mdma_conf, 0, sizeof(mdma_conf));
config.direction = DMA_DEV_TO_MEM;
mdma_conf.src_addr = sram_dma_buf;     // SRAM buffer
mdma_conf.dst_addr = rx_dma_buf;       // original memory buffer
mdma_conf.peripheral_size = dma_conf.peripheral_size;       // <- dma_conf
mdma_conf.peripheral_config = dma_config.peripheral_config; // <- dma_conf

dmaengine_slave_config(mdma_chan, &mdma_conf);

STM32 DMA 트랜잭션 descriptor

기존 "classic" DMA 동작과 같은 방식으로 STM32 DMA descriptor를 얻되 SRAM 버퍼를 사용하도록 입력을 바꿉니다. `dmaengine_prep_slave_sg()`에서는 원래 `sg_list`를 새 SRAM용 `sg_list`로 교체하고, `dmaengine_prep_dma_cyclic()`에서는 원래 buffer address, length, period를 새 SRAM 버퍼에 맞게 교체합니다.

STM32 MDMA 트랜잭션 descriptor

STM32 DMA descriptor를 `dmaengine_prep_slave_sg()`로 준비했다면 STM32 MDMA에도 `dmaengine_prep_slave_sg()`를 사용하고, `dmaengine_prep_dma_cyclic()`을 사용했다면 MDMA에도 같은 cyclic API를 사용합니다.

Scatter-gather 방식에서는 SRAM 버퍼를 사용하는 새 `sg_list`를 사용합니다. Cyclic 방식은 전송 방향에 따라 `DMA_DEV_TO_MEM`이면 원래 DDR 버퍼를, `DMA_MEM_TO_DEV`이면 SRAM 버퍼를 사용합니다. Source address는 앞서 `dmaengine_slave_config()`로 설정합니다.

두 트랜잭션 제출과 callback

트랜잭션을 제출하기 전에 전체 전송(`dmaengine_prep_slave_sg()`) 또는 period(`dmaengine_prep_dma_cyclic()`)가 끝날 때 어느 descriptor의 callback을 호출할지 정해야 할 수 있습니다. 전체 전송을 마지막으로 완료하는 descriptor에 callback을 둡니다.

• `DMA_DEV_TO_MEM`: "MDMA" descriptor에 callback을 설정합니다.
• `DMA_MEM_TO_DEV`: "DMA" descriptor에 callback을 설정합니다.

그 다음 순서와 관계없이 `dmaengine_tx_submit()`으로 두 descriptor를 제출합니다.

Pending 요청 시작과 종료 처리

STM32 MDMA 채널 전송은 STM32 DMA가 트리거하므로 STM32 DMA 채널보다 STM32 MDMA 채널을 먼저 issue해야 합니다.

Callback이 있다면 전체 전송 종료 또는 period 완료 시 호출됩니다.

두 채널 모두 종료하는 것을 잊지 마십시오. STM32 DMA 채널은 순환 Double-Buffer mode이므로 하드웨어가 비활성화하지 않아 드라이버가 종료해야 합니다. STM32 MDMA 채널은 scatter-gather 전송이면 하드웨어가 멈추지만 cyclic 전송이면 멈추지 않습니다. 전송 종류와 관계없이 명시적으로 종료해도 됩니다.

DMA_MEM_TO_DEV 특수 사례

`DMA_MEM_TO_DEV` 방향의 STM32 DMA-MDMA 체이닝은 특수 사례입니다. STM32 MDMA가 DDR 데이터를 SRAM 버퍼에 공급하고 STM32 DMA가 SRAM에서 읽기 때문에 STM32 DMA가 읽기 시작할 때 첫 period 데이터가 이미 SRAM에 있어야 합니다.

STM32 DMA 채널을 일시 정지하여 Transfer Complete 신호를 만들고 MDMA를 트리거하는 방법은 첫 DMA 읽기 데이터가 잘못될 수 있습니다. 올바른 방법은 `dmaengine_prep_dma_memcpy()`로 첫 SRAM period를 미리 준비한 뒤 이 첫 period를 scatter-gather 또는 cyclic 전송 범위에서 제거하는 것입니다.

자료와 작성자

Application note, datasheet, reference manual은 ST의 STM32MP1 웹사이트에서 제공합니다. AN5224, AN4031, AN5001은 각각 STM32 DMAMUX, STM32 DMA, STM32 MDMA를 집중적으로 다룹니다.

• STM32MP1 serieshttps://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32mp1-series.html
• AN5224 - STM32 DMAMUXhttps://www.st.com/resource/en/application_note/an5224-stm32-dmamux-the-dma-request-router-stmicroelectronics.pdf
• AN4031 - STM32 DMAhttps://www.st.com/resource/en/application_note/dm00046011-using-the-stm32f2-stm32f4-and-stm32f7-series-dma-controller-stmicroelectronics.pdf
• AN5001 - STM32 MDMAhttps://www.st.com/resource/en/application_note/an5001-stm32cube-expansion-package-for-stm32h7-series-mdma-stmicroelectronics.pdf

작성자: Amelie Delaunay <amelie.delaunay@foss.st.com>