f2fs: Provide a splice-read wrapper
[linux-block.git] / Documentation / i2c / i2c-topology.rst
1 ================================
2 I2C muxes and complex topologies
3 ================================
4
5 There are a couple of reasons for building more complex I2C topologies
6 than a straight-forward I2C bus with one adapter and one or more devices.
7
8 Some example use cases are:
9
10 1. A mux may be needed on the bus to prevent address collisions.
11
12 2. The bus may be accessible from some external bus master, and arbitration
13    may be needed to determine if it is ok to access the bus.
14
15 3. A device (particularly RF tuners) may want to avoid the digital noise
16    from the I2C bus, at least most of the time, and sits behind a gate
17    that has to be operated before the device can be accessed.
18
19 Several types of hardware components such as I2C muxes, I2C gates and I2C
20 arbitrators allow to handle such needs.
21
22 These components are represented as I2C adapter trees by Linux, where
23 each adapter has a parent adapter (except the root adapter) and zero or
24 more child adapters. The root adapter is the actual adapter that issues
25 I2C transfers, and all adapters with a parent are part of an "i2c-mux"
26 object (quoted, since it can also be an arbitrator or a gate).
27
28 Depending of the particular mux driver, something happens when there is
29 an I2C transfer on one of its child adapters. The mux driver can
30 obviously operate a mux, but it can also do arbitration with an external
31 bus master or open a gate. The mux driver has two operations for this,
32 select and deselect. select is called before the transfer and (the
33 optional) deselect is called after the transfer.
34
35
36 Locking
37 =======
38
39 There are two variants of locking available to I2C muxes, they can be
40 mux-locked or parent-locked muxes.
41
42
43 Mux-locked muxes
44 ----------------
45
46 Mux-locked muxes does not lock the entire parent adapter during the
47 full select-transfer-deselect transaction, only the muxes on the parent
48 adapter are locked. Mux-locked muxes are mostly interesting if the
49 select and/or deselect operations must use I2C transfers to complete
50 their tasks. Since the parent adapter is not fully locked during the
51 full transaction, unrelated I2C transfers may interleave the different
52 stages of the transaction. This has the benefit that the mux driver
53 may be easier and cleaner to implement, but it has some caveats.
54
55 Mux-locked Example
56 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
57
58 ::
59
60                    .----------.     .--------.
61     .--------.     |   mux-   |-----| dev D1 |
62     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
63     '--------'  |  |  mux M1  |--.  .--------.
64                 |  '----------'  '--| dev D2 |
65                 |  .--------.       '--------'
66                 '--| dev D3 |
67                    '--------'
68
69 When there is an access to D1, this happens:
70
71  1. Someone issues an I2C transfer to D1.
72  2. M1 locks muxes on its parent (the root adapter in this case).
73  3. M1 calls ->select to ready the mux.
74  4. M1 (presumably) does some I2C transfers as part of its select.
75     These transfers are normal I2C transfers that locks the parent
76     adapter.
77  5. M1 feeds the I2C transfer from step 1 to its parent adapter as a
78     normal I2C transfer that locks the parent adapter.
79  6. M1 calls ->deselect, if it has one.
80  7. Same rules as in step 4, but for ->deselect.
81  8. M1 unlocks muxes on its parent.
82
83 This means that accesses to D2 are lockout out for the full duration
84 of the entire operation. But accesses to D3 are possibly interleaved
85 at any point.
86
87 Mux-locked caveats
88 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
89
90 When using a mux-locked mux, be aware of the following restrictions:
91
92 [ML1]
93   If you build a topology with a mux-locked mux being the parent
94   of a parent-locked mux, this might break the expectation from the
95   parent-locked mux that the root adapter is locked during the
96   transaction.
97
98 [ML2]
99   It is not safe to build arbitrary topologies with two (or more)
100   mux-locked muxes that are not siblings, when there are address
101   collisions between the devices on the child adapters of these
102   non-sibling muxes.
103
104   I.e. the select-transfer-deselect transaction targeting e.g. device
105   address 0x42 behind mux-one may be interleaved with a similar
106   operation targeting device address 0x42 behind mux-two. The
107   intent with such a topology would in this hypothetical example
108   be that mux-one and mux-two should not be selected simultaneously,
109   but mux-locked muxes do not guarantee that in all topologies.
110
111 [ML3]
112   A mux-locked mux cannot be used by a driver for auto-closing
113   gates/muxes, i.e. something that closes automatically after a given
114   number (one, in most cases) of I2C transfers. Unrelated I2C transfers
115   may creep in and close prematurely.
116
117 [ML4]
118   If any non-I2C operation in the mux driver changes the I2C mux state,
119   the driver has to lock the root adapter during that operation.
120   Otherwise garbage may appear on the bus as seen from devices
121   behind the mux, when an unrelated I2C transfer is in flight during
122   the non-I2C mux-changing operation.
123
124
125 Parent-locked muxes
126 -------------------
127
128 Parent-locked muxes lock the parent adapter during the full select-
129 transfer-deselect transaction. The implication is that the mux driver
130 has to ensure that any and all I2C transfers through that parent
131 adapter during the transaction are unlocked I2C transfers (using e.g.
132 __i2c_transfer), or a deadlock will follow.
133
134 Parent-locked Example
135 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
136
137 ::
138
139                    .----------.     .--------.
140     .--------.     |  parent- |-----| dev D1 |
141     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
142     '--------'  |  |  mux M1  |--.  .--------.
143                 |  '----------'  '--| dev D2 |
144                 |  .--------.       '--------'
145                 '--| dev D3 |
146                    '--------'
147
148 When there is an access to D1, this happens:
149
150  1.  Someone issues an I2C transfer to D1.
151  2.  M1 locks muxes on its parent (the root adapter in this case).
152  3.  M1 locks its parent adapter.
153  4.  M1 calls ->select to ready the mux.
154  5.  If M1 does any I2C transfers (on this root adapter) as part of
155      its select, those transfers must be unlocked I2C transfers so
156      that they do not deadlock the root adapter.
157  6.  M1 feeds the I2C transfer from step 1 to the root adapter as an
158      unlocked I2C transfer, so that it does not deadlock the parent
159      adapter.
160  7.  M1 calls ->deselect, if it has one.
161  8.  Same rules as in step 5, but for ->deselect.
162  9.  M1 unlocks its parent adapter.
163  10. M1 unlocks muxes on its parent.
164
165 This means that accesses to both D2 and D3 are locked out for the full
166 duration of the entire operation.
167
168 Parent-locked Caveats
169 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
170
171 When using a parent-locked mux, be aware of the following restrictions:
172
173 [PL1]
174   If you build a topology with a parent-locked mux being the child
175   of another mux, this might break a possible assumption from the
176   child mux that the root adapter is unused between its select op
177   and the actual transfer (e.g. if the child mux is auto-closing
178   and the parent mux issues I2C transfers as part of its select).
179   This is especially the case if the parent mux is mux-locked, but
180   it may also happen if the parent mux is parent-locked.
181
182 [PL2]
183   If select/deselect calls out to other subsystems such as gpio,
184   pinctrl, regmap or iio, it is essential that any I2C transfers
185   caused by these subsystems are unlocked. This can be convoluted to
186   accomplish, maybe even impossible if an acceptably clean solution
187   is sought.
188
189
190 Complex Examples
191 ================
192
193 Parent-locked mux as parent of parent-locked mux
194 ------------------------------------------------
195
196 This is a useful topology, but it can be bad::
197
198                    .----------.     .----------.     .--------.
199     .--------.     |  parent- |-----|  parent- |-----| dev D1 |
200     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
201     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
202                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
203                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
204                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
205                    '--------'       '--------'
206
207 When any device is accessed, all other devices are locked out for
208 the full duration of the operation (both muxes lock their parent,
209 and specifically when M2 requests its parent to lock, M1 passes
210 the buck to the root adapter).
211
212 This topology is bad if M2 is an auto-closing mux and M1->select
213 issues any unlocked I2C transfers on the root adapter that may leak
214 through and be seen by the M2 adapter, thus closing M2 prematurely.
215
216
217 Mux-locked mux as parent of mux-locked mux
218 ------------------------------------------
219
220 This is a good topology::
221
222                    .----------.     .----------.     .--------.
223     .--------.     |   mux-   |-----|   mux-   |-----| dev D1 |
224     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
225     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
226                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
227                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
228                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
229                    '--------'       '--------'
230
231 When device D1 is accessed, accesses to D2 are locked out for the
232 full duration of the operation (muxes on the top child adapter of M1
233 are locked). But accesses to D3 and D4 are possibly interleaved at
234 any point.
235
236 Accesses to D3 locks out D1 and D2, but accesses to D4 are still possibly
237 interleaved.
238
239
240 Mux-locked mux as parent of parent-locked mux
241 ---------------------------------------------
242
243 This is probably a bad topology::
244
245                    .----------.     .----------.     .--------.
246     .--------.     |   mux-   |-----|  parent- |-----| dev D1 |
247     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
248     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
249                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
250                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
251                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
252                    '--------'       '--------'
253
254 When device D1 is accessed, accesses to D2 and D3 are locked out
255 for the full duration of the operation (M1 locks child muxes on the
256 root adapter). But accesses to D4 are possibly interleaved at any
257 point.
258
259 This kind of topology is generally not suitable and should probably
260 be avoided. The reason is that M2 probably assumes that there will
261 be no I2C transfers during its calls to ->select and ->deselect, and
262 if there are, any such transfers might appear on the slave side of M2
263 as partial I2C transfers, i.e. garbage or worse. This might cause
264 device lockups and/or other problems.
265
266 The topology is especially troublesome if M2 is an auto-closing
267 mux. In that case, any interleaved accesses to D4 might close M2
268 prematurely, as might any I2C transfers part of M1->select.
269
270 But if M2 is not making the above stated assumption, and if M2 is not
271 auto-closing, the topology is fine.
272
273
274 Parent-locked mux as parent of mux-locked mux
275 ---------------------------------------------
276
277 This is a good topology::
278
279                    .----------.     .----------.     .--------.
280     .--------.     |  parent- |-----|   mux-   |-----| dev D1 |
281     |  root  |--+--|  locked  |     |  locked  |     '--------'
282     '--------'  |  |  mux M1  |--.  |  mux M2  |--.  .--------.
283                 |  '----------'  |  '----------'  '--| dev D2 |
284                 |  .--------.    |  .--------.       '--------'
285                 '--| dev D4 |    '--| dev D3 |
286                    '--------'       '--------'
287
288 When D1 is accessed, accesses to D2 are locked out for the full
289 duration of the operation (muxes on the top child adapter of M1
290 are locked). Accesses to D3 and D4 are possibly interleaved at
291 any point, just as is expected for mux-locked muxes.
292
293 When D3 or D4 are accessed, everything else is locked out. For D3
294 accesses, M1 locks the root adapter. For D4 accesses, the root
295 adapter is locked directly.
296
297
298 Two mux-locked sibling muxes
299 ----------------------------
300
301 This is a good topology::
302
303                                     .--------.
304                    .----------.  .--| dev D1 |
305                    |   mux-   |--'  '--------'
306                 .--|  locked  |     .--------.
307                 |  |  mux M1  |-----| dev D2 |
308                 |  '----------'     '--------'
309                 |  .----------.     .--------.
310     .--------.  |  |   mux-   |-----| dev D3 |
311     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
312     '--------'  |  |  mux M2  |--.  .--------.
313                 |  '----------'  '--| dev D4 |
314                 |  .--------.       '--------'
315                 '--| dev D5 |
316                    '--------'
317
318 When D1 is accessed, accesses to D2, D3 and D4 are locked out. But
319 accesses to D5 may be interleaved at any time.
320
321
322 Two parent-locked sibling muxes
323 -------------------------------
324
325 This is a good topology::
326
327                                     .--------.
328                    .----------.  .--| dev D1 |
329                    |  parent- |--'  '--------'
330                 .--|  locked  |     .--------.
331                 |  |  mux M1  |-----| dev D2 |
332                 |  '----------'     '--------'
333                 |  .----------.     .--------.
334     .--------.  |  |  parent- |-----| dev D3 |
335     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
336     '--------'  |  |  mux M2  |--.  .--------.
337                 |  '----------'  '--| dev D4 |
338                 |  .--------.       '--------'
339                 '--| dev D5 |
340                    '--------'
341
342 When any device is accessed, accesses to all other devices are locked
343 out.
344
345
346 Mux-locked and parent-locked sibling muxes
347 ------------------------------------------
348
349 This is a good topology::
350
351                                     .--------.
352                    .----------.  .--| dev D1 |
353                    |   mux-   |--'  '--------'
354                 .--|  locked  |     .--------.
355                 |  |  mux M1  |-----| dev D2 |
356                 |  '----------'     '--------'
357                 |  .----------.     .--------.
358     .--------.  |  |  parent- |-----| dev D3 |
359     |  root  |--+--|  locked  |     '--------'
360     '--------'  |  |  mux M2  |--.  .--------.
361                 |  '----------'  '--| dev D4 |
362                 |  .--------.       '--------'
363                 '--| dev D5 |
364                    '--------'
365
366 When D1 or D2 are accessed, accesses to D3 and D4 are locked out while
367 accesses to D5 may interleave. When D3 or D4 are accessed, accesses to
368 all other devices are locked out.
369
370
371 Mux type of existing device drivers
372 ===================================
373
374 Whether a device is mux-locked or parent-locked depends on its
375 implementation. The following list was correct at the time of writing:
376
377 In drivers/i2c/muxes/:
378
379 ======================    =============================================
380 i2c-arb-gpio-challenge    Parent-locked
381 i2c-mux-gpio              Normally parent-locked, mux-locked iff
382                           all involved gpio pins are controlled by the
383                           same I2C root adapter that they mux.
384 i2c-mux-gpmux             Normally parent-locked, mux-locked iff
385                           specified in device-tree.
386 i2c-mux-ltc4306           Mux-locked
387 i2c-mux-mlxcpld           Parent-locked
388 i2c-mux-pca9541           Parent-locked
389 i2c-mux-pca954x           Parent-locked
390 i2c-mux-pinctrl           Normally parent-locked, mux-locked iff
391                           all involved pinctrl devices are controlled
392                           by the same I2C root adapter that they mux.
393 i2c-mux-reg               Parent-locked
394 ======================    =============================================
395
396 In drivers/iio/:
397
398 ======================    =============================================
399 gyro/mpu3050              Mux-locked
400 imu/inv_mpu6050/          Mux-locked
401 ======================    =============================================
402
403 In drivers/media/:
404
405 =======================   =============================================
406 dvb-frontends/lgdt3306a   Mux-locked
407 dvb-frontends/m88ds3103   Parent-locked
408 dvb-frontends/rtl2830     Parent-locked
409 dvb-frontends/rtl2832     Mux-locked
410 dvb-frontends/si2168      Mux-locked
411 usb/cx231xx/              Parent-locked
412 =======================   =============================================