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[platform/kernel/linux-rpi.git] / Documentation / networking / dsa / sja1105.rst
1 =========================
2 NXP SJA1105 switch driver
3 =========================
4
5 Overview
6 ========
7
8 The NXP SJA1105 is a family of 10 SPI-managed automotive switches:
9
10 - SJA1105E: First generation, no TTEthernet
11 - SJA1105T: First generation, TTEthernet
12 - SJA1105P: Second generation, no TTEthernet, no SGMII
13 - SJA1105Q: Second generation, TTEthernet, no SGMII
14 - SJA1105R: Second generation, no TTEthernet, SGMII
15 - SJA1105S: Second generation, TTEthernet, SGMII
16 - SJA1110A: Third generation, TTEthernet, SGMII, integrated 100base-T1 and
17   100base-TX PHYs
18 - SJA1110B: Third generation, TTEthernet, SGMII, 100base-T1, 100base-TX
19 - SJA1110C: Third generation, TTEthernet, SGMII, 100base-T1, 100base-TX
20 - SJA1110D: Third generation, TTEthernet, SGMII, 100base-T1
21
22 Being automotive parts, their configuration interface is geared towards
23 set-and-forget use, with minimal dynamic interaction at runtime. They
24 require a static configuration to be composed by software and packed
25 with CRC and table headers, and sent over SPI.
26
27 The static configuration is composed of several configuration tables. Each
28 table takes a number of entries. Some configuration tables can be (partially)
29 reconfigured at runtime, some not. Some tables are mandatory, some not:
30
31 ============================= ================== =============================
32 Table                          Mandatory          Reconfigurable
33 ============================= ================== =============================
34 Schedule                       no                 no
35 Schedule entry points          if Scheduling      no
36 VL Lookup                      no                 no
37 VL Policing                    if VL Lookup       no
38 VL Forwarding                  if VL Lookup       no
39 L2 Lookup                      no                 no
40 L2 Policing                    yes                no
41 VLAN Lookup                    yes                yes
42 L2 Forwarding                  yes                partially (fully on P/Q/R/S)
43 MAC Config                     yes                partially (fully on P/Q/R/S)
44 Schedule Params                if Scheduling      no
45 Schedule Entry Points Params   if Scheduling      no
46 VL Forwarding Params           if VL Forwarding   no
47 L2 Lookup Params               no                 partially (fully on P/Q/R/S)
48 L2 Forwarding Params           yes                no
49 Clock Sync Params              no                 no
50 AVB Params                     no                 no
51 General Params                 yes                partially
52 Retagging                      no                 yes
53 xMII Params                    yes                no
54 SGMII                          no                 yes
55 ============================= ================== =============================
56
57
58 Also the configuration is write-only (software cannot read it back from the
59 switch except for very few exceptions).
60
61 The driver creates a static configuration at probe time, and keeps it at
62 all times in memory, as a shadow for the hardware state. When required to
63 change a hardware setting, the static configuration is also updated.
64 If that changed setting can be transmitted to the switch through the dynamic
65 reconfiguration interface, it is; otherwise the switch is reset and
66 reprogrammed with the updated static configuration.
67
68 Switching features
69 ==================
70
71 The driver supports the configuration of L2 forwarding rules in hardware for
72 port bridging. The forwarding, broadcast and flooding domain between ports can
73 be restricted through two methods: either at the L2 forwarding level (isolate
74 one bridge's ports from another's) or at the VLAN port membership level
75 (isolate ports within the same bridge). The final forwarding decision taken by
76 the hardware is a logical AND of these two sets of rules.
77
78 The hardware tags all traffic internally with a port-based VLAN (pvid), or it
79 decodes the VLAN information from the 802.1Q tag. Advanced VLAN classification
80 is not possible. Once attributed a VLAN tag, frames are checked against the
81 port's membership rules and dropped at ingress if they don't match any VLAN.
82 This behavior is available when switch ports are enslaved to a bridge with
83 ``vlan_filtering 1``.
84
85 Normally the hardware is not configurable with respect to VLAN awareness, but
86 by changing what TPID the switch searches 802.1Q tags for, the semantics of a
87 bridge with ``vlan_filtering 0`` can be kept (accept all traffic, tagged or
88 untagged), and therefore this mode is also supported.
89
90 Segregating the switch ports in multiple bridges is supported (e.g. 2 + 2), but
91 all bridges should have the same level of VLAN awareness (either both have
92 ``vlan_filtering`` 0, or both 1).
93
94 Topology and loop detection through STP is supported.
95
96 Offloads
97 ========
98
99 Time-aware scheduling
100 ---------------------
101
102 The switch supports a variation of the enhancements for scheduled traffic
103 specified in IEEE 802.1Q-2018 (formerly 802.1Qbv). This means it can be used to
104 ensure deterministic latency for priority traffic that is sent in-band with its
105 gate-open event in the network schedule.
106
107 This capability can be managed through the tc-taprio offload ('flags 2'). The
108 difference compared to the software implementation of taprio is that the latter
109 would only be able to shape traffic originated from the CPU, but not
110 autonomously forwarded flows.
111
112 The device has 8 traffic classes, and maps incoming frames to one of them based
113 on the VLAN PCP bits (if no VLAN is present, the port-based default is used).
114 As described in the previous sections, depending on the value of
115 ``vlan_filtering``, the EtherType recognized by the switch as being VLAN can
116 either be the typical 0x8100 or a custom value used internally by the driver
117 for tagging. Therefore, the switch ignores the VLAN PCP if used in standalone
118 or bridge mode with ``vlan_filtering=0``, as it will not recognize the 0x8100
119 EtherType. In these modes, injecting into a particular TX queue can only be
120 done by the DSA net devices, which populate the PCP field of the tagging header
121 on egress. Using ``vlan_filtering=1``, the behavior is the other way around:
122 offloaded flows can be steered to TX queues based on the VLAN PCP, but the DSA
123 net devices are no longer able to do that. To inject frames into a hardware TX
124 queue with VLAN awareness active, it is necessary to create a VLAN
125 sub-interface on the DSA master port, and send normal (0x8100) VLAN-tagged
126 towards the switch, with the VLAN PCP bits set appropriately.
127
128 Management traffic (having DMAC 01-80-C2-xx-xx-xx or 01-19-1B-xx-xx-xx) is the
129 notable exception: the switch always treats it with a fixed priority and
130 disregards any VLAN PCP bits even if present. The traffic class for management
131 traffic has a value of 7 (highest priority) at the moment, which is not
132 configurable in the driver.
133
134 Below is an example of configuring a 500 us cyclic schedule on egress port
135 ``swp5``. The traffic class gate for management traffic (7) is open for 100 us,
136 and the gates for all other traffic classes are open for 400 us::
137
138   #!/bin/bash
139
140   set -e -u -o pipefail
141
142   NSEC_PER_SEC="1000000000"
143
144   gatemask() {
145           local tc_list="$1"
146           local mask=0
147
148           for tc in ${tc_list}; do
149                   mask=$((${mask} | (1 << ${tc})))
150           done
151
152           printf "%02x" ${mask}
153   }
154
155   if ! systemctl is-active --quiet ptp4l; then
156           echo "Please start the ptp4l service"
157           exit
158   fi
159
160   now=$(phc_ctl /dev/ptp1 get | gawk '/clock time is/ { print $5; }')
161   # Phase-align the base time to the start of the next second.
162   sec=$(echo "${now}" | gawk -F. '{ print $1; }')
163   base_time="$(((${sec} + 1) * ${NSEC_PER_SEC}))"
164
165   tc qdisc add dev swp5 parent root handle 100 taprio \
166           num_tc 8 \
167           map 0 1 2 3 5 6 7 \
168           queues 1@0 1@1 1@2 1@3 1@4 1@5 1@6 1@7 \
169           base-time ${base_time} \
170           sched-entry S $(gatemask 7) 100000 \
171           sched-entry S $(gatemask "0 1 2 3 4 5 6") 400000 \
172           flags 2
173
174 It is possible to apply the tc-taprio offload on multiple egress ports. There
175 are hardware restrictions related to the fact that no gate event may trigger
176 simultaneously on two ports. The driver checks the consistency of the schedules
177 against this restriction and errors out when appropriate. Schedule analysis is
178 needed to avoid this, which is outside the scope of the document.
179
180 Routing actions (redirect, trap, drop)
181 --------------------------------------
182
183 The switch is able to offload flow-based redirection of packets to a set of
184 destination ports specified by the user. Internally, this is implemented by
185 making use of Virtual Links, a TTEthernet concept.
186
187 The driver supports 2 types of keys for Virtual Links:
188
189 - VLAN-aware virtual links: these match on destination MAC address, VLAN ID and
190   VLAN PCP.
191 - VLAN-unaware virtual links: these match on destination MAC address only.
192
193 The VLAN awareness state of the bridge (vlan_filtering) cannot be changed while
194 there are virtual link rules installed.
195
196 Composing multiple actions inside the same rule is supported. When only routing
197 actions are requested, the driver creates a "non-critical" virtual link. When
198 the action list also contains tc-gate (more details below), the virtual link
199 becomes "time-critical" (draws frame buffers from a reserved memory partition,
200 etc).
201
202 The 3 routing actions that are supported are "trap", "drop" and "redirect".
203
204 Example 1: send frames received on swp2 with a DA of 42:be:24:9b:76:20 to the
205 CPU and to swp3. This type of key (DA only) when the port's VLAN awareness
206 state is off::
207
208   tc qdisc add dev swp2 clsact
209   tc filter add dev swp2 ingress flower skip_sw dst_mac 42:be:24:9b:76:20 \
210           action mirred egress redirect dev swp3 \
211           action trap
212
213 Example 2: drop frames received on swp2 with a DA of 42:be:24:9b:76:20, a VID
214 of 100 and a PCP of 0::
215
216   tc filter add dev swp2 ingress protocol 802.1Q flower skip_sw \
217           dst_mac 42:be:24:9b:76:20 vlan_id 100 vlan_prio 0 action drop
218
219 Time-based ingress policing
220 ---------------------------
221
222 The TTEthernet hardware abilities of the switch can be constrained to act
223 similarly to the Per-Stream Filtering and Policing (PSFP) clause specified in
224 IEEE 802.1Q-2018 (formerly 802.1Qci). This means it can be used to perform
225 tight timing-based admission control for up to 1024 flows (identified by a
226 tuple composed of destination MAC address, VLAN ID and VLAN PCP). Packets which
227 are received outside their expected reception window are dropped.
228
229 This capability can be managed through the offload of the tc-gate action. As
230 routing actions are intrinsic to virtual links in TTEthernet (which performs
231 explicit routing of time-critical traffic and does not leave that in the hands
232 of the FDB, flooding etc), the tc-gate action may never appear alone when
233 asking sja1105 to offload it. One (or more) redirect or trap actions must also
234 follow along.
235
236 Example: create a tc-taprio schedule that is phase-aligned with a tc-gate
237 schedule (the clocks must be synchronized by a 1588 application stack, which is
238 outside the scope of this document). No packet delivered by the sender will be
239 dropped. Note that the reception window is larger than the transmission window
240 (and much more so, in this example) to compensate for the packet propagation
241 delay of the link (which can be determined by the 1588 application stack).
242
243 Receiver (sja1105)::
244
245   tc qdisc add dev swp2 clsact
246   now=$(phc_ctl /dev/ptp1 get | awk '/clock time is/ {print $5}') && \
247           sec=$(echo $now | awk -F. '{print $1}') && \
248           base_time="$(((sec + 2) * 1000000000))" && \
249           echo "base time ${base_time}"
250   tc filter add dev swp2 ingress flower skip_sw \
251           dst_mac 42:be:24:9b:76:20 \
252           action gate base-time ${base_time} \
253           sched-entry OPEN  60000 -1 -1 \
254           sched-entry CLOSE 40000 -1 -1 \
255           action trap
256
257 Sender::
258
259   now=$(phc_ctl /dev/ptp0 get | awk '/clock time is/ {print $5}') && \
260           sec=$(echo $now | awk -F. '{print $1}') && \
261           base_time="$(((sec + 2) * 1000000000))" && \
262           echo "base time ${base_time}"
263   tc qdisc add dev eno0 parent root taprio \
264           num_tc 8 \
265           map 0 1 2 3 4 5 6 7 \
266           queues 1@0 1@1 1@2 1@3 1@4 1@5 1@6 1@7 \
267           base-time ${base_time} \
268           sched-entry S 01  50000 \
269           sched-entry S 00  50000 \
270           flags 2
271
272 The engine used to schedule the ingress gate operations is the same that the
273 one used for the tc-taprio offload. Therefore, the restrictions regarding the
274 fact that no two gate actions (either tc-gate or tc-taprio gates) may fire at
275 the same time (during the same 200 ns slot) still apply.
276
277 To come in handy, it is possible to share time-triggered virtual links across
278 more than 1 ingress port, via flow blocks. In this case, the restriction of
279 firing at the same time does not apply because there is a single schedule in
280 the system, that of the shared virtual link::
281
282   tc qdisc add dev swp2 ingress_block 1 clsact
283   tc qdisc add dev swp3 ingress_block 1 clsact
284   tc filter add block 1 flower skip_sw dst_mac 42:be:24:9b:76:20 \
285           action gate index 2 \
286           base-time 0 \
287           sched-entry OPEN 50000000 -1 -1 \
288           sched-entry CLOSE 50000000 -1 -1 \
289           action trap
290
291 Hardware statistics for each flow are also available ("pkts" counts the number
292 of dropped frames, which is a sum of frames dropped due to timing violations,
293 lack of destination ports and MTU enforcement checks). Byte-level counters are
294 not available.
295
296 Device Tree bindings and board design
297 =====================================
298
299 This section references ``Documentation/devicetree/bindings/net/dsa/nxp,sja1105.yaml``
300 and aims to showcase some potential switch caveats.
301
302 RMII PHY role and out-of-band signaling
303 ---------------------------------------
304
305 In the RMII spec, the 50 MHz clock signals are either driven by the MAC or by
306 an external oscillator (but not by the PHY).
307 But the spec is rather loose and devices go outside it in several ways.
308 Some PHYs go against the spec and may provide an output pin where they source
309 the 50 MHz clock themselves, in an attempt to be helpful.
310 On the other hand, the SJA1105 is only binary configurable - when in the RMII
311 MAC role it will also attempt to drive the clock signal. To prevent this from
312 happening it must be put in RMII PHY role.
313 But doing so has some unintended consequences.
314 In the RMII spec, the PHY can transmit extra out-of-band signals via RXD[1:0].
315 These are practically some extra code words (/J/ and /K/) sent prior to the
316 preamble of each frame. The MAC does not have this out-of-band signaling
317 mechanism defined by the RMII spec.
318 So when the SJA1105 port is put in PHY role to avoid having 2 drivers on the
319 clock signal, inevitably an RMII PHY-to-PHY connection is created. The SJA1105
320 emulates a PHY interface fully and generates the /J/ and /K/ symbols prior to
321 frame preambles, which the real PHY is not expected to understand. So the PHY
322 simply encodes the extra symbols received from the SJA1105-as-PHY onto the
323 100Base-Tx wire.
324 On the other side of the wire, some link partners might discard these extra
325 symbols, while others might choke on them and discard the entire Ethernet
326 frames that follow along. This looks like packet loss with some link partners
327 but not with others.
328 The take-away is that in RMII mode, the SJA1105 must be let to drive the
329 reference clock if connected to a PHY.
330
331 RGMII fixed-link and internal delays
332 ------------------------------------
333
334 As mentioned in the bindings document, the second generation of devices has
335 tunable delay lines as part of the MAC, which can be used to establish the
336 correct RGMII timing budget.
337 When powered up, these can shift the Rx and Tx clocks with a phase difference
338 between 73.8 and 101.7 degrees.
339 The catch is that the delay lines need to lock onto a clock signal with a
340 stable frequency. This means that there must be at least 2 microseconds of
341 silence between the clock at the old vs at the new frequency. Otherwise the
342 lock is lost and the delay lines must be reset (powered down and back up).
343 In RGMII the clock frequency changes with link speed (125 MHz at 1000 Mbps, 25
344 MHz at 100 Mbps and 2.5 MHz at 10 Mbps), and link speed might change during the
345 AN process.
346 In the situation where the switch port is connected through an RGMII fixed-link
347 to a link partner whose link state life cycle is outside the control of Linux
348 (such as a different SoC), then the delay lines would remain unlocked (and
349 inactive) until there is manual intervention (ifdown/ifup on the switch port).
350 The take-away is that in RGMII mode, the switch's internal delays are only
351 reliable if the link partner never changes link speeds, or if it does, it does
352 so in a way that is coordinated with the switch port (practically, both ends of
353 the fixed-link are under control of the same Linux system).
354 As to why would a fixed-link interface ever change link speeds: there are
355 Ethernet controllers out there which come out of reset in 100 Mbps mode, and
356 their driver inevitably needs to change the speed and clock frequency if it's
357 required to work at gigabit.
358
359 MDIO bus and PHY management
360 ---------------------------
361
362 The SJA1105 does not have an MDIO bus and does not perform in-band AN either.
363 Therefore there is no link state notification coming from the switch device.
364 A board would need to hook up the PHYs connected to the switch to any other
365 MDIO bus available to Linux within the system (e.g. to the DSA master's MDIO
366 bus). Link state management then works by the driver manually keeping in sync
367 (over SPI commands) the MAC link speed with the settings negotiated by the PHY.
368
369 By comparison, the SJA1110 supports an MDIO slave access point over which its
370 internal 100base-T1 PHYs can be accessed from the host. This is, however, not
371 used by the driver, instead the internal 100base-T1 and 100base-TX PHYs are
372 accessed through SPI commands, modeled in Linux as virtual MDIO buses.
373
374 The microcontroller attached to the SJA1110 port 0 also has an MDIO controller
375 operating in master mode, however the driver does not support this either,
376 since the microcontroller gets disabled when the Linux driver operates.
377 Discrete PHYs connected to the switch ports should have their MDIO interface
378 attached to an MDIO controller from the host system and not to the switch,
379 similar to SJA1105.
380
381 Port compatibility matrix
382 -------------------------
383
384 The SJA1105 port compatibility matrix is:
385
386 ===== ============== ============== ==============
387 Port   SJA1105E/T     SJA1105P/Q     SJA1105R/S
388 ===== ============== ============== ==============
389 0      xMII           xMII           xMII
390 1      xMII           xMII           xMII
391 2      xMII           xMII           xMII
392 3      xMII           xMII           xMII
393 4      xMII           xMII           SGMII
394 ===== ============== ============== ==============
395
396
397 The SJA1110 port compatibility matrix is:
398
399 ===== ============== ============== ============== ==============
400 Port   SJA1110A       SJA1110B       SJA1110C       SJA1110D
401 ===== ============== ============== ============== ==============
402 0      RevMII (uC)    RevMII (uC)    RevMII (uC)    RevMII (uC)
403 1      100base-TX     100base-TX     100base-TX
404        or SGMII                                     SGMII
405 2      xMII           xMII           xMII           xMII
406        or SGMII                                     or SGMII
407 3      xMII           xMII           xMII
408        or SGMII       or SGMII                      SGMII
409        or 2500base-X  or 2500base-X                 or 2500base-X
410 4      SGMII          SGMII          SGMII          SGMII
411        or 2500base-X  or 2500base-X  or 2500base-X  or 2500base-X
412 5      100base-T1     100base-T1     100base-T1     100base-T1
413 6      100base-T1     100base-T1     100base-T1     100base-T1
414 7      100base-T1     100base-T1     100base-T1     100base-T1
415 8      100base-T1     100base-T1     n/a            n/a
416 9      100base-T1     100base-T1     n/a            n/a
417 10     100base-T1     n/a            n/a            n/a
418 ===== ============== ============== ============== ==============