]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
vm_reserv: fix zero-boundary error
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cam / cam_iosched.c
1 /*-
2  * CAM IO Scheduler Interface
3  *
4  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
5  *
6  * Copyright (c) 2015 Netflix, Inc.
7  *
8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
9  * modification, are permitted provided that the following conditions
10  * are met:
11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
12  *    notice, this list of conditions, and the following disclaimer,
13  *    without modification, immediately at the beginning of the file.
14  * 2. The name of the author may not be used to endorse or promote products
15  *    derived from this software without specific prior written permission.
16  *
17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
18  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
19  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
20  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR
21  * ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
22  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
23  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
24  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
25  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
26  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
27  * SUCH DAMAGE.
28  *
29  * $FreeBSD$
30  */
31
32 #include "opt_cam.h"
33 #include "opt_ddb.h"
34
35 #include <sys/cdefs.h>
36 __FBSDID("$FreeBSD$");
37
38 #include <sys/param.h>
39
40 #include <sys/systm.h>
41 #include <sys/kernel.h>
42 #include <sys/bio.h>
43 #include <sys/lock.h>
44 #include <sys/malloc.h>
45 #include <sys/mutex.h>
46 #include <sys/sbuf.h>
47 #include <sys/sysctl.h>
48
49 #include <cam/cam.h>
50 #include <cam/cam_ccb.h>
51 #include <cam/cam_periph.h>
52 #include <cam/cam_xpt_periph.h>
53 #include <cam/cam_xpt_internal.h>
54 #include <cam/cam_iosched.h>
55
56 #include <ddb/ddb.h>
57
58 static MALLOC_DEFINE(M_CAMSCHED, "CAM I/O Scheduler",
59     "CAM I/O Scheduler buffers");
60
61 /*
62  * Default I/O scheduler for FreeBSD. This implementation is just a thin-vineer
63  * over the bioq_* interface, with notions of separate calls for normal I/O and
64  * for trims.
65  *
66  * When CAM_IOSCHED_DYNAMIC is defined, the scheduler is enhanced to dynamically
67  * steer the rate of one type of traffic to help other types of traffic (eg
68  * limit writes when read latency deteriorates on SSDs).
69  */
70
71 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
72
73 static bool do_dynamic_iosched = 1;
74 SYSCTL_BOOL(_kern_cam, OID_AUTO, do_dynamic_iosched, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_TUN,
75     &do_dynamic_iosched, 1,
76     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
77
78 /*
79  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
80  *      alpha = 2 / (N + 1)
81  * or
82  *      N = 1 + (2 / alpha)
83  * where N is the number of samples that 86% of the current
84  * EMA is derived from.
85  *
86  * So we invent[*] alpha_bits:
87  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
88  *      alpha = 2^-alpha_bits
89  * So
90  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
91  *
92  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
93  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
94  *
95  * [*] Steal from the load average code and many other places.
96  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
97  */
98 static int alpha_bits = 9;
99 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, iosched_alpha_bits, CTLFLAG_RW | CTLFLAG_TUN,
100     &alpha_bits, 1,
101     "Bits in EMA's alpha.");
102
103 struct iop_stats;
104 struct cam_iosched_softc;
105
106 int iosched_debug = 0;
107
108 typedef enum {
109         none = 0,                               /* No limits */
110         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
111         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
112         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
113         limiter_max
114 } io_limiter;
115
116 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
117     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
118
119 /*
120  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
121  * limiter. Called just after the limiter is set.
122  */
123 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
124
125 /*
126  * Called every tick.
127  */
128 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
129
130 /*
131  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
132  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
133  * and makes any accounting of it that's needed.
134  */
135 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
136
137 /*
138  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
139  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
140  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
141  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
142  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
143  */
144 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
145
146 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
147 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
148 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
149
150 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
151 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
152 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
153 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
154
155 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
156 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
157 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
158 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
159
160 struct limswitch {
161         l_init_t        *l_init;
162         l_tick_t        *l_tick;
163         l_iop_t         *l_iop;
164         l_iop_t         *l_caniop;
165         l_iodone_t      *l_iodone;
166 } limsw[] =
167 {
168         {       /* none */
169                 .l_init = NULL,
170                 .l_tick = NULL,
171                 .l_iop = NULL,
172                 .l_iodone= NULL,
173         },
174         {       /* queue_depth */
175                 .l_init = NULL,
176                 .l_tick = NULL,
177                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
178                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
179                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
180         },
181         {       /* iops */
182                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
183                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
184                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
185                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
186                 .l_iodone= NULL,
187         },
188         {       /* bandwidth */
189                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
190                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
191                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
192                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
193                 .l_iodone= NULL,
194         },
195 };
196
197 struct iop_stats {
198         /*
199          * sysctl state for this subnode.
200          */
201         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
202         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
203
204         /*
205          * Information about the current rate limiters, if any
206          */
207         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
208         int             min;            /* Low range of limit */
209         int             max;            /* High range of limit */
210         int             current;        /* Current rate limiter */
211         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
212         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
213
214         /*
215          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
216          * scheduler.
217          */
218         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
219         int             queued;         /* number currently in the queue */
220         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
221         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
222         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
223         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
224
225         /*
226          * Statistics on different bits of the process.
227          */
228                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
229         sbintime_t      ema;
230         sbintime_t      emvar;
231         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
232
233         uint32_t        state_flags;
234 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
235
236 #define LAT_BUCKETS 15                  /* < 1ms < 2ms ... < 2^(n-1)ms >= 2^(n-1)ms*/
237         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
238
239         struct cam_iosched_softc *softc;
240 };
241
242 typedef enum {
243         set_max = 0,                    /* current = max */
244         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
245         cl_max                          /* Keep last */
246 } control_type;
247
248 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
249     { "set_max", "read_latency" };
250
251 struct control_loop {
252         /*
253          * sysctl state for this subnode.
254          */
255         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
256         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
257
258         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
259         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
260         sbintime_t      lolat;
261         sbintime_t      hilat;
262         int             alpha;
263         control_type    type;                   /* What type of control? */
264         int             last_count;             /* Last I/O count */
265
266         struct cam_iosched_softc *softc;
267 };
268
269 #endif
270
271 struct cam_iosched_softc {
272         struct bio_queue_head bio_queue;
273         struct bio_queue_head trim_queue;
274                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
275         uint32_t        flags;
276         int             sort_io_queue;
277         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
278         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
279         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
280         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
281 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
282         int             read_bias;              /* Read bias setting */
283         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
284         int             total_ticks;
285         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
286
287         struct bio_queue_head write_queue;
288         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
289         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
290         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
291
292         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
293         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
294         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
295         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
296         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
297         struct control_loop cl;
298         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
299         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
300         void            *latarg;
301 #endif
302 };
303
304 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
305 /*
306  * helper functions to call the limsw functions.
307  */
308 static int
309 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
310 {
311         int lim = ios->limiter;
312
313         /* maybe this should be a kassert */
314         if (lim < none || lim >= limiter_max)
315                 return EINVAL;
316
317         if (limsw[lim].l_init)
318                 return limsw[lim].l_init(ios);
319
320         return 0;
321 }
322
323 static int
324 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
325 {
326         int lim = ios->limiter;
327
328         /* maybe this should be a kassert */
329         if (lim < none || lim >= limiter_max)
330                 return EINVAL;
331
332         if (limsw[lim].l_tick)
333                 return limsw[lim].l_tick(ios);
334
335         return 0;
336 }
337
338 static int
339 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
340 {
341         int lim = ios->limiter;
342
343         /* maybe this should be a kassert */
344         if (lim < none || lim >= limiter_max)
345                 return EINVAL;
346
347         if (limsw[lim].l_iop)
348                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
349
350         return 0;
351 }
352
353 static int
354 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
355 {
356         int lim = ios->limiter;
357
358         /* maybe this should be a kassert */
359         if (lim < none || lim >= limiter_max)
360                 return EINVAL;
361
362         if (limsw[lim].l_caniop)
363                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
364
365         return 0;
366 }
367
368 static int
369 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
370 {
371         int lim = ios->limiter;
372
373         /* maybe this should be a kassert */
374         if (lim < none || lim >= limiter_max)
375                 return 0;
376
377         if (limsw[lim].l_iodone)
378                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
379
380         return 0;
381 }
382
383 /*
384  * Functions to implement the different kinds of limiters
385  */
386
387 static int
388 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
389 {
390
391         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
392                 return 0;
393
394         return EAGAIN;
395 }
396
397 static int
398 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
399 {
400
401         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
402                 return 0;
403
404         return EAGAIN;
405 }
406
407 static int
408 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
409 {
410
411         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
412                 return 0;
413
414         return 1;
415 }
416
417 static int
418 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
419 {
420
421         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
422         if (ios->l_value1 <= 0)
423                 ios->l_value1 = 1;
424         ios->l_value2 = 0;
425
426         return 0;
427 }
428
429 static int
430 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
431 {
432         int new_ios;
433
434         /*
435          * Allow at least one IO per tick until all
436          * the IOs for this interval have been spent.
437          */
438         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
439         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
440                 new_ios = 1;
441                 ios->l_value2++;
442         }
443
444         /*
445          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
446          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
447          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
448          */
449         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
450                 ios->l_value1 = new_ios;
451                 ios->l_value2 = 1;
452         } else {
453                 ios->l_value1 += new_ios;
454         }
455
456         return 0;
457 }
458
459 static int
460 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
461 {
462
463         /*
464          * So if we have any more IOPs left, allow it,
465          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
466          * as unlimited as a failsafe.
467          */
468         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
469                 return EAGAIN;
470         return 0;
471 }
472
473 static int
474 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
475 {
476         int rv;
477
478         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
479         if (rv == 0)
480                 ios->l_value1--;
481
482         return rv;
483 }
484
485 static int
486 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
487 {
488
489         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
490         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
491
492         return 0;
493 }
494
495 static int
496 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
497 {
498         int bw;
499
500         /*
501          * If we're in the hole for available quota from
502          * the last time, then add the quantum for this.
503          * If we have any left over from last quantum,
504          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
505          * is in kB/s, so scale.
506          *
507          * We also allow up to 4 quanta of credits to
508          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
509          * arbitrary.
510          */
511         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
512         if (ios->l_value1 < bw * 4)
513                 ios->l_value1 += bw;
514
515         return 0;
516 }
517
518 static int
519 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
520 {
521         /*
522          * So if we have any more bw quota left, allow it,
523          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
524          * OK. We'll just get a little less next quota.
525          *
526          * Note on going negative: that allows us to process
527          * requests in order better, since we won't allow
528          * shorter reads to get around the long one that we
529          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
530          * starvation by being a little more permissive about
531          * what we let through this quantum (to prevent the
532          * starvation), at the cost of getting a little less
533          * next quantum.
534          *
535          * Also note that if the current limit is <= 0,
536          * we treat it as unlimited as a failsafe.
537          */
538         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
539                 return EAGAIN;
540
541         return 0;
542 }
543
544 static int
545 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
546 {
547         int rv;
548
549         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
550         if (rv == 0)
551                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
552
553         return rv;
554 }
555
556 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
557
558 static void
559 cam_iosched_ticker(void *arg)
560 {
561         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
562         sbintime_t now, delta;
563         int pending;
564
565         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
566
567         now = sbinuptime();
568         delta = now - isc->last_time;
569         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
570         isc->last_time = now;
571
572         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
573
574         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
575         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
576         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
577
578         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
579
580         /*
581          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
582          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
583          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
584          * were slots.
585          *
586          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
587          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
588          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
589          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
590          *
591          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
592          * aren't part of the software queued load (since we could
593          * give them to hardware, but choose not to).
594          *
595          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
596          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
597          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
598          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
599          * so the counts get off.
600          */
601         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
602         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
603             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
604             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
605         pending <<= 16;
606         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
607
608         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
609
610         isc->total_ticks++;
611 }
612
613 static void
614 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
615 {
616
617         clp->next_steer = sbinuptime();
618         clp->softc = isc;
619         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
620         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
621         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
622         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
623         clp->type = set_max;
624 }
625
626 static void
627 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
628 {
629         struct cam_iosched_softc *isc;
630         sbintime_t now, lat;
631         int old;
632
633         isc = clp->softc;
634         now = isc->last_time;
635         if (now < clp->next_steer)
636                 return;
637
638         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
639         switch (clp->type) {
640         case set_max:
641                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
642                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
643                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
644                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
645                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
646                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
647                 break;
648         case read_latency:
649                 old = isc->write_stats.current;
650                 lat = isc->read_stats.ema;
651                 /*
652                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
653                  * the SP (set point) that makes things a little more
654                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
655                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
656                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
657                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
658                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
659                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
660                  * the device which change how responsive read latency will be
661                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
662                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
663                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
664                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
665                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
666                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
667                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
668                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
669                  * seconds before latency drops regardless of the new write
670                  * rate. Careful observation will be required to tune this
671                  * effectively.
672                  *
673                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
674                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
675                  * somewhat arbitrary.
676                  */
677                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
678                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
679                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
680                 else if (lat > clp->hilat)
681                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
682                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
683                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
684
685                 /*
686                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
687                  * those may have changed.
688                  */
689                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
690                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
691                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
692                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
693                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
694                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
695                             old, isc->write_stats.current,
696                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
697                 break;
698         case cl_max:
699                 break;
700         }
701 }
702 #endif
703
704 /*
705  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
706  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
707  */
708 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
709                         /* Callout active, and needs to be torn down */
710 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
711
712                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
713 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
714
715 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
716 static void
717 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
718     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
719 #endif
720
721 static inline bool
722 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
723 {
724         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
725 }
726
727 static inline bool
728 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
729 {
730 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
731         if (do_dynamic_iosched) {
732                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
733                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
734                 bool can_write = wbp != NULL &&
735                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
736                 bool can_read = rbp != NULL &&
737                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
738                 if (iosched_debug > 2) {
739                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
740                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
741                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
742                 }
743                 return can_read || can_write;
744         }
745 #endif
746         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
747 }
748
749 static inline bool
750 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
751 {
752         struct bio *bp;
753
754         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
755 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
756         if (do_dynamic_iosched) {
757                 /*
758                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
759                  * for a bit.
760                  */
761                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
762                         return false;
763         }
764 #endif
765
766         /*
767          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
768          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
769          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
770          */
771         if (isc->trim_goal > 0) {
772                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
773                         return true;
774                 if (isc->queued_trims > 0 &&
775                     isc->trim_ticks > 0 &&
776                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
777                         return true;
778                 return false;
779         }
780
781         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
782         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
783 }
784
785 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
786     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
787
788 static inline bool
789 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
790 {
791 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
792         if (iosched_debug > 2)
793                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
794                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
795                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
796 #endif
797
798         return cam_iosched_has_io(isc) ||
799                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
800                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
801 }
802
803 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
804 static void
805 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
806 {
807
808         ios->limiter = none;
809         ios->in = 0;
810         ios->max = ios->current = 300000;
811         ios->min = 1;
812         ios->out = 0;
813         ios->errs = 0;
814         ios->pending = 0;
815         ios->queued = 0;
816         ios->total = 0;
817         ios->ema = 0;
818         ios->emvar = 0;
819         ios->softc = isc;
820         cam_iosched_limiter_init(ios);
821 }
822
823 static int
824 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
825 {
826         char buf[16];
827         struct iop_stats *ios;
828         struct cam_iosched_softc *isc;
829         int value, i, error;
830         const char *p;
831
832         ios = arg1;
833         isc = ios->softc;
834         value = ios->limiter;
835         if (value < none || value >= limiter_max)
836                 p = "UNKNOWN";
837         else
838                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
839
840         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
841         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
842         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
843                 return error;
844
845         cam_periph_lock(isc->periph);
846
847         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
848                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
849                         continue;
850                 ios->limiter = i;
851                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
852                 if (error != 0) {
853                         ios->limiter = value;
854                         cam_periph_unlock(isc->periph);
855                         return error;
856                 }
857                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
858                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
859                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
860
861                 cam_periph_unlock(isc->periph);
862                 return 0;
863         }
864
865         cam_periph_unlock(isc->periph);
866         return EINVAL;
867 }
868
869 static int
870 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
871 {
872         char buf[16];
873         struct control_loop *clp;
874         struct cam_iosched_softc *isc;
875         int value, i, error;
876         const char *p;
877
878         clp = arg1;
879         isc = clp->softc;
880         value = clp->type;
881         if (value < none || value >= cl_max)
882                 p = "UNKNOWN";
883         else
884                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
885
886         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
887         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
888         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
889                 return error;
890
891         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
892                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
893                         continue;
894                 cam_periph_lock(isc->periph);
895                 clp->type = i;
896                 cam_periph_unlock(isc->periph);
897                 return 0;
898         }
899
900         return EINVAL;
901 }
902
903 static int
904 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
905 {
906         char buf[16];
907         sbintime_t value;
908         int error;
909         uint64_t us;
910
911         value = *(sbintime_t *)arg1;
912         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
913         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
914         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
915         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
916                 return error;
917         us = strtoul(buf, NULL, 10);
918         if (us == 0)
919                 return EINVAL;
920         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
921         return 0;
922 }
923
924 static int
925 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
926 {
927         int i, error;
928         struct sbuf sb;
929         uint64_t *latencies;
930
931         latencies = arg1;
932         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
933
934         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
935                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
936         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
937         error = sbuf_finish(&sb);
938         sbuf_delete(&sb);
939
940         return (error);
941 }
942
943 static int
944 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
945 {
946         int *quanta;
947         int error, value;
948
949         quanta = (unsigned *)arg1;
950         value = *quanta;
951
952         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
953         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
954                 return (error);
955
956         if (value < 1 || value > hz)
957                 return (EINVAL);
958
959         *quanta = value;
960
961         return (0);
962 }
963
964 static void
965 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
966 {
967         struct sysctl_oid_list *n;
968         struct sysctl_ctx_list *ctx;
969
970         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
971             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
972             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
973         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
974         ctx = &ios->sysctl_ctx;
975
976         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
977             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
978             &ios->ema,
979             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
980         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
981             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
982             &ios->emvar,
983             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
984
985         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
986             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
987             &ios->pending, 0,
988             "Instantaneous # of pending transactions");
989         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
990             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
991             &ios->total, 0,
992             "# of transactions submitted to hardware");
993         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
994             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
995             &ios->queued, 0,
996             "# of transactions in the queue");
997         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
998             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
999             &ios->in, 0,
1000             "# of transactions queued to driver");
1001         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1002             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1003             &ios->out, 0,
1004             "# of transactions completed (including with error)");
1005         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1006             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1007             &ios->errs, 0,
1008             "# of transactions completed with an error");
1009
1010         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1011             OID_AUTO, "limiter",
1012             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1013             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1014             "Current limiting type.");
1015         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1016             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1017             &ios->min, 0,
1018             "min resource");
1019         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1020             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1021             &ios->max, 0,
1022             "max resource");
1023         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1024             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1025             &ios->current, 0,
1026             "current resource");
1027
1028         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1029             OID_AUTO, "latencies",
1030             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
1031             &ios->latencies, 0,
1032             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1033             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1034 }
1035
1036 static void
1037 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1038 {
1039         if (ios->sysctl_tree)
1040                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1041                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1042 }
1043
1044 static void
1045 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1046 {
1047         struct sysctl_oid_list *n;
1048         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1049         struct control_loop *clp;
1050
1051         clp = &isc->cl;
1052         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1053             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1054             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1055         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1056         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1057
1058         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1059             OID_AUTO, "type",
1060             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1061             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1062             "Control loop algorithm");
1063         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1064             OID_AUTO, "steer_interval",
1065             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1066             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1067             "How often to steer (in us)");
1068         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1069             OID_AUTO, "lolat",
1070             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1071             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1072             "Low water mark for Latency (in us)");
1073         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1074             OID_AUTO, "hilat",
1075             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1076             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1077             "Hi water mark for Latency (in us)");
1078         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1079             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1080             &clp->alpha, 0,
1081             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1082 }
1083
1084 static void
1085 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1086 {
1087         if (clp->sysctl_tree)
1088                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1089                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1090 }
1091 #endif
1092
1093 /*
1094  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1095  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1096  */
1097 int
1098 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1099 {
1100
1101         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1102         if (*iscp == NULL)
1103                 return ENOMEM;
1104 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1105         if (iosched_debug)
1106                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1107 #endif
1108         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1109         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1110         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1111 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1112         if (do_dynamic_iosched) {
1113                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1114                 (*iscp)->read_bias = 100;
1115                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1116                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1117                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1118                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1119                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1120                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1121                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1122                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1123                 (*iscp)->periph = periph;
1124                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1125                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1126                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1127         }
1128 #endif
1129
1130         return 0;
1131 }
1132
1133 /*
1134  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1135  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1136  */
1137 void
1138 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1139 {
1140         if (isc) {
1141                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1142 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1143                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1144                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1145                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1146                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1147                 if (isc->sysctl_tree)
1148                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1149                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1150                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1151                         callout_drain(&isc->ticker);
1152                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1153                 }
1154 #endif
1155                 free(isc, M_CAMSCHED);
1156         }
1157 }
1158
1159 /*
1160  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1161  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1162  */
1163 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1164     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1165 {
1166         struct sysctl_oid_list *n;
1167
1168         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1169         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1170                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1171                 &isc->sort_io_queue, 0,
1172                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1173         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1174             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1175             &isc->trim_goal, 0,
1176             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1177         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1178             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1179             &isc->trim_goal, 0,
1180             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1181
1182 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1183         if (!do_dynamic_iosched)
1184                 return;
1185
1186         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1187             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1188             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1189         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1190         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1191
1192         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1193         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1194         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1195         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1196
1197         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1198             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1199             &isc->read_bias, 100,
1200             "How biased towards read should we be independent of limits");
1201
1202         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1203             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1204             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1205             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1206
1207         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1208             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1209             &isc->total_ticks, 0,
1210             "Total number of ticks we've done");
1211
1212         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1213             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1214             &isc->load, 0,
1215             "scaled load average / 100");
1216
1217         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1218             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1219             &isc->max_lat, 0,
1220             "Latency treshold to trigger callbacks");
1221 #endif
1222 }
1223
1224 void
1225 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1226     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1227 {
1228 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1229         isc->latfcn = fnp;
1230         isc->latarg = argp;
1231 #endif
1232 }
1233
1234 /*
1235  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1236  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1237  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1238  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1239  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1240  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1241  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1242  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1243  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1244  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1245  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1246  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1247  * but no client depends on the ordering being honored.
1248  *
1249  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1250  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1251  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1252  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1253  */
1254
1255 void
1256 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1257 {
1258
1259         isc->trim_goal = goal;
1260 }
1261
1262 void
1263 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1264 {
1265
1266         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1267 }
1268
1269 /*
1270  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1271  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1272  * convenient call.
1273  */
1274 void
1275 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1276 {
1277         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1278         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1279 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1280         if (do_dynamic_iosched)
1281                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1282 #endif
1283 }
1284
1285 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1286 static struct bio *
1287 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1288 {
1289         struct bio *bp;
1290
1291         /*
1292          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1293          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1294          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1295          * amplification when each request is causing more than one write to
1296          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1297          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1298          * compete unfairly.
1299          */
1300         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1301         if (bp == NULL) {
1302                 if (iosched_debug > 3)
1303                         printf("No writes present in write_queue\n");
1304                 return NULL;
1305         }
1306
1307         /*
1308          * If pending read, prefer that based on current read bias
1309          * setting.
1310          */
1311         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1312                 if (iosched_debug)
1313                         printf(
1314                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1315                             "writes %d queued reads %d\n",
1316                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1317                             isc->read_stats.queued);
1318                 isc->current_read_bias--;
1319                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1320                 return NULL;
1321         }
1322
1323         /*
1324          * See if our current limiter allows this I/O.
1325          */
1326         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1327                 if (iosched_debug)
1328                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1329                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1330                 return NULL;
1331         }
1332
1333         /*
1334          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1335          * to schedule the I/O in the SIM.
1336          */
1337         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1338         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1339         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1340                 isc->write_stats.queued--;
1341                 isc->write_stats.total++;
1342                 isc->write_stats.pending++;
1343         }
1344         if (iosched_debug > 9)
1345                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1346         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1347         return bp;
1348 }
1349 #endif
1350
1351 /*
1352  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1353  */
1354 void
1355 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1356 {
1357         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1358         if (isc->queued_trims == 0)
1359                 isc->last_trim_tick = ticks;
1360         isc->queued_trims++;
1361 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1362         isc->trim_stats.queued++;
1363         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1364         isc->trim_stats.pending--;
1365 #endif
1366 }
1367
1368 /*
1369  * gets the next trim from the trim queue.
1370  *
1371  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1372  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1373  * should the need arise.
1374  */
1375 struct bio *
1376 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1377 {
1378         struct bio *bp;
1379
1380         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1381         if (bp == NULL)
1382                 return NULL;
1383         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1384         isc->queued_trims--;
1385         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1386 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1387         isc->trim_stats.queued--;
1388         isc->trim_stats.total++;
1389         isc->trim_stats.pending++;
1390 #endif
1391         return bp;
1392 }
1393
1394 /*
1395  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1396  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1397  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1398  *
1399  * Assumes we're called with the periph lock held.
1400  */
1401 struct bio *
1402 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1403 {
1404 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1405         struct bio *bp;
1406 #endif
1407
1408         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1409                 return NULL;
1410 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1411         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1412         if (bp == NULL)
1413                 return NULL;
1414
1415         /*
1416          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1417          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1418          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1419          */
1420         if (do_dynamic_iosched) {
1421                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1422                         if (iosched_debug)
1423                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1424                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1425                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1426                                     isc->read_stats.queued);
1427                         isc->current_read_bias--;
1428                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1429                         return NULL;
1430                 }
1431                 /*
1432                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1433                  */
1434                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1435         }
1436
1437         /*
1438          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1439          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1440          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1441          * because we want the limits to be from the perspective of the
1442          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1443          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1444          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1445          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1446          */
1447         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1448                 if (iosched_debug)
1449                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1450                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1451                 return NULL;
1452         }
1453         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1454         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1455         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1456 #endif
1457         return cam_iosched_next_trim(isc);
1458 }
1459
1460 /*
1461  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1462  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1463  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1464  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1465  */
1466 struct bio *
1467 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1468 {
1469         struct bio *bp;
1470
1471         /*
1472          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1473          * at a time down, so this takes that into account.
1474          *
1475          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1476          * implement them.
1477          */
1478         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1479                 return bp;
1480
1481 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1482         /*
1483          * See if we have any pending writes, and room in the queue for them,
1484          * and if so, those are next.
1485          */
1486         if (do_dynamic_iosched) {
1487                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1488                         return bp;
1489         }
1490 #endif
1491
1492         /*
1493          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1494          */
1495         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1496                 return NULL;
1497
1498 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1499         /*
1500          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1501          * the limits here. Enforce only for reads.
1502          */
1503         if (do_dynamic_iosched) {
1504                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1505                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1506                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1507                         return NULL;
1508                 }
1509         }
1510         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1511 #endif
1512         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1513 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1514         if (do_dynamic_iosched) {
1515                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1516                         isc->read_stats.queued--;
1517                         isc->read_stats.total++;
1518                         isc->read_stats.pending++;
1519                 } else
1520                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1521         }
1522         if (iosched_debug > 9)
1523                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1524 #endif
1525         return bp;
1526 }
1527
1528 /*
1529  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1530  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1531  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1532  * deferring work for various reasons.
1533  */
1534 void
1535 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1536 {
1537
1538         /*
1539          * A BIO_SPEEDUP from the uppper layers means that they have a block
1540          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1541          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1542          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1543          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1544          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1545          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1546          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1547          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1548          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1549          */
1550         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1551                 off_t len;
1552                 struct bio *nbp;
1553
1554                 len = 0;
1555                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1556                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1557                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1558                         len += nbp->bio_length;
1559                         nbp->bio_error = 0;
1560                         biodone(nbp);
1561                 }
1562                 if (bp->bio_length > 0) {
1563                         if (bp->bio_length > len)
1564                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1565                         else
1566                                 bp->bio_resid = 0;
1567                 }
1568                 bp->bio_error = 0;
1569                 biodone(bp);
1570                 return;
1571         }
1572
1573         /*
1574          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1575          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1576          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1577          */
1578         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1579                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1580
1581         /*
1582          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1583          * queue.
1584          */
1585         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1586                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1587                 if (isc->queued_trims == 0)
1588                         isc->last_trim_tick = ticks;
1589                 isc->queued_trims++;
1590 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1591                 isc->trim_stats.in++;
1592                 isc->trim_stats.queued++;
1593 #endif
1594         }
1595 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1596         else if (do_dynamic_iosched && (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1597                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1598                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1599                 else
1600                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1601                 if (iosched_debug > 9)
1602                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1603                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1604                         isc->write_stats.in++;
1605                         isc->write_stats.queued++;
1606                 }
1607         }
1608 #endif
1609         else {
1610                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1611                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1612                 else
1613                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1614 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1615                 if (iosched_debug > 9)
1616                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1617                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1618                         isc->read_stats.in++;
1619                         isc->read_stats.queued++;
1620                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1621                         isc->write_stats.in++;
1622                         isc->write_stats.queued++;
1623                 }
1624 #endif
1625         }
1626 }
1627
1628 /*
1629  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1630  */
1631 void
1632 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1633 {
1634
1635         if (cam_iosched_has_work(isc))
1636                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1637 }
1638
1639 /*
1640  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1641  */
1642 void
1643 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1644 {
1645
1646         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1647 }
1648
1649 /*
1650  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1651  * might use notes in the ccb for statistics.
1652  */
1653 int
1654 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1655     union ccb *done_ccb)
1656 {
1657         int retval = 0;
1658 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1659         if (!do_dynamic_iosched)
1660                 return retval;
1661
1662         if (iosched_debug > 10)
1663                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1664         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1665                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1666                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1667                         isc->write_stats.errs++;
1668                 isc->write_stats.out++;
1669                 isc->write_stats.pending--;
1670         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1671                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1672                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1673                         isc->read_stats.errs++;
1674                 isc->read_stats.out++;
1675                 isc->read_stats.pending--;
1676         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1677                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1678                         isc->trim_stats.errs++;
1679                 isc->trim_stats.out++;
1680                 isc->trim_stats.pending--;
1681         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1682                 if (iosched_debug)
1683                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1684         }
1685
1686         if (!(bp->bio_flags & BIO_ERROR) && done_ccb != NULL) {
1687                 sbintime_t sim_latency;
1688                 
1689                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1690                 
1691                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1692                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1693                 /*
1694                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1695                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1696                  */
1697                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1698                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1699         }
1700                 
1701 #endif
1702         return retval;
1703 }
1704
1705 /*
1706  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1707  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1708  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1709  */
1710 void
1711 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1712 {
1713
1714         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1715 }
1716
1717 /*
1718  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1719  */
1720 void
1721 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1722 {
1723
1724         isc->sort_io_queue = val;
1725 }
1726
1727 int
1728 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1729 {
1730         return isc->flags & flags;
1731 }
1732
1733 void
1734 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1735 {
1736         isc->flags |= flags;
1737 }
1738
1739 void
1740 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1741 {
1742         isc->flags &= ~flags;
1743 }
1744
1745 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1746 /*
1747  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1748  * Square Roots," reprinted at
1749  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1750  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1751  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1752  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1753  * the result by 2 which after successive application winds up
1754  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1755  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1756  * than that method. This method is also integer size invariant.
1757  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1758  * or equal to the square root.
1759  */
1760 static uint64_t
1761 isqrt64(uint64_t val)
1762 {
1763         uint64_t res = 0;
1764         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1765
1766         /*
1767          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1768          */
1769         while (bit > val)
1770                 bit >>= 2;
1771
1772         /*
1773          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1774          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1775          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1776          * the successive shifts land the bit in the right place
1777          * by the end.
1778          */
1779         while (bit != 0) {
1780                 if (val >= res + bit) {
1781                         val -= res + bit;
1782                         res = (res >> 1) + bit;
1783                 } else
1784                         res >>= 1;
1785                 bit >>= 2;
1786         }
1787
1788         return res;
1789 }
1790
1791 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1792         SBT_1MS <<  0,
1793         SBT_1MS <<  1,
1794         SBT_1MS <<  2,
1795         SBT_1MS <<  3,
1796         SBT_1MS <<  4,
1797         SBT_1MS <<  5,
1798         SBT_1MS <<  6,
1799         SBT_1MS <<  7,
1800         SBT_1MS <<  8,
1801         SBT_1MS <<  9,
1802         SBT_1MS << 10,
1803         SBT_1MS << 11,
1804         SBT_1MS << 12,
1805         SBT_1MS << 13           /* 8.192s */
1806 };
1807
1808 static void
1809 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1810 {
1811         sbintime_t y, deltasq, delta;
1812         int i;
1813
1814         /*
1815          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1816          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1817          */
1818         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1819                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1820                         iop->latencies[i]++;
1821                         break;
1822                 }
1823         }
1824         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1825                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 1024ms values into the last bucket. */
1826
1827         /*
1828          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1829          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1830          * handbook.
1831          *
1832          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1833          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1834          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1835          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1836          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1837          *      = y_t/b - e/b + be/b
1838          *      = (y_t - e + be) / b
1839          *      = (e + d) / b
1840          *
1841          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1842          * division.
1843          *
1844          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1845          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1846          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1847          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1848          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1849          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1850          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1851          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1852          */
1853         /*
1854          * XXX possible numeric issues
1855          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1856          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1857          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1858          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1859          *        few tens of seconds of representation.
1860          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1861          */
1862         y = sim_latency;
1863         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1864         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1865
1866         /*
1867          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1868          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1869          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1870          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1871          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1872          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1873          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1874          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1875          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1876          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1877          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1878          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1879          */
1880         delta >>= 12;
1881         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1882         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1883             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1884             deltasq)                                            /* dd */
1885             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1886         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1887 }
1888
1889 static void
1890 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1891     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1892 {
1893         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1894         switch (cmd) {
1895         case BIO_READ:
1896                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1897                 break;
1898         case BIO_WRITE:
1899                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1900                 break;
1901         case BIO_DELETE:
1902                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1903                 break;
1904         default:
1905                 break;
1906         }
1907 }
1908
1909 #ifdef DDB
1910 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1911 {
1912         int i = 0;
1913         struct bio *bp;
1914
1915         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1916                 i++;
1917         }
1918         return i;
1919 }
1920
1921 /*
1922  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1923  */
1924 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1925 {
1926         struct cam_iosched_softc *isc;
1927
1928         if (!have_addr) {
1929                 db_printf("Need addr\n");
1930                 return;
1931         }
1932         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1933         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1934         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1935         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1936         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1937         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1938         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1939         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1940         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1941         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1942         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1943         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1944         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1945         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1946         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1947         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1948         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1949         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1950         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1951         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1952         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1953         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1954         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
1955         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
1956         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
1957         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
1958         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
1959         db_printf("Trim active?       %s\n",
1960             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
1961 }
1962 #endif
1963 #endif