]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
zfs: merge openzfs/zfs@bc3f12bfa (master) into main
[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 static SYSCTL_NODE(_kern_cam, OID_AUTO, iosched, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0,
62     "CAM I/O Scheduler parameters");
63
64 /*
65  * Default I/O scheduler for FreeBSD. This implementation is just a thin-vineer
66  * over the bioq_* interface, with notions of separate calls for normal I/O and
67  * for trims.
68  *
69  * When CAM_IOSCHED_DYNAMIC is defined, the scheduler is enhanced to dynamically
70  * steer the rate of one type of traffic to help other types of traffic (eg
71  * limit writes when read latency deteriorates on SSDs).
72  */
73
74 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
75
76 static bool do_dynamic_iosched = true;
77 SYSCTL_BOOL(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, dynamic, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_TUN,
78     &do_dynamic_iosched, 1,
79     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
80
81 /*
82  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
83  *      alpha = 2 / (N + 1)
84  * or
85  *      N = 1 + (2 / alpha)
86  * where N is the number of samples that 86% of the current
87  * EMA is derived from.
88  *
89  * So we invent[*] alpha_bits:
90  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
91  *      alpha = 2^-alpha_bits
92  * So
93  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
94  *
95  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
96  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
97  *
98  * [*] Steal from the load average code and many other places.
99  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
100  */
101 static int alpha_bits = 9;
102 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, alpha_bits, CTLFLAG_RW | CTLFLAG_TUN,
103     &alpha_bits, 1,
104     "Bits in EMA's alpha.");
105
106 /*
107  * Different parameters for the buckets of latency we keep track of. These are all
108  * published read-only since at present they are compile time constants.
109  *
110  * Bucket base is the upper bounds of the first latency bucket. It's currently 20us.
111  * With 20 buckets (see below), that leads to a geometric progression with a max size
112  * of 5.2s which is safeily larger than 1s to help diagnose extreme outliers better.
113  */
114 #ifndef BUCKET_BASE
115 #define BUCKET_BASE ((SBT_1S / 50000) + 1)      /* 20us */
116 #endif
117 static sbintime_t bucket_base = BUCKET_BASE;
118 SYSCTL_SBINTIME_USEC(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, bucket_base_us, CTLFLAG_RD,
119     &bucket_base,
120     "Size of the smallest latency bucket");
121
122 /*
123  * Bucket ratio is the geometric progression for the bucket. For a bucket b_n
124  * the size of bucket b_n+1 is b_n * bucket_ratio / 100.
125  */
126 static int bucket_ratio = 200;  /* Rather hard coded at the moment */
127 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, bucket_ratio, CTLFLAG_RD,
128     &bucket_ratio, 200,
129     "Latency Bucket Ratio for geometric progression.");
130
131 /*
132  * Number of total buckets. Starting at BUCKET_BASE, each one is a power of 2.
133  */
134 #ifndef LAT_BUCKETS
135 #define LAT_BUCKETS 20  /* < 20us < 40us ... < 2^(n-1)*20us >= 2^(n-1)*20us */
136 #endif
137 static int lat_buckets = LAT_BUCKETS;
138 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, buckets, CTLFLAG_RD,
139     &lat_buckets, LAT_BUCKETS,
140     "Total number of latency buckets published");
141
142 struct iop_stats;
143 struct cam_iosched_softc;
144
145 int iosched_debug = 0;
146
147 typedef enum {
148         none = 0,                               /* No limits */
149         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
150         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
151         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
152         limiter_max
153 } io_limiter;
154
155 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
156     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
157
158 /*
159  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
160  * limiter. Called just after the limiter is set.
161  */
162 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
163
164 /*
165  * Called every tick.
166  */
167 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
168
169 /*
170  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
171  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
172  * and makes any accounting of it that's needed.
173  */
174 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
175
176 /*
177  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
178  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
179  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
180  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
181  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
182  */
183 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
184
185 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
186 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
187 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
188
189 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
190 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
191 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
192 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
193
194 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
195 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
196 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
197 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
198
199 struct limswitch {
200         l_init_t        *l_init;
201         l_tick_t        *l_tick;
202         l_iop_t         *l_iop;
203         l_iop_t         *l_caniop;
204         l_iodone_t      *l_iodone;
205 } limsw[] =
206 {
207         {       /* none */
208                 .l_init = NULL,
209                 .l_tick = NULL,
210                 .l_iop = NULL,
211                 .l_iodone= NULL,
212         },
213         {       /* queue_depth */
214                 .l_init = NULL,
215                 .l_tick = NULL,
216                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
217                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
218                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
219         },
220         {       /* iops */
221                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
222                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
223                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
224                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
225                 .l_iodone= NULL,
226         },
227         {       /* bandwidth */
228                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
229                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
230                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
231                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
232                 .l_iodone= NULL,
233         },
234 };
235
236 struct iop_stats {
237         /*
238          * sysctl state for this subnode.
239          */
240         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
241         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
242
243         /*
244          * Information about the current rate limiters, if any
245          */
246         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
247         int             min;            /* Low range of limit */
248         int             max;            /* High range of limit */
249         int             current;        /* Current rate limiter */
250         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
251         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
252
253         /*
254          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
255          * scheduler.
256          */
257         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
258         int             queued;         /* number currently in the queue */
259         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
260         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
261         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
262         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
263
264         /*
265          * Statistics on different bits of the process.
266          */
267                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
268         sbintime_t      ema;
269         sbintime_t      emvar;
270         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
271
272         uint32_t        state_flags;
273 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
274
275         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
276
277         struct cam_iosched_softc *softc;
278 };
279
280 typedef enum {
281         set_max = 0,                    /* current = max */
282         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
283         cl_max                          /* Keep last */
284 } control_type;
285
286 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
287     { "set_max", "read_latency" };
288
289 struct control_loop {
290         /*
291          * sysctl state for this subnode.
292          */
293         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
294         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
295
296         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
297         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
298         sbintime_t      lolat;
299         sbintime_t      hilat;
300         int             alpha;
301         control_type    type;                   /* What type of control? */
302         int             last_count;             /* Last I/O count */
303
304         struct cam_iosched_softc *softc;
305 };
306
307 #endif
308
309 struct cam_iosched_softc {
310         struct bio_queue_head bio_queue;
311         struct bio_queue_head trim_queue;
312                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
313         uint32_t        flags;
314         int             sort_io_queue;
315         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
316         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
317         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
318         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
319 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
320         int             read_bias;              /* Read bias setting */
321         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
322         int             total_ticks;
323         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
324
325         struct bio_queue_head write_queue;
326         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
327         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
328         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
329
330         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
331         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
332         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
333         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
334         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
335         struct control_loop cl;
336         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
337         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
338         void            *latarg;
339 #endif
340 };
341
342 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
343 /*
344  * helper functions to call the limsw functions.
345  */
346 static int
347 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
348 {
349         int lim = ios->limiter;
350
351         /* maybe this should be a kassert */
352         if (lim < none || lim >= limiter_max)
353                 return EINVAL;
354
355         if (limsw[lim].l_init)
356                 return limsw[lim].l_init(ios);
357
358         return 0;
359 }
360
361 static int
362 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
363 {
364         int lim = ios->limiter;
365
366         /* maybe this should be a kassert */
367         if (lim < none || lim >= limiter_max)
368                 return EINVAL;
369
370         if (limsw[lim].l_tick)
371                 return limsw[lim].l_tick(ios);
372
373         return 0;
374 }
375
376 static int
377 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
378 {
379         int lim = ios->limiter;
380
381         /* maybe this should be a kassert */
382         if (lim < none || lim >= limiter_max)
383                 return EINVAL;
384
385         if (limsw[lim].l_iop)
386                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
387
388         return 0;
389 }
390
391 static int
392 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
393 {
394         int lim = ios->limiter;
395
396         /* maybe this should be a kassert */
397         if (lim < none || lim >= limiter_max)
398                 return EINVAL;
399
400         if (limsw[lim].l_caniop)
401                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
402
403         return 0;
404 }
405
406 static int
407 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
408 {
409         int lim = ios->limiter;
410
411         /* maybe this should be a kassert */
412         if (lim < none || lim >= limiter_max)
413                 return 0;
414
415         if (limsw[lim].l_iodone)
416                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
417
418         return 0;
419 }
420
421 /*
422  * Functions to implement the different kinds of limiters
423  */
424
425 static int
426 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
427 {
428
429         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
430                 return 0;
431
432         return EAGAIN;
433 }
434
435 static int
436 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
437 {
438
439         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
440                 return 0;
441
442         return EAGAIN;
443 }
444
445 static int
446 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
447 {
448
449         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
450                 return 0;
451
452         return 1;
453 }
454
455 static int
456 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
457 {
458
459         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
460         if (ios->l_value1 <= 0)
461                 ios->l_value1 = 1;
462         ios->l_value2 = 0;
463
464         return 0;
465 }
466
467 static int
468 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
469 {
470         int new_ios;
471
472         /*
473          * Allow at least one IO per tick until all
474          * the IOs for this interval have been spent.
475          */
476         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
477         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
478                 new_ios = 1;
479                 ios->l_value2++;
480         }
481
482         /*
483          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
484          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
485          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
486          */
487         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
488                 ios->l_value1 = new_ios;
489                 ios->l_value2 = 1;
490         } else {
491                 ios->l_value1 += new_ios;
492         }
493
494         return 0;
495 }
496
497 static int
498 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
499 {
500
501         /*
502          * So if we have any more IOPs left, allow it,
503          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
504          * as unlimited as a failsafe.
505          */
506         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
507                 return EAGAIN;
508         return 0;
509 }
510
511 static int
512 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
513 {
514         int rv;
515
516         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
517         if (rv == 0)
518                 ios->l_value1--;
519
520         return rv;
521 }
522
523 static int
524 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
525 {
526
527         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
528         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
529
530         return 0;
531 }
532
533 static int
534 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
535 {
536         int bw;
537
538         /*
539          * If we're in the hole for available quota from
540          * the last time, then add the quantum for this.
541          * If we have any left over from last quantum,
542          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
543          * is in kB/s, so scale.
544          *
545          * We also allow up to 4 quanta of credits to
546          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
547          * arbitrary.
548          */
549         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
550         if (ios->l_value1 < bw * 4)
551                 ios->l_value1 += bw;
552
553         return 0;
554 }
555
556 static int
557 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
558 {
559         /*
560          * So if we have any more bw quota left, allow it,
561          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
562          * OK. We'll just get a little less next quota.
563          *
564          * Note on going negative: that allows us to process
565          * requests in order better, since we won't allow
566          * shorter reads to get around the long one that we
567          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
568          * starvation by being a little more permissive about
569          * what we let through this quantum (to prevent the
570          * starvation), at the cost of getting a little less
571          * next quantum.
572          *
573          * Also note that if the current limit is <= 0,
574          * we treat it as unlimited as a failsafe.
575          */
576         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
577                 return EAGAIN;
578
579         return 0;
580 }
581
582 static int
583 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
584 {
585         int rv;
586
587         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
588         if (rv == 0)
589                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
590
591         return rv;
592 }
593
594 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
595
596 static void
597 cam_iosched_ticker(void *arg)
598 {
599         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
600         sbintime_t now, delta;
601         int pending;
602
603         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
604
605         now = sbinuptime();
606         delta = now - isc->last_time;
607         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
608         isc->last_time = now;
609
610         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
611
612         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
613         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
614         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
615
616         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
617
618         /*
619          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
620          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
621          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
622          * were slots.
623          *
624          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
625          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
626          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
627          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
628          *
629          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
630          * aren't part of the software queued load (since we could
631          * give them to hardware, but choose not to).
632          *
633          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
634          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
635          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
636          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
637          * so the counts get off.
638          */
639         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
640         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
641             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
642             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
643         pending <<= 16;
644         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
645
646         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
647
648         isc->total_ticks++;
649 }
650
651 static void
652 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
653 {
654
655         clp->next_steer = sbinuptime();
656         clp->softc = isc;
657         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
658         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
659         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
660         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
661         clp->type = set_max;
662 }
663
664 static void
665 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
666 {
667         struct cam_iosched_softc *isc;
668         sbintime_t now, lat;
669         int old;
670
671         isc = clp->softc;
672         now = isc->last_time;
673         if (now < clp->next_steer)
674                 return;
675
676         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
677         switch (clp->type) {
678         case set_max:
679                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
680                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
681                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
682                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
683                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
684                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
685                 break;
686         case read_latency:
687                 old = isc->write_stats.current;
688                 lat = isc->read_stats.ema;
689                 /*
690                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
691                  * the SP (set point) that makes things a little more
692                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
693                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
694                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
695                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
696                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
697                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
698                  * the device which change how responsive read latency will be
699                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
700                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
701                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
702                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
703                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
704                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
705                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
706                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
707                  * seconds before latency drops regardless of the new write
708                  * rate. Careful observation will be required to tune this
709                  * effectively.
710                  *
711                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
712                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
713                  * somewhat arbitrary.
714                  */
715                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
716                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
717                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
718                 else if (lat > clp->hilat)
719                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
720                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
721                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
722
723                 /*
724                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
725                  * those may have changed.
726                  */
727                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
728                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
729                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
730                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
731                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
732                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
733                             old, isc->write_stats.current,
734                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
735                 break;
736         case cl_max:
737                 break;
738         }
739 }
740 #endif
741
742 /*
743  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
744  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
745  */
746 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
747                         /* Callout active, and needs to be torn down */
748 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
749
750                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
751 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
752
753 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
754 static void
755 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
756     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
757 #endif
758
759 static inline bool
760 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
761 {
762         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
763 }
764
765 static inline bool
766 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
767 {
768 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
769         if (do_dynamic_iosched) {
770                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
771                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
772                 bool can_write = wbp != NULL &&
773                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
774                 bool can_read = rbp != NULL &&
775                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
776                 if (iosched_debug > 2) {
777                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
778                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
779                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
780                 }
781                 return can_read || can_write;
782         }
783 #endif
784         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
785 }
786
787 static inline bool
788 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
789 {
790         struct bio *bp;
791
792         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
793 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
794         if (do_dynamic_iosched) {
795                 /*
796                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
797                  * for a bit.
798                  */
799                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
800                         return false;
801         }
802 #endif
803
804         /*
805          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
806          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
807          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
808          */
809         if (isc->trim_goal > 0) {
810                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
811                         return true;
812                 if (isc->queued_trims > 0 &&
813                     isc->trim_ticks > 0 &&
814                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
815                         return true;
816                 return false;
817         }
818
819         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
820         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
821 }
822
823 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
824     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
825
826 static inline bool
827 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
828 {
829 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
830         if (iosched_debug > 2)
831                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
832                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
833                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
834 #endif
835
836         return cam_iosched_has_io(isc) ||
837                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
838                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
839 }
840
841 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
842 static void
843 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
844 {
845
846         ios->limiter = none;
847         ios->in = 0;
848         ios->max = ios->current = 300000;
849         ios->min = 1;
850         ios->out = 0;
851         ios->errs = 0;
852         ios->pending = 0;
853         ios->queued = 0;
854         ios->total = 0;
855         ios->ema = 0;
856         ios->emvar = 0;
857         ios->softc = isc;
858         cam_iosched_limiter_init(ios);
859 }
860
861 static int
862 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
863 {
864         char buf[16];
865         struct iop_stats *ios;
866         struct cam_iosched_softc *isc;
867         int value, i, error;
868         const char *p;
869
870         ios = arg1;
871         isc = ios->softc;
872         value = ios->limiter;
873         if (value < none || value >= limiter_max)
874                 p = "UNKNOWN";
875         else
876                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
877
878         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
879         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
880         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
881                 return error;
882
883         cam_periph_lock(isc->periph);
884
885         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
886                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
887                         continue;
888                 ios->limiter = i;
889                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
890                 if (error != 0) {
891                         ios->limiter = value;
892                         cam_periph_unlock(isc->periph);
893                         return error;
894                 }
895                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
896                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
897                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
898
899                 cam_periph_unlock(isc->periph);
900                 return 0;
901         }
902
903         cam_periph_unlock(isc->periph);
904         return EINVAL;
905 }
906
907 static int
908 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
909 {
910         char buf[16];
911         struct control_loop *clp;
912         struct cam_iosched_softc *isc;
913         int value, i, error;
914         const char *p;
915
916         clp = arg1;
917         isc = clp->softc;
918         value = clp->type;
919         if (value < none || value >= cl_max)
920                 p = "UNKNOWN";
921         else
922                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
923
924         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
925         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
926         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
927                 return error;
928
929         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
930                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
931                         continue;
932                 cam_periph_lock(isc->periph);
933                 clp->type = i;
934                 cam_periph_unlock(isc->periph);
935                 return 0;
936         }
937
938         return EINVAL;
939 }
940
941 static int
942 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
943 {
944         char buf[16];
945         sbintime_t value;
946         int error;
947         uint64_t us;
948
949         value = *(sbintime_t *)arg1;
950         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
951         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
952         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
953         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
954                 return error;
955         us = strtoul(buf, NULL, 10);
956         if (us == 0)
957                 return EINVAL;
958         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
959         return 0;
960 }
961
962 static int
963 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
964 {
965         int i, error;
966         struct sbuf sb;
967         uint64_t *latencies;
968
969         latencies = arg1;
970         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
971
972         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
973                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
974         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
975         error = sbuf_finish(&sb);
976         sbuf_delete(&sb);
977
978         return (error);
979 }
980
981 static int
982 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
983 {
984         int *quanta;
985         int error, value;
986
987         quanta = (unsigned *)arg1;
988         value = *quanta;
989
990         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
991         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
992                 return (error);
993
994         if (value < 1 || value > hz)
995                 return (EINVAL);
996
997         *quanta = value;
998
999         return (0);
1000 }
1001
1002 static void
1003 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
1004 {
1005         struct sysctl_oid_list *n;
1006         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1007
1008         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1009             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
1010             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
1011         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
1012         ctx = &ios->sysctl_ctx;
1013
1014         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1015             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
1016             &ios->ema,
1017             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
1018         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1019             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
1020             &ios->emvar,
1021             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
1022
1023         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1024             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
1025             &ios->pending, 0,
1026             "Instantaneous # of pending transactions");
1027         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1028             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
1029             &ios->total, 0,
1030             "# of transactions submitted to hardware");
1031         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1032             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
1033             &ios->queued, 0,
1034             "# of transactions in the queue");
1035         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1036             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
1037             &ios->in, 0,
1038             "# of transactions queued to driver");
1039         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1040             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1041             &ios->out, 0,
1042             "# of transactions completed (including with error)");
1043         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1044             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1045             &ios->errs, 0,
1046             "# of transactions completed with an error");
1047
1048         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1049             OID_AUTO, "limiter",
1050             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1051             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1052             "Current limiting type.");
1053         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1054             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1055             &ios->min, 0,
1056             "min resource");
1057         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1058             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1059             &ios->max, 0,
1060             "max resource");
1061         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1062             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1063             &ios->current, 0,
1064             "current resource");
1065
1066         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1067             OID_AUTO, "latencies",
1068             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
1069             &ios->latencies, 0,
1070             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1071             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1072 }
1073
1074 static void
1075 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1076 {
1077         if (ios->sysctl_tree)
1078                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1079                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1080 }
1081
1082 static void
1083 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1084 {
1085         struct sysctl_oid_list *n;
1086         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1087         struct control_loop *clp;
1088
1089         clp = &isc->cl;
1090         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1091             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1092             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1093         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1094         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1095
1096         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1097             OID_AUTO, "type",
1098             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1099             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1100             "Control loop algorithm");
1101         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1102             OID_AUTO, "steer_interval",
1103             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1104             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1105             "How often to steer (in us)");
1106         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1107             OID_AUTO, "lolat",
1108             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1109             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1110             "Low water mark for Latency (in us)");
1111         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1112             OID_AUTO, "hilat",
1113             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1114             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1115             "Hi water mark for Latency (in us)");
1116         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1117             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1118             &clp->alpha, 0,
1119             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1120 }
1121
1122 static void
1123 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1124 {
1125         if (clp->sysctl_tree)
1126                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1127                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1128 }
1129 #endif
1130
1131 /*
1132  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1133  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1134  */
1135 int
1136 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1137 {
1138
1139         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1140         if (*iscp == NULL)
1141                 return ENOMEM;
1142 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1143         if (iosched_debug)
1144                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1145 #endif
1146         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1147         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1148         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1149 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1150         if (do_dynamic_iosched) {
1151                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1152                 (*iscp)->read_bias = 100;
1153                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1154                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1155                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1156                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1157                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1158                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1159                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1160                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1161                 (*iscp)->periph = periph;
1162                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1163                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1164                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1165         }
1166 #endif
1167
1168         return 0;
1169 }
1170
1171 /*
1172  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1173  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1174  */
1175 void
1176 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1177 {
1178         if (isc) {
1179                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1180 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1181                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1182                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1183                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1184                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1185                 if (isc->sysctl_tree)
1186                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1187                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1188                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1189                         callout_drain(&isc->ticker);
1190                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1191                 }
1192 #endif
1193                 free(isc, M_CAMSCHED);
1194         }
1195 }
1196
1197 /*
1198  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1199  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1200  */
1201 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1202     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1203 {
1204         struct sysctl_oid_list *n;
1205
1206         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1207         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1208                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1209                 &isc->sort_io_queue, 0,
1210                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1211         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1212             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1213             &isc->trim_goal, 0,
1214             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1215         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1216             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1217             &isc->trim_goal, 0,
1218             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1219
1220 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1221         if (!do_dynamic_iosched)
1222                 return;
1223
1224         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1225             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1226             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1227         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1228         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1229
1230         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1231         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1232         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1233         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1234
1235         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1236             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1237             &isc->read_bias, 100,
1238             "How biased towards read should we be independent of limits");
1239
1240         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1241             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1242             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1243             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1244
1245         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1246             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1247             &isc->total_ticks, 0,
1248             "Total number of ticks we've done");
1249
1250         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1251             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1252             &isc->load, 0,
1253             "scaled load average / 100");
1254
1255         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1256             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1257             &isc->max_lat, 0,
1258             "Latency treshold to trigger callbacks");
1259 #endif
1260 }
1261
1262 void
1263 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1264     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1265 {
1266 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1267         isc->latfcn = fnp;
1268         isc->latarg = argp;
1269 #endif
1270 }
1271
1272 /*
1273  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1274  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1275  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1276  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1277  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1278  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1279  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1280  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1281  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1282  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1283  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1284  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1285  * but no client depends on the ordering being honored.
1286  *
1287  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1288  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1289  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1290  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1291  */
1292
1293 void
1294 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1295 {
1296
1297         isc->trim_goal = goal;
1298 }
1299
1300 void
1301 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1302 {
1303
1304         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1305 }
1306
1307 /*
1308  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1309  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1310  * convenient call.
1311  */
1312 void
1313 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1314 {
1315         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1316         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1317 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1318         if (do_dynamic_iosched)
1319                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1320 #endif
1321 }
1322
1323 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1324 static struct bio *
1325 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1326 {
1327         struct bio *bp;
1328
1329         /*
1330          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1331          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1332          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1333          * amplification when each request is causing more than one write to
1334          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1335          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1336          * compete unfairly.
1337          */
1338         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1339         if (bp == NULL) {
1340                 if (iosched_debug > 3)
1341                         printf("No writes present in write_queue\n");
1342                 return NULL;
1343         }
1344
1345         /*
1346          * If pending read, prefer that based on current read bias
1347          * setting.
1348          */
1349         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1350                 if (iosched_debug)
1351                         printf(
1352                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1353                             "writes %d queued reads %d\n",
1354                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1355                             isc->read_stats.queued);
1356                 isc->current_read_bias--;
1357                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1358                 return NULL;
1359         }
1360
1361         /*
1362          * See if our current limiter allows this I/O.
1363          */
1364         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1365                 if (iosched_debug)
1366                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1367                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1368                 return NULL;
1369         }
1370
1371         /*
1372          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1373          * to schedule the I/O in the SIM.
1374          */
1375         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1376         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1377         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1378                 isc->write_stats.queued--;
1379                 isc->write_stats.total++;
1380                 isc->write_stats.pending++;
1381         }
1382         if (iosched_debug > 9)
1383                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1384         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1385         return bp;
1386 }
1387 #endif
1388
1389 /*
1390  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1391  */
1392 void
1393 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1394 {
1395         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1396         if (isc->queued_trims == 0)
1397                 isc->last_trim_tick = ticks;
1398         isc->queued_trims++;
1399 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1400         isc->trim_stats.queued++;
1401         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1402         isc->trim_stats.pending--;
1403 #endif
1404 }
1405
1406 /*
1407  * gets the next trim from the trim queue.
1408  *
1409  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1410  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1411  * should the need arise.
1412  */
1413 struct bio *
1414 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1415 {
1416         struct bio *bp;
1417
1418         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1419         if (bp == NULL)
1420                 return NULL;
1421         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1422         isc->queued_trims--;
1423         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1424 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1425         isc->trim_stats.queued--;
1426         isc->trim_stats.total++;
1427         isc->trim_stats.pending++;
1428 #endif
1429         return bp;
1430 }
1431
1432 /*
1433  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1434  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1435  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1436  *
1437  * Assumes we're called with the periph lock held.
1438  */
1439 struct bio *
1440 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1441 {
1442 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1443         struct bio *bp;
1444 #endif
1445
1446         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1447                 return NULL;
1448 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1449         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1450         if (bp == NULL)
1451                 return NULL;
1452
1453         /*
1454          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1455          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1456          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1457          */
1458         if (do_dynamic_iosched) {
1459                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1460                         if (iosched_debug)
1461                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1462                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1463                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1464                                     isc->read_stats.queued);
1465                         isc->current_read_bias--;
1466                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1467                         return NULL;
1468                 }
1469                 /*
1470                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1471                  */
1472                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1473         }
1474
1475         /*
1476          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1477          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1478          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1479          * because we want the limits to be from the perspective of the
1480          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1481          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1482          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1483          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1484          */
1485         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1486                 if (iosched_debug)
1487                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1488                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1489                 return NULL;
1490         }
1491         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1492         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1493         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1494 #endif
1495         return cam_iosched_next_trim(isc);
1496 }
1497
1498 /*
1499  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1500  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1501  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1502  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1503  */
1504 struct bio *
1505 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1506 {
1507         struct bio *bp;
1508
1509         /*
1510          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1511          * at a time down, so this takes that into account.
1512          *
1513          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1514          * implement them.
1515          */
1516         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1517                 return bp;
1518
1519 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1520         /*
1521          * See if we have any pending writes, room in the queue for them,
1522          * and no pending reads (unless we've scheduled too many).
1523          * if so, those are next.
1524          */
1525         if (do_dynamic_iosched) {
1526                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1527                         return bp;
1528         }
1529 #endif
1530
1531         /*
1532          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1533          */
1534         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1535                 return NULL;
1536
1537 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1538         /*
1539          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1540          * the limits here. Enforce only for reads.
1541          */
1542         if (do_dynamic_iosched) {
1543                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1544                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1545                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1546                         return NULL;
1547                 }
1548         }
1549         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1550 #endif
1551         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1552 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1553         if (do_dynamic_iosched) {
1554                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1555                         isc->read_stats.queued--;
1556                         isc->read_stats.total++;
1557                         isc->read_stats.pending++;
1558                 } else
1559                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1560         }
1561         if (iosched_debug > 9)
1562                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1563 #endif
1564         return bp;
1565 }
1566
1567 /*
1568  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1569  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1570  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1571  * deferring work for various reasons.
1572  */
1573 void
1574 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1575 {
1576
1577         /*
1578          * A BIO_SPEEDUP from the uppper layers means that they have a block
1579          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1580          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1581          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1582          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1583          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1584          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1585          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1586          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1587          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1588          */
1589         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1590                 off_t len;
1591                 struct bio *nbp;
1592
1593                 len = 0;
1594                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1595                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1596                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1597                         len += nbp->bio_length;
1598                         nbp->bio_error = 0;
1599                         biodone(nbp);
1600                 }
1601                 if (bp->bio_length > 0) {
1602                         if (bp->bio_length > len)
1603                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1604                         else
1605                                 bp->bio_resid = 0;
1606                 }
1607                 bp->bio_error = 0;
1608                 biodone(bp);
1609                 return;
1610         }
1611
1612         /*
1613          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1614          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1615          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1616          */
1617         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1618                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1619
1620         /*
1621          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1622          * queue.
1623          */
1624         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1625                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1626                 if (isc->queued_trims == 0)
1627                         isc->last_trim_tick = ticks;
1628                 isc->queued_trims++;
1629 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1630                 isc->trim_stats.in++;
1631                 isc->trim_stats.queued++;
1632 #endif
1633         }
1634 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1635         else if (do_dynamic_iosched && (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1636                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1637                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1638                 else
1639                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1640                 if (iosched_debug > 9)
1641                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1642                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1643                         isc->write_stats.in++;
1644                         isc->write_stats.queued++;
1645                 }
1646         }
1647 #endif
1648         else {
1649                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1650                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1651                 else
1652                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1653 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1654                 if (iosched_debug > 9)
1655                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1656                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1657                         isc->read_stats.in++;
1658                         isc->read_stats.queued++;
1659                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1660                         isc->write_stats.in++;
1661                         isc->write_stats.queued++;
1662                 }
1663 #endif
1664         }
1665 }
1666
1667 /*
1668  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1669  */
1670 void
1671 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1672 {
1673
1674         if (cam_iosched_has_work(isc))
1675                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1676 }
1677
1678 /*
1679  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1680  */
1681 void
1682 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1683 {
1684
1685         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1686 }
1687
1688 /*
1689  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1690  * might use notes in the ccb for statistics.
1691  */
1692 int
1693 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1694     union ccb *done_ccb)
1695 {
1696         int retval = 0;
1697 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1698         if (!do_dynamic_iosched)
1699                 return retval;
1700
1701         if (iosched_debug > 10)
1702                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1703         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1704                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1705                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1706                         isc->write_stats.errs++;
1707                 isc->write_stats.out++;
1708                 isc->write_stats.pending--;
1709         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1710                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1711                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1712                         isc->read_stats.errs++;
1713                 isc->read_stats.out++;
1714                 isc->read_stats.pending--;
1715         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1716                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1717                         isc->trim_stats.errs++;
1718                 isc->trim_stats.out++;
1719                 isc->trim_stats.pending--;
1720         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1721                 if (iosched_debug)
1722                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1723         }
1724
1725         if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) == 0 && done_ccb != NULL &&
1726             (done_ccb->ccb_h.status & CAM_QOS_VALID) != 0) {
1727                 sbintime_t sim_latency;
1728                 
1729                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1730                 
1731                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1732                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1733                 /*
1734                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1735                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1736                  */
1737                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1738                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1739         }
1740                 
1741 #endif
1742         return retval;
1743 }
1744
1745 /*
1746  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1747  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1748  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1749  */
1750 void
1751 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1752 {
1753
1754         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1755 }
1756
1757 /*
1758  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1759  */
1760 void
1761 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1762 {
1763
1764         isc->sort_io_queue = val;
1765 }
1766
1767 int
1768 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1769 {
1770         return isc->flags & flags;
1771 }
1772
1773 void
1774 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1775 {
1776         isc->flags |= flags;
1777 }
1778
1779 void
1780 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1781 {
1782         isc->flags &= ~flags;
1783 }
1784
1785 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1786 /*
1787  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1788  * Square Roots," reprinted at
1789  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1790  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1791  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1792  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1793  * the result by 2 which after successive application winds up
1794  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1795  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1796  * than that method. This method is also integer size invariant.
1797  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1798  * or equal to the square root.
1799  */
1800 static uint64_t
1801 isqrt64(uint64_t val)
1802 {
1803         uint64_t res = 0;
1804         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1805
1806         /*
1807          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1808          */
1809         while (bit > val)
1810                 bit >>= 2;
1811
1812         /*
1813          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1814          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1815          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1816          * the successive shifts land the bit in the right place
1817          * by the end.
1818          */
1819         while (bit != 0) {
1820                 if (val >= res + bit) {
1821                         val -= res + bit;
1822                         res = (res >> 1) + bit;
1823                 } else
1824                         res >>= 1;
1825                 bit >>= 2;
1826         }
1827
1828         return res;
1829 }
1830
1831 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1832         BUCKET_BASE <<  0,      /* 20us */
1833         BUCKET_BASE <<  1,
1834         BUCKET_BASE <<  2,
1835         BUCKET_BASE <<  3,
1836         BUCKET_BASE <<  4,
1837         BUCKET_BASE <<  5,
1838         BUCKET_BASE <<  6,
1839         BUCKET_BASE <<  7,
1840         BUCKET_BASE <<  8,
1841         BUCKET_BASE <<  9,
1842         BUCKET_BASE << 10,
1843         BUCKET_BASE << 11,
1844         BUCKET_BASE << 12,
1845         BUCKET_BASE << 13,
1846         BUCKET_BASE << 14,
1847         BUCKET_BASE << 15,
1848         BUCKET_BASE << 16,
1849         BUCKET_BASE << 17,
1850         BUCKET_BASE << 18       /* 5,242,880us */
1851 };
1852
1853 static void
1854 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1855 {
1856         sbintime_t y, deltasq, delta;
1857         int i;
1858
1859         /*
1860          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1861          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1862          */
1863         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1864                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1865                         iop->latencies[i]++;
1866                         break;
1867                 }
1868         }
1869         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1870                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 8192ms values into the last bucket. */
1871
1872         /*
1873          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1874          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1875          * handbook.
1876          *
1877          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1878          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1879          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1880          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1881          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1882          *      = y_t/b - e/b + be/b
1883          *      = (y_t - e + be) / b
1884          *      = (e + d) / b
1885          *
1886          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1887          * division.
1888          *
1889          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1890          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1891          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1892          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1893          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1894          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1895          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1896          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1897          */
1898         /*
1899          * XXX possible numeric issues
1900          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1901          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1902          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1903          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1904          *        few tens of seconds of representation.
1905          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1906          */
1907         y = sim_latency;
1908         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1909         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1910
1911         /*
1912          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1913          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1914          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1915          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1916          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1917          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1918          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1919          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1920          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1921          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1922          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1923          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1924          */
1925         delta >>= 12;
1926         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1927         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1928             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1929             deltasq)                                            /* dd */
1930             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1931         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1932 }
1933
1934 static void
1935 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1936     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1937 {
1938         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1939         switch (cmd) {
1940         case BIO_READ:
1941                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1942                 break;
1943         case BIO_WRITE:
1944                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1945                 break;
1946         case BIO_DELETE:
1947                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1948                 break;
1949         default:
1950                 break;
1951         }
1952 }
1953
1954 #ifdef DDB
1955 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1956 {
1957         int i = 0;
1958         struct bio *bp;
1959
1960         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1961                 i++;
1962         }
1963         return i;
1964 }
1965
1966 /*
1967  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1968  */
1969 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1970 {
1971         struct cam_iosched_softc *isc;
1972
1973         if (!have_addr) {
1974                 db_printf("Need addr\n");
1975                 return;
1976         }
1977         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1978         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1979         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1980         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1981         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1982         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1983         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1984         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1985         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1986         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1987         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1988         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1989         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1990         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1991         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1992         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1993         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1994         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1995         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1996         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1997         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1998         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1999         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
2000         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
2001         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
2002         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
2003         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
2004         db_printf("Trim active?       %s\n",
2005             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
2006 }
2007 #endif
2008 #endif