]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
sysctl(9): Fix a few mandoc related issues
[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 int do_dynamic_iosched = 1;
74 TUNABLE_INT("kern.cam.do_dynamic_iosched", &do_dynamic_iosched);
75 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, do_dynamic_iosched, CTLFLAG_RD,
76     &do_dynamic_iosched, 1,
77     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
78
79 /*
80  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
81  *      alpha = 2 / (N + 1)
82  * or
83  *      N = 1 + (2 / alpha)
84  * where N is the number of samples that 86% of the current
85  * EMA is derived from.
86  *
87  * So we invent[*] alpha_bits:
88  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
89  *      alpha = 2^-alpha_bits
90  * So
91  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
92  *
93  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
94  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
95  *
96  * [*] Steal from the load average code and many other places.
97  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
98  */
99 static int alpha_bits = 9;
100 TUNABLE_INT("kern.cam.iosched_alpha_bits", &alpha_bits);
101 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, iosched_alpha_bits, CTLFLAG_RW,
102     &alpha_bits, 1,
103     "Bits in EMA's alpha.");
104
105 struct iop_stats;
106 struct cam_iosched_softc;
107
108 int iosched_debug = 0;
109
110 typedef enum {
111         none = 0,                               /* No limits */
112         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
113         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
114         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
115         limiter_max
116 } io_limiter;
117
118 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
119     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
120
121 /*
122  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
123  * limiter. Called just after the limiter is set.
124  */
125 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
126
127 /*
128  * Called every tick.
129  */
130 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
131
132 /*
133  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
134  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
135  * and makes any accounting of it that's needed.
136  */
137 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
138
139 /*
140  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
141  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
142  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
143  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
144  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
145  */
146 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
147
148 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
149 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
150 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
151
152 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
153 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
154 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
155 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
156
157 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
158 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
159 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
160 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
161
162 struct limswitch {
163         l_init_t        *l_init;
164         l_tick_t        *l_tick;
165         l_iop_t         *l_iop;
166         l_iop_t         *l_caniop;
167         l_iodone_t      *l_iodone;
168 } limsw[] =
169 {
170         {       /* none */
171                 .l_init = NULL,
172                 .l_tick = NULL,
173                 .l_iop = NULL,
174                 .l_iodone= NULL,
175         },
176         {       /* queue_depth */
177                 .l_init = NULL,
178                 .l_tick = NULL,
179                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
180                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
181                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
182         },
183         {       /* iops */
184                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
185                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
186                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
187                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
188                 .l_iodone= NULL,
189         },
190         {       /* bandwidth */
191                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
192                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
193                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
194                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
195                 .l_iodone= NULL,
196         },
197 };
198
199 struct iop_stats {
200         /*
201          * sysctl state for this subnode.
202          */
203         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
204         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
205
206         /*
207          * Information about the current rate limiters, if any
208          */
209         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
210         int             min;            /* Low range of limit */
211         int             max;            /* High range of limit */
212         int             current;        /* Current rate limiter */
213         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
214         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
215
216         /*
217          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
218          * scheduler.
219          */
220         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
221         int             queued;         /* number currently in the queue */
222         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
223         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
224         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
225         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
226
227         /*
228          * Statistics on different bits of the process.
229          */
230                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
231         sbintime_t      ema;
232         sbintime_t      emvar;
233         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
234
235         uint32_t        state_flags;
236 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
237
238 #define LAT_BUCKETS 15                  /* < 1ms < 2ms ... < 2^(n-1)ms >= 2^(n-1)ms*/
239         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
240
241         struct cam_iosched_softc *softc;
242 };
243
244 typedef enum {
245         set_max = 0,                    /* current = max */
246         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
247         cl_max                          /* Keep last */
248 } control_type;
249
250 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
251     { "set_max", "read_latency" };
252
253 struct control_loop {
254         /*
255          * sysctl state for this subnode.
256          */
257         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
258         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
259
260         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
261         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
262         sbintime_t      lolat;
263         sbintime_t      hilat;
264         int             alpha;
265         control_type    type;                   /* What type of control? */
266         int             last_count;             /* Last I/O count */
267
268         struct cam_iosched_softc *softc;
269 };
270
271 #endif
272
273 struct cam_iosched_softc {
274         struct bio_queue_head bio_queue;
275         struct bio_queue_head trim_queue;
276                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
277         uint32_t        flags;
278         int             sort_io_queue;
279         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
280         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
281         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
282         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
283 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
284         int             read_bias;              /* Read bias setting */
285         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
286         int             total_ticks;
287         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
288
289         struct bio_queue_head write_queue;
290         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
291         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
292         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
293
294         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
295         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
296         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
297         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
298         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
299         struct control_loop cl;
300         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
301         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
302         void            *latarg;
303 #endif
304 };
305
306 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
307 /*
308  * helper functions to call the limsw functions.
309  */
310 static int
311 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
312 {
313         int lim = ios->limiter;
314
315         /* maybe this should be a kassert */
316         if (lim < none || lim >= limiter_max)
317                 return EINVAL;
318
319         if (limsw[lim].l_init)
320                 return limsw[lim].l_init(ios);
321
322         return 0;
323 }
324
325 static int
326 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
327 {
328         int lim = ios->limiter;
329
330         /* maybe this should be a kassert */
331         if (lim < none || lim >= limiter_max)
332                 return EINVAL;
333
334         if (limsw[lim].l_tick)
335                 return limsw[lim].l_tick(ios);
336
337         return 0;
338 }
339
340 static int
341 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
342 {
343         int lim = ios->limiter;
344
345         /* maybe this should be a kassert */
346         if (lim < none || lim >= limiter_max)
347                 return EINVAL;
348
349         if (limsw[lim].l_iop)
350                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
351
352         return 0;
353 }
354
355 static int
356 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
357 {
358         int lim = ios->limiter;
359
360         /* maybe this should be a kassert */
361         if (lim < none || lim >= limiter_max)
362                 return EINVAL;
363
364         if (limsw[lim].l_caniop)
365                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
366
367         return 0;
368 }
369
370 static int
371 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
372 {
373         int lim = ios->limiter;
374
375         /* maybe this should be a kassert */
376         if (lim < none || lim >= limiter_max)
377                 return 0;
378
379         if (limsw[lim].l_iodone)
380                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
381
382         return 0;
383 }
384
385 /*
386  * Functions to implement the different kinds of limiters
387  */
388
389 static int
390 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
391 {
392
393         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
394                 return 0;
395
396         return EAGAIN;
397 }
398
399 static int
400 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
401 {
402
403         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
404                 return 0;
405
406         return EAGAIN;
407 }
408
409 static int
410 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
411 {
412
413         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
414                 return 0;
415
416         return 1;
417 }
418
419 static int
420 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
421 {
422
423         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
424         if (ios->l_value1 <= 0)
425                 ios->l_value1 = 1;
426         ios->l_value2 = 0;
427
428         return 0;
429 }
430
431 static int
432 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
433 {
434         int new_ios;
435
436         /*
437          * Allow at least one IO per tick until all
438          * the IOs for this interval have been spent.
439          */
440         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
441         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
442                 new_ios = 1;
443                 ios->l_value2++;
444         }
445
446         /*
447          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
448          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
449          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
450          */
451         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
452                 ios->l_value1 = new_ios;
453                 ios->l_value2 = 1;
454         } else {
455                 ios->l_value1 += new_ios;
456         }
457
458         return 0;
459 }
460
461 static int
462 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
463 {
464
465         /*
466          * So if we have any more IOPs left, allow it,
467          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
468          * as unlimited as a failsafe.
469          */
470         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
471                 return EAGAIN;
472         return 0;
473 }
474
475 static int
476 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
477 {
478         int rv;
479
480         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
481         if (rv == 0)
482                 ios->l_value1--;
483
484         return rv;
485 }
486
487 static int
488 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
489 {
490
491         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
492         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
493
494         return 0;
495 }
496
497 static int
498 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
499 {
500         int bw;
501
502         /*
503          * If we're in the hole for available quota from
504          * the last time, then add the quantum for this.
505          * If we have any left over from last quantum,
506          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
507          * is in kB/s, so scale.
508          *
509          * We also allow up to 4 quanta of credits to
510          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
511          * arbitrary.
512          */
513         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
514         if (ios->l_value1 < bw * 4)
515                 ios->l_value1 += bw;
516
517         return 0;
518 }
519
520 static int
521 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
522 {
523         /*
524          * So if we have any more bw quota left, allow it,
525          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
526          * OK. We'll just get a little less next quota.
527          *
528          * Note on going negative: that allows us to process
529          * requests in order better, since we won't allow
530          * shorter reads to get around the long one that we
531          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
532          * starvation by being a little more permissive about
533          * what we let through this quantum (to prevent the
534          * starvation), at the cost of getting a little less
535          * next quantum.
536          *
537          * Also note that if the current limit is <= 0,
538          * we treat it as unlimited as a failsafe.
539          */
540         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
541                 return EAGAIN;
542
543         return 0;
544 }
545
546 static int
547 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
548 {
549         int rv;
550
551         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
552         if (rv == 0)
553                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
554
555         return rv;
556 }
557
558 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
559
560 static void
561 cam_iosched_ticker(void *arg)
562 {
563         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
564         sbintime_t now, delta;
565         int pending;
566
567         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
568
569         now = sbinuptime();
570         delta = now - isc->last_time;
571         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
572         isc->last_time = now;
573
574         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
575
576         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
577         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
578         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
579
580         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
581
582         /*
583          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
584          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
585          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
586          * were slots.
587          *
588          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
589          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
590          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
591          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
592          *
593          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
594          * aren't part of the software queued load (since we could
595          * give them to hardware, but choose not to).
596          *
597          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
598          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
599          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
600          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
601          * so the counts get off.
602          */
603         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
604         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
605             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
606             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
607         pending <<= 16;
608         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
609
610         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
611
612         isc->total_ticks++;
613 }
614
615 static void
616 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
617 {
618
619         clp->next_steer = sbinuptime();
620         clp->softc = isc;
621         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
622         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
623         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
624         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
625         clp->type = set_max;
626 }
627
628 static void
629 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
630 {
631         struct cam_iosched_softc *isc;
632         sbintime_t now, lat;
633         int old;
634
635         isc = clp->softc;
636         now = isc->last_time;
637         if (now < clp->next_steer)
638                 return;
639
640         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
641         switch (clp->type) {
642         case set_max:
643                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
644                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
645                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
646                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
647                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
648                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
649                 break;
650         case read_latency:
651                 old = isc->write_stats.current;
652                 lat = isc->read_stats.ema;
653                 /*
654                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
655                  * the SP (set point) that makes things a little more
656                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
657                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
658                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
659                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
660                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
661                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
662                  * the device which change how responsive read latency will be
663                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
664                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
665                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
666                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
667                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
668                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
669                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
670                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
671                  * seconds before latency drops regardless of the new write
672                  * rate. Careful observation will be required to tune this
673                  * effectively.
674                  *
675                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
676                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
677                  * somewhat arbitrary.
678                  */
679                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
680                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
681                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
682                 else if (lat > clp->hilat)
683                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
684                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
685                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
686
687                 /*
688                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
689                  * those may have changed.
690                  */
691                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
692                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
693                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
694                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
695                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
696                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
697                             old, isc->write_stats.current,
698                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
699                 break;
700         case cl_max:
701                 break;
702         }
703 }
704 #endif
705
706 /*
707  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
708  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
709  */
710 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
711                         /* Callout active, and needs to be torn down */
712 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
713
714                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
715 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
716
717 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
718 static void
719 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
720     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
721 #endif
722
723 static inline bool
724 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
725 {
726         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
727 }
728
729 static inline bool
730 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
731 {
732 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
733         if (do_dynamic_iosched) {
734                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
735                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
736                 bool can_write = wbp != NULL &&
737                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
738                 bool can_read = rbp != NULL &&
739                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
740                 if (iosched_debug > 2) {
741                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
742                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
743                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
744                 }
745                 return can_read || can_write;
746         }
747 #endif
748         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
749 }
750
751 static inline bool
752 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
753 {
754         struct bio *bp;
755
756         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
757 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
758         if (do_dynamic_iosched) {
759                 /*
760                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
761                  * for a bit.
762                  */
763                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
764                         return false;
765         }
766 #endif
767
768         /*
769          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
770          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
771          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
772          */
773         if (isc->trim_goal > 0) {
774                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
775                         return true;
776                 if (isc->queued_trims > 0 &&
777                     isc->trim_ticks > 0 &&
778                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
779                         return true;
780                 return false;
781         }
782
783         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
784         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
785 }
786
787 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
788     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
789
790 static inline bool
791 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
792 {
793 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
794         if (iosched_debug > 2)
795                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
796                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
797                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
798 #endif
799
800         return cam_iosched_has_io(isc) ||
801                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
802                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
803 }
804
805 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
806 static void
807 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
808 {
809
810         ios->limiter = none;
811         ios->in = 0;
812         ios->max = ios->current = 300000;
813         ios->min = 1;
814         ios->out = 0;
815         ios->errs = 0;
816         ios->pending = 0;
817         ios->queued = 0;
818         ios->total = 0;
819         ios->ema = 0;
820         ios->emvar = 0;
821         ios->softc = isc;
822         cam_iosched_limiter_init(ios);
823 }
824
825 static int
826 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
827 {
828         char buf[16];
829         struct iop_stats *ios;
830         struct cam_iosched_softc *isc;
831         int value, i, error;
832         const char *p;
833
834         ios = arg1;
835         isc = ios->softc;
836         value = ios->limiter;
837         if (value < none || value >= limiter_max)
838                 p = "UNKNOWN";
839         else
840                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
841
842         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
843         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
844         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
845                 return error;
846
847         cam_periph_lock(isc->periph);
848
849         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
850                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
851                         continue;
852                 ios->limiter = i;
853                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
854                 if (error != 0) {
855                         ios->limiter = value;
856                         cam_periph_unlock(isc->periph);
857                         return error;
858                 }
859                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
860                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
861                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
862
863                 cam_periph_unlock(isc->periph);
864                 return 0;
865         }
866
867         cam_periph_unlock(isc->periph);
868         return EINVAL;
869 }
870
871 static int
872 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
873 {
874         char buf[16];
875         struct control_loop *clp;
876         struct cam_iosched_softc *isc;
877         int value, i, error;
878         const char *p;
879
880         clp = arg1;
881         isc = clp->softc;
882         value = clp->type;
883         if (value < none || value >= cl_max)
884                 p = "UNKNOWN";
885         else
886                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
887
888         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
889         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
890         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
891                 return error;
892
893         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
894                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
895                         continue;
896                 cam_periph_lock(isc->periph);
897                 clp->type = i;
898                 cam_periph_unlock(isc->periph);
899                 return 0;
900         }
901
902         return EINVAL;
903 }
904
905 static int
906 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
907 {
908         char buf[16];
909         sbintime_t value;
910         int error;
911         uint64_t us;
912
913         value = *(sbintime_t *)arg1;
914         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
915         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
916         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
917         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
918                 return error;
919         us = strtoul(buf, NULL, 10);
920         if (us == 0)
921                 return EINVAL;
922         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
923         return 0;
924 }
925
926 static int
927 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
928 {
929         int i, error;
930         struct sbuf sb;
931         uint64_t *latencies;
932
933         latencies = arg1;
934         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
935
936         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
937                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
938         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
939         error = sbuf_finish(&sb);
940         sbuf_delete(&sb);
941
942         return (error);
943 }
944
945 static int
946 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
947 {
948         int *quanta;
949         int error, value;
950
951         quanta = (unsigned *)arg1;
952         value = *quanta;
953
954         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
955         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
956                 return (error);
957
958         if (value < 1 || value > hz)
959                 return (EINVAL);
960
961         *quanta = value;
962
963         return (0);
964 }
965
966 static void
967 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
968 {
969         struct sysctl_oid_list *n;
970         struct sysctl_ctx_list *ctx;
971
972         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
973             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
974             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
975         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
976         ctx = &ios->sysctl_ctx;
977
978         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
979             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
980             &ios->ema,
981             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
982         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
983             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
984             &ios->emvar,
985             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
986
987         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
988             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
989             &ios->pending, 0,
990             "Instantaneous # of pending transactions");
991         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
992             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
993             &ios->total, 0,
994             "# of transactions submitted to hardware");
995         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
996             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
997             &ios->queued, 0,
998             "# of transactions in the queue");
999         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1000             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
1001             &ios->in, 0,
1002             "# of transactions queued to driver");
1003         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1004             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1005             &ios->out, 0,
1006             "# of transactions completed (including with error)");
1007         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1008             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1009             &ios->errs, 0,
1010             "# of transactions completed with an error");
1011
1012         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1013             OID_AUTO, "limiter",
1014             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1015             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1016             "Current limiting type.");
1017         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1018             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1019             &ios->min, 0,
1020             "min resource");
1021         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1022             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1023             &ios->max, 0,
1024             "max resource");
1025         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1026             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1027             &ios->current, 0,
1028             "current resource");
1029
1030         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1031             OID_AUTO, "latencies",
1032             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1033             &ios->latencies, 0,
1034             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1035             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1036 }
1037
1038 static void
1039 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1040 {
1041         if (ios->sysctl_tree)
1042                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1043                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1044 }
1045
1046 static void
1047 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1048 {
1049         struct sysctl_oid_list *n;
1050         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1051         struct control_loop *clp;
1052
1053         clp = &isc->cl;
1054         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1055             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1056             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1057         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1058         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1059
1060         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1061             OID_AUTO, "type",
1062             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1063             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1064             "Control loop algorithm");
1065         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1066             OID_AUTO, "steer_interval",
1067             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1068             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1069             "How often to steer (in us)");
1070         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1071             OID_AUTO, "lolat",
1072             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1073             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1074             "Low water mark for Latency (in us)");
1075         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1076             OID_AUTO, "hilat",
1077             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1078             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1079             "Hi water mark for Latency (in us)");
1080         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1081             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1082             &clp->alpha, 0,
1083             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1084 }
1085
1086 static void
1087 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1088 {
1089         if (clp->sysctl_tree)
1090                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1091                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1092 }
1093 #endif
1094
1095 /*
1096  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1097  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1098  */
1099 int
1100 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1101 {
1102
1103         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1104         if (*iscp == NULL)
1105                 return ENOMEM;
1106 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1107         if (iosched_debug)
1108                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1109 #endif
1110         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1111         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1112         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1113 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1114         if (do_dynamic_iosched) {
1115                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1116                 (*iscp)->read_bias = 100;
1117                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1118                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1119                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1120                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1121                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1122                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1123                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1124                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1125                 (*iscp)->periph = periph;
1126                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1127                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1128                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1129         }
1130 #endif
1131
1132         return 0;
1133 }
1134
1135 /*
1136  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1137  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1138  */
1139 void
1140 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1141 {
1142         if (isc) {
1143                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1144 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1145                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1146                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1147                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1148                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1149                 if (isc->sysctl_tree)
1150                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1151                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1152                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1153                         callout_drain(&isc->ticker);
1154                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1155                 }
1156 #endif
1157                 free(isc, M_CAMSCHED);
1158         }
1159 }
1160
1161 /*
1162  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1163  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1164  */
1165 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1166     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1167 {
1168         struct sysctl_oid_list *n;
1169
1170         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1171         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1172                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1173                 &isc->sort_io_queue, 0,
1174                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1175         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1176             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1177             &isc->trim_goal, 0,
1178             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1179         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1180             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1181             &isc->trim_goal, 0,
1182             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1183
1184 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1185         if (!do_dynamic_iosched)
1186                 return;
1187
1188         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1189             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1190             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1191         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1192         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1193
1194         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1195         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1196         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1197         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1198
1199         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1200             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1201             &isc->read_bias, 100,
1202             "How biased towards read should we be independent of limits");
1203
1204         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1205             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1206             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1207             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1208
1209         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1210             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1211             &isc->total_ticks, 0,
1212             "Total number of ticks we've done");
1213
1214         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1215             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1216             &isc->load, 0,
1217             "scaled load average / 100");
1218
1219         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1220             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1221             &isc->max_lat, 0,
1222             "Latency treshold to trigger callbacks");
1223 #endif
1224 }
1225
1226 void
1227 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1228     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1229 {
1230 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1231         isc->latfcn = fnp;
1232         isc->latarg = argp;
1233 #endif
1234 }
1235
1236 /*
1237  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1238  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1239  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1240  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1241  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1242  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1243  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1244  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1245  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1246  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1247  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1248  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1249  * but no client depends on the ordering being honored.
1250  *
1251  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1252  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1253  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1254  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1255  */
1256
1257 void
1258 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1259 {
1260
1261         isc->trim_goal = goal;
1262 }
1263
1264 void
1265 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1266 {
1267
1268         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1269 }
1270
1271 /*
1272  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1273  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1274  * convenient call.
1275  */
1276 void
1277 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1278 {
1279         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1280         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1281 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1282         if (do_dynamic_iosched)
1283                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1284 #endif
1285 }
1286
1287 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1288 static struct bio *
1289 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1290 {
1291         struct bio *bp;
1292
1293         /*
1294          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1295          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1296          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1297          * amplification when each request is causing more than one write to
1298          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1299          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1300          * compete unfairly.
1301          */
1302         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1303         if (bp == NULL) {
1304                 if (iosched_debug > 3)
1305                         printf("No writes present in write_queue\n");
1306                 return NULL;
1307         }
1308
1309         /*
1310          * If pending read, prefer that based on current read bias
1311          * setting.
1312          */
1313         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1314                 if (iosched_debug)
1315                         printf(
1316                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1317                             "writes %d queued reads %d\n",
1318                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1319                             isc->read_stats.queued);
1320                 isc->current_read_bias--;
1321                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1322                 return NULL;
1323         }
1324
1325         /*
1326          * See if our current limiter allows this I/O.
1327          */
1328         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1329                 if (iosched_debug)
1330                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1331                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1332                 return NULL;
1333         }
1334
1335         /*
1336          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1337          * to schedule the I/O in the SIM.
1338          */
1339         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1340         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1341         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1342                 isc->write_stats.queued--;
1343                 isc->write_stats.total++;
1344                 isc->write_stats.pending++;
1345         }
1346         if (iosched_debug > 9)
1347                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1348         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1349         return bp;
1350 }
1351 #endif
1352
1353 /*
1354  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1355  */
1356 void
1357 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1358 {
1359         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1360         if (isc->queued_trims == 0)
1361                 isc->last_trim_tick = ticks;
1362         isc->queued_trims++;
1363 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1364         isc->trim_stats.queued++;
1365         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1366         isc->trim_stats.pending--;
1367 #endif
1368 }
1369
1370 /*
1371  * gets the next trim from the trim queue.
1372  *
1373  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1374  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1375  * should the need arise.
1376  */
1377 struct bio *
1378 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1379 {
1380         struct bio *bp;
1381
1382         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1383         if (bp == NULL)
1384                 return NULL;
1385         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1386         isc->queued_trims--;
1387         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1388 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1389         isc->trim_stats.queued--;
1390         isc->trim_stats.total++;
1391         isc->trim_stats.pending++;
1392 #endif
1393         return bp;
1394 }
1395
1396 /*
1397  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1398  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1399  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1400  *
1401  * Assumes we're called with the periph lock held.
1402  */
1403 struct bio *
1404 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1405 {
1406 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1407         struct bio *bp;
1408 #endif
1409
1410         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1411                 return NULL;
1412 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1413         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1414         if (bp == NULL)
1415                 return NULL;
1416
1417         /*
1418          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1419          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1420          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1421          */
1422         if (do_dynamic_iosched) {
1423                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1424                         if (iosched_debug)
1425                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1426                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1427                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1428                                     isc->read_stats.queued);
1429                         isc->current_read_bias--;
1430                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1431                         return NULL;
1432                 }
1433                 /*
1434                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1435                  */
1436                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1437         }
1438
1439         /*
1440          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1441          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1442          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1443          * because we want the limits to be from the perspective of the
1444          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1445          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1446          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1447          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1448          */
1449         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1450                 if (iosched_debug)
1451                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1452                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1453                 return NULL;
1454         }
1455         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1456         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1457         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1458 #endif
1459         return cam_iosched_next_trim(isc);
1460 }
1461
1462 /*
1463  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1464  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1465  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1466  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1467  */
1468 struct bio *
1469 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1470 {
1471         struct bio *bp;
1472
1473         /*
1474          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1475          * at a time down, so this takes that into account.
1476          *
1477          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1478          * implement them.
1479          */
1480         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1481                 return bp;
1482
1483 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1484         /*
1485          * See if we have any pending writes, and room in the queue for them,
1486          * and if so, those are next.
1487          */
1488         if (do_dynamic_iosched) {
1489                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1490                         return bp;
1491         }
1492 #endif
1493
1494         /*
1495          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1496          */
1497         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1498                 return NULL;
1499
1500 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1501         /*
1502          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1503          * the limits here. Enforce only for reads.
1504          */
1505         if (do_dynamic_iosched) {
1506                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1507                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1508                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1509                         return NULL;
1510                 }
1511         }
1512         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1513 #endif
1514         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1515 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1516         if (do_dynamic_iosched) {
1517                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1518                         isc->read_stats.queued--;
1519                         isc->read_stats.total++;
1520                         isc->read_stats.pending++;
1521                 } else
1522                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1523         }
1524         if (iosched_debug > 9)
1525                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1526 #endif
1527         return bp;
1528 }
1529
1530 /*
1531  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1532  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1533  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1534  * deferring work for various reasons.
1535  */
1536 void
1537 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1538 {
1539
1540         /*
1541          * A BIO_SPEEDUP from the uppper layers means that they have a block
1542          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1543          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1544          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1545          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1546          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1547          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1548          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1549          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1550          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1551          */
1552         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1553                 off_t len;
1554                 struct bio *nbp;
1555
1556                 len = 0;
1557                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1558                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1559                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1560                         len += nbp->bio_length;
1561                         nbp->bio_error = 0;
1562                         biodone(nbp);
1563                 }
1564                 if (bp->bio_length > 0) {
1565                         if (bp->bio_length > len)
1566                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1567                         else
1568                                 bp->bio_resid = 0;
1569                 }
1570                 bp->bio_error = 0;
1571                 biodone(bp);
1572                 return;
1573         }
1574
1575         /*
1576          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1577          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1578          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1579          */
1580         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1581                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1582
1583         /*
1584          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1585          * queue.
1586          */
1587         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1588                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1589                 if (isc->queued_trims == 0)
1590                         isc->last_trim_tick = ticks;
1591                 isc->queued_trims++;
1592 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1593                 isc->trim_stats.in++;
1594                 isc->trim_stats.queued++;
1595 #endif
1596         }
1597 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1598         else if (do_dynamic_iosched && (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1599                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1600                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1601                 else
1602                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1603                 if (iosched_debug > 9)
1604                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1605                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1606                         isc->write_stats.in++;
1607                         isc->write_stats.queued++;
1608                 }
1609         }
1610 #endif
1611         else {
1612                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1613                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1614                 else
1615                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1616 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1617                 if (iosched_debug > 9)
1618                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1619                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1620                         isc->read_stats.in++;
1621                         isc->read_stats.queued++;
1622                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1623                         isc->write_stats.in++;
1624                         isc->write_stats.queued++;
1625                 }
1626 #endif
1627         }
1628 }
1629
1630 /*
1631  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1632  */
1633 void
1634 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1635 {
1636
1637         if (cam_iosched_has_work(isc))
1638                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1639 }
1640
1641 /*
1642  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1643  */
1644 void
1645 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1646 {
1647
1648         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1649 }
1650
1651 /*
1652  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1653  * might use notes in the ccb for statistics.
1654  */
1655 int
1656 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1657     union ccb *done_ccb)
1658 {
1659         int retval = 0;
1660 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1661         if (!do_dynamic_iosched)
1662                 return retval;
1663
1664         if (iosched_debug > 10)
1665                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1666         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1667                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1668                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1669                         isc->write_stats.errs++;
1670                 isc->write_stats.out++;
1671                 isc->write_stats.pending--;
1672         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1673                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1674                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1675                         isc->read_stats.errs++;
1676                 isc->read_stats.out++;
1677                 isc->read_stats.pending--;
1678         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1679                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1680                         isc->trim_stats.errs++;
1681                 isc->trim_stats.out++;
1682                 isc->trim_stats.pending--;
1683         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1684                 if (iosched_debug)
1685                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1686         }
1687
1688         if (!(bp->bio_flags & BIO_ERROR) && done_ccb != NULL) {
1689                 sbintime_t sim_latency;
1690                 
1691                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1692                 
1693                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1694                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1695                 /*
1696                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1697                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1698                  */
1699                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1700                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1701         }
1702                 
1703 #endif
1704         return retval;
1705 }
1706
1707 /*
1708  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1709  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1710  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1711  */
1712 void
1713 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1714 {
1715
1716         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1717 }
1718
1719 /*
1720  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1721  */
1722 void
1723 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1724 {
1725
1726         isc->sort_io_queue = val;
1727 }
1728
1729 int
1730 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1731 {
1732         return isc->flags & flags;
1733 }
1734
1735 void
1736 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1737 {
1738         isc->flags |= flags;
1739 }
1740
1741 void
1742 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1743 {
1744         isc->flags &= ~flags;
1745 }
1746
1747 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1748 /*
1749  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1750  * Square Roots," reprinted at
1751  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1752  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1753  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1754  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1755  * the result by 2 which after successive application winds up
1756  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1757  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1758  * than that method. This method is also integer size invariant.
1759  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1760  * or equal to the square root.
1761  */
1762 static uint64_t
1763 isqrt64(uint64_t val)
1764 {
1765         uint64_t res = 0;
1766         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1767
1768         /*
1769          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1770          */
1771         while (bit > val)
1772                 bit >>= 2;
1773
1774         /*
1775          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1776          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1777          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1778          * the successive shifts land the bit in the right place
1779          * by the end.
1780          */
1781         while (bit != 0) {
1782                 if (val >= res + bit) {
1783                         val -= res + bit;
1784                         res = (res >> 1) + bit;
1785                 } else
1786                         res >>= 1;
1787                 bit >>= 2;
1788         }
1789
1790         return res;
1791 }
1792
1793 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1794         SBT_1MS <<  0,
1795         SBT_1MS <<  1,
1796         SBT_1MS <<  2,
1797         SBT_1MS <<  3,
1798         SBT_1MS <<  4,
1799         SBT_1MS <<  5,
1800         SBT_1MS <<  6,
1801         SBT_1MS <<  7,
1802         SBT_1MS <<  8,
1803         SBT_1MS <<  9,
1804         SBT_1MS << 10,
1805         SBT_1MS << 11,
1806         SBT_1MS << 12,
1807         SBT_1MS << 13           /* 8.192s */
1808 };
1809
1810 static void
1811 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1812 {
1813         sbintime_t y, deltasq, delta;
1814         int i;
1815
1816         /*
1817          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1818          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1819          */
1820         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1821                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1822                         iop->latencies[i]++;
1823                         break;
1824                 }
1825         }
1826         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1827                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 1024ms values into the last bucket. */
1828
1829         /*
1830          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1831          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1832          * handbook.
1833          *
1834          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1835          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1836          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1837          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1838          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1839          *      = y_t/b - e/b + be/b
1840          *      = (y_t - e + be) / b
1841          *      = (e + d) / b
1842          *
1843          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1844          * division.
1845          *
1846          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1847          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1848          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1849          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1850          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1851          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1852          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1853          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1854          */
1855         /*
1856          * XXX possible numeric issues
1857          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1858          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1859          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1860          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1861          *        few tens of seconds of representation.
1862          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1863          */
1864         y = sim_latency;
1865         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1866         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1867
1868         /*
1869          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1870          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1871          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1872          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1873          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1874          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1875          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1876          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1877          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1878          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1879          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1880          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1881          */
1882         delta >>= 12;
1883         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1884         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1885             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1886             deltasq)                                            /* dd */
1887             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1888         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1889 }
1890
1891 static void
1892 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1893     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1894 {
1895         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1896         switch (cmd) {
1897         case BIO_READ:
1898                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1899                 break;
1900         case BIO_WRITE:
1901                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1902                 break;
1903         case BIO_DELETE:
1904                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1905                 break;
1906         default:
1907                 break;
1908         }
1909 }
1910
1911 #ifdef DDB
1912 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1913 {
1914         int i = 0;
1915         struct bio *bp;
1916
1917         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1918                 i++;
1919         }
1920         return i;
1921 }
1922
1923 /*
1924  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1925  */
1926 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1927 {
1928         struct cam_iosched_softc *isc;
1929
1930         if (!have_addr) {
1931                 db_printf("Need addr\n");
1932                 return;
1933         }
1934         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1935         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1936         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1937         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1938         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1939         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1940         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1941         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1942         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1943         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1944         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1945         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1946         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1947         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1948         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1949         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1950         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1951         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1952         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1953         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1954         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1955         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1956         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
1957         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
1958         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
1959         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
1960         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
1961         db_printf("Trim active?       %s\n",
1962             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
1963 }
1964 #endif
1965 #endif