]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
zfs: merge openzfs/zfs@c629f0bf6
[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 /*
143  * Read bias: how many reads do we favor before scheduling a write
144  * when we have a choice.
145  */
146 static int default_read_bias = 0;
147 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, read_bias, CTLFLAG_RWTUN,
148     &default_read_bias, 0,
149     "Default read bias for new devices.");
150
151 struct iop_stats;
152 struct cam_iosched_softc;
153
154 int iosched_debug = 0;
155
156 typedef enum {
157         none = 0,                               /* No limits */
158         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
159         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
160         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
161         limiter_max
162 } io_limiter;
163
164 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
165     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
166
167 /*
168  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
169  * limiter. Called just after the limiter is set.
170  */
171 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
172
173 /*
174  * Called every tick.
175  */
176 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
177
178 /*
179  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
180  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
181  * and makes any accounting of it that's needed.
182  */
183 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
184
185 /*
186  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
187  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
188  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
189  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
190  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
191  */
192 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
193
194 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
195 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
196 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
197
198 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
199 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
200 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
201 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
202
203 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
204 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
205 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
206 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
207
208 struct limswitch {
209         l_init_t        *l_init;
210         l_tick_t        *l_tick;
211         l_iop_t         *l_iop;
212         l_iop_t         *l_caniop;
213         l_iodone_t      *l_iodone;
214 } limsw[] =
215 {
216         {       /* none */
217                 .l_init = NULL,
218                 .l_tick = NULL,
219                 .l_iop = NULL,
220                 .l_iodone= NULL,
221         },
222         {       /* queue_depth */
223                 .l_init = NULL,
224                 .l_tick = NULL,
225                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
226                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
227                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
228         },
229         {       /* iops */
230                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
231                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
232                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
233                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
234                 .l_iodone= NULL,
235         },
236         {       /* bandwidth */
237                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
238                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
239                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
240                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
241                 .l_iodone= NULL,
242         },
243 };
244
245 struct iop_stats {
246         /*
247          * sysctl state for this subnode.
248          */
249         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
250         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
251
252         /*
253          * Information about the current rate limiters, if any
254          */
255         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
256         int             min;            /* Low range of limit */
257         int             max;            /* High range of limit */
258         int             current;        /* Current rate limiter */
259         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
260         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
261
262         /*
263          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
264          * scheduler.
265          */
266         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
267         int             queued;         /* number currently in the queue */
268         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
269         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
270         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
271         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
272
273         /*
274          * Statistics on different bits of the process.
275          */
276                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
277         sbintime_t      ema;
278         sbintime_t      emvar;
279         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
280
281         uint32_t        state_flags;
282 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
283
284         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
285
286         struct cam_iosched_softc *softc;
287 };
288
289 typedef enum {
290         set_max = 0,                    /* current = max */
291         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
292         cl_max                          /* Keep last */
293 } control_type;
294
295 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
296     { "set_max", "read_latency" };
297
298 struct control_loop {
299         /*
300          * sysctl state for this subnode.
301          */
302         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
303         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
304
305         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
306         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
307         sbintime_t      lolat;
308         sbintime_t      hilat;
309         int             alpha;
310         control_type    type;                   /* What type of control? */
311         int             last_count;             /* Last I/O count */
312
313         struct cam_iosched_softc *softc;
314 };
315
316 #endif
317
318 struct cam_iosched_softc {
319         struct bio_queue_head bio_queue;
320         struct bio_queue_head trim_queue;
321                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
322         uint32_t        flags;
323         int             sort_io_queue;
324         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
325         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
326         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
327         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
328 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
329         int             read_bias;              /* Read bias setting */
330         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
331         int             total_ticks;
332         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
333
334         struct bio_queue_head write_queue;
335         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
336         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
337         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
338
339         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
340         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
341         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
342         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
343         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
344         struct control_loop cl;
345         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
346         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
347         void            *latarg;
348 #endif
349 };
350
351 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
352 /*
353  * helper functions to call the limsw functions.
354  */
355 static int
356 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
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_init)
365                 return limsw[lim].l_init(ios);
366
367         return 0;
368 }
369
370 static int
371 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
372 {
373         int lim = ios->limiter;
374
375         /* maybe this should be a kassert */
376         if (lim < none || lim >= limiter_max)
377                 return EINVAL;
378
379         if (limsw[lim].l_tick)
380                 return limsw[lim].l_tick(ios);
381
382         return 0;
383 }
384
385 static int
386 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
387 {
388         int lim = ios->limiter;
389
390         /* maybe this should be a kassert */
391         if (lim < none || lim >= limiter_max)
392                 return EINVAL;
393
394         if (limsw[lim].l_iop)
395                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
396
397         return 0;
398 }
399
400 static int
401 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
402 {
403         int lim = ios->limiter;
404
405         /* maybe this should be a kassert */
406         if (lim < none || lim >= limiter_max)
407                 return EINVAL;
408
409         if (limsw[lim].l_caniop)
410                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
411
412         return 0;
413 }
414
415 static int
416 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
417 {
418         int lim = ios->limiter;
419
420         /* maybe this should be a kassert */
421         if (lim < none || lim >= limiter_max)
422                 return 0;
423
424         if (limsw[lim].l_iodone)
425                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
426
427         return 0;
428 }
429
430 /*
431  * Functions to implement the different kinds of limiters
432  */
433
434 static int
435 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
436 {
437
438         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
439                 return 0;
440
441         return EAGAIN;
442 }
443
444 static int
445 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
446 {
447
448         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
449                 return 0;
450
451         return EAGAIN;
452 }
453
454 static int
455 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
456 {
457
458         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
459                 return 0;
460
461         return 1;
462 }
463
464 static int
465 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
466 {
467
468         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
469         if (ios->l_value1 <= 0)
470                 ios->l_value1 = 1;
471         ios->l_value2 = 0;
472
473         return 0;
474 }
475
476 static int
477 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
478 {
479         int new_ios;
480
481         /*
482          * Allow at least one IO per tick until all
483          * the IOs for this interval have been spent.
484          */
485         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
486         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
487                 new_ios = 1;
488                 ios->l_value2++;
489         }
490
491         /*
492          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
493          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
494          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
495          */
496         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
497                 ios->l_value1 = new_ios;
498                 ios->l_value2 = 1;
499         } else {
500                 ios->l_value1 += new_ios;
501         }
502
503         return 0;
504 }
505
506 static int
507 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
508 {
509
510         /*
511          * So if we have any more IOPs left, allow it,
512          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
513          * as unlimited as a failsafe.
514          */
515         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
516                 return EAGAIN;
517         return 0;
518 }
519
520 static int
521 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
522 {
523         int rv;
524
525         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
526         if (rv == 0)
527                 ios->l_value1--;
528
529         return rv;
530 }
531
532 static int
533 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
534 {
535
536         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
537         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
538
539         return 0;
540 }
541
542 static int
543 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
544 {
545         int bw;
546
547         /*
548          * If we're in the hole for available quota from
549          * the last time, then add the quantum for this.
550          * If we have any left over from last quantum,
551          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
552          * is in kB/s, so scale.
553          *
554          * We also allow up to 4 quanta of credits to
555          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
556          * arbitrary.
557          */
558         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
559         if (ios->l_value1 < bw * 4)
560                 ios->l_value1 += bw;
561
562         return 0;
563 }
564
565 static int
566 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
567 {
568         /*
569          * So if we have any more bw quota left, allow it,
570          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
571          * OK. We'll just get a little less next quota.
572          *
573          * Note on going negative: that allows us to process
574          * requests in order better, since we won't allow
575          * shorter reads to get around the long one that we
576          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
577          * starvation by being a little more permissive about
578          * what we let through this quantum (to prevent the
579          * starvation), at the cost of getting a little less
580          * next quantum.
581          *
582          * Also note that if the current limit is <= 0,
583          * we treat it as unlimited as a failsafe.
584          */
585         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
586                 return EAGAIN;
587
588         return 0;
589 }
590
591 static int
592 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
593 {
594         int rv;
595
596         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
597         if (rv == 0)
598                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
599
600         return rv;
601 }
602
603 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
604
605 static void
606 cam_iosched_ticker(void *arg)
607 {
608         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
609         sbintime_t now, delta;
610         int pending;
611
612         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
613
614         now = sbinuptime();
615         delta = now - isc->last_time;
616         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
617         isc->last_time = now;
618
619         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
620
621         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
622         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
623         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
624
625         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
626
627         /*
628          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
629          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
630          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
631          * were slots.
632          *
633          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
634          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
635          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
636          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
637          *
638          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
639          * aren't part of the software queued load (since we could
640          * give them to hardware, but choose not to).
641          *
642          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
643          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
644          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
645          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
646          * so the counts get off.
647          */
648         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
649         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
650             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
651             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
652         pending <<= 16;
653         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
654
655         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
656
657         isc->total_ticks++;
658 }
659
660 static void
661 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
662 {
663
664         clp->next_steer = sbinuptime();
665         clp->softc = isc;
666         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
667         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
668         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
669         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
670         clp->type = set_max;
671 }
672
673 static void
674 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
675 {
676         struct cam_iosched_softc *isc;
677         sbintime_t now, lat;
678         int old;
679
680         isc = clp->softc;
681         now = isc->last_time;
682         if (now < clp->next_steer)
683                 return;
684
685         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
686         switch (clp->type) {
687         case set_max:
688                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
689                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
690                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
691                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
692                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
693                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
694                 break;
695         case read_latency:
696                 old = isc->write_stats.current;
697                 lat = isc->read_stats.ema;
698                 /*
699                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
700                  * the SP (set point) that makes things a little more
701                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
702                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
703                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
704                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
705                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
706                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
707                  * the device which change how responsive read latency will be
708                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
709                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
710                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
711                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
712                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
713                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
714                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
715                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
716                  * seconds before latency drops regardless of the new write
717                  * rate. Careful observation will be required to tune this
718                  * effectively.
719                  *
720                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
721                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
722                  * somewhat arbitrary.
723                  */
724                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
725                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
726                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
727                 else if (lat > clp->hilat)
728                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
729                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
730                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
731
732                 /*
733                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
734                  * those may have changed.
735                  */
736                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
737                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
738                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
739                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
740                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
741                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
742                             old, isc->write_stats.current,
743                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
744                 break;
745         case cl_max:
746                 break;
747         }
748 }
749 #endif
750
751 /*
752  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
753  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
754  */
755 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
756                         /* Callout active, and needs to be torn down */
757 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
758
759                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
760 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
761
762 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
763 static void
764 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
765     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
766 #endif
767
768 static inline bool
769 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
770 {
771         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
772 }
773
774 static inline bool
775 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
776 {
777 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
778         if (do_dynamic_iosched) {
779                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
780                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
781                 bool can_write = wbp != NULL &&
782                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
783                 bool can_read = rbp != NULL &&
784                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
785                 if (iosched_debug > 2) {
786                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
787                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
788                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
789                 }
790                 return can_read || can_write;
791         }
792 #endif
793         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
794 }
795
796 static inline bool
797 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
798 {
799         struct bio *bp;
800
801         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
802 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
803         if (do_dynamic_iosched) {
804                 /*
805                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
806                  * for a bit.
807                  */
808                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
809                         return false;
810         }
811 #endif
812
813         /*
814          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
815          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
816          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
817          */
818         if (isc->trim_goal > 0) {
819                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
820                         return true;
821                 if (isc->queued_trims > 0 &&
822                     isc->trim_ticks > 0 &&
823                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
824                         return true;
825                 return false;
826         }
827
828         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
829         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
830 }
831
832 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
833     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
834
835 static inline bool
836 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
837 {
838 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
839         if (iosched_debug > 2)
840                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
841                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
842                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
843 #endif
844
845         return cam_iosched_has_io(isc) ||
846                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
847                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
848 }
849
850 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
851 static void
852 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
853 {
854
855         ios->limiter = none;
856         ios->in = 0;
857         ios->max = ios->current = 300000;
858         ios->min = 1;
859         ios->out = 0;
860         ios->errs = 0;
861         ios->pending = 0;
862         ios->queued = 0;
863         ios->total = 0;
864         ios->ema = 0;
865         ios->emvar = 0;
866         ios->softc = isc;
867         cam_iosched_limiter_init(ios);
868 }
869
870 static int
871 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
872 {
873         char buf[16];
874         struct iop_stats *ios;
875         struct cam_iosched_softc *isc;
876         int value, i, error;
877         const char *p;
878
879         ios = arg1;
880         isc = ios->softc;
881         value = ios->limiter;
882         if (value < none || value >= limiter_max)
883                 p = "UNKNOWN";
884         else
885                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
886
887         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
888         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
889         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
890                 return error;
891
892         cam_periph_lock(isc->periph);
893
894         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
895                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
896                         continue;
897                 ios->limiter = i;
898                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
899                 if (error != 0) {
900                         ios->limiter = value;
901                         cam_periph_unlock(isc->periph);
902                         return error;
903                 }
904                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
905                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
906                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
907
908                 cam_periph_unlock(isc->periph);
909                 return 0;
910         }
911
912         cam_periph_unlock(isc->periph);
913         return EINVAL;
914 }
915
916 static int
917 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
918 {
919         char buf[16];
920         struct control_loop *clp;
921         struct cam_iosched_softc *isc;
922         int value, i, error;
923         const char *p;
924
925         clp = arg1;
926         isc = clp->softc;
927         value = clp->type;
928         if (value < none || value >= cl_max)
929                 p = "UNKNOWN";
930         else
931                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
932
933         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
934         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
935         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
936                 return error;
937
938         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
939                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
940                         continue;
941                 cam_periph_lock(isc->periph);
942                 clp->type = i;
943                 cam_periph_unlock(isc->periph);
944                 return 0;
945         }
946
947         return EINVAL;
948 }
949
950 static int
951 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
952 {
953         char buf[16];
954         sbintime_t value;
955         int error;
956         uint64_t us;
957
958         value = *(sbintime_t *)arg1;
959         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
960         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
961         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
962         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
963                 return error;
964         us = strtoul(buf, NULL, 10);
965         if (us == 0)
966                 return EINVAL;
967         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
968         return 0;
969 }
970
971 static int
972 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
973 {
974         int i, error;
975         struct sbuf sb;
976         uint64_t *latencies;
977
978         latencies = arg1;
979         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
980
981         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
982                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
983         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
984         error = sbuf_finish(&sb);
985         sbuf_delete(&sb);
986
987         return (error);
988 }
989
990 static int
991 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
992 {
993         int *quanta;
994         int error, value;
995
996         quanta = (unsigned *)arg1;
997         value = *quanta;
998
999         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
1000         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
1001                 return (error);
1002
1003         if (value < 1 || value > hz)
1004                 return (EINVAL);
1005
1006         *quanta = value;
1007
1008         return (0);
1009 }
1010
1011 static void
1012 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
1013 {
1014         struct sysctl_oid_list *n;
1015         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1016
1017         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1018             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
1019             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
1020         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
1021         ctx = &ios->sysctl_ctx;
1022
1023         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1024             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
1025             &ios->ema,
1026             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
1027         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1028             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
1029             &ios->emvar,
1030             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
1031
1032         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1033             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
1034             &ios->pending, 0,
1035             "Instantaneous # of pending transactions");
1036         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1037             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
1038             &ios->total, 0,
1039             "# of transactions submitted to hardware");
1040         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1041             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
1042             &ios->queued, 0,
1043             "# of transactions in the queue");
1044         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1045             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
1046             &ios->in, 0,
1047             "# of transactions queued to driver");
1048         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1049             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1050             &ios->out, 0,
1051             "# of transactions completed (including with error)");
1052         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1053             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1054             &ios->errs, 0,
1055             "# of transactions completed with an error");
1056
1057         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1058             OID_AUTO, "limiter",
1059             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1060             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1061             "Current limiting type.");
1062         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1063             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1064             &ios->min, 0,
1065             "min resource");
1066         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1067             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1068             &ios->max, 0,
1069             "max resource");
1070         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1071             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1072             &ios->current, 0,
1073             "current resource");
1074
1075         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1076             OID_AUTO, "latencies",
1077             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
1078             &ios->latencies, 0,
1079             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1080             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1081 }
1082
1083 static void
1084 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1085 {
1086         if (ios->sysctl_tree)
1087                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1088                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1089 }
1090
1091 static void
1092 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1093 {
1094         struct sysctl_oid_list *n;
1095         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1096         struct control_loop *clp;
1097
1098         clp = &isc->cl;
1099         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1100             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1101             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1102         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1103         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1104
1105         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1106             OID_AUTO, "type",
1107             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1108             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1109             "Control loop algorithm");
1110         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1111             OID_AUTO, "steer_interval",
1112             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1113             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1114             "How often to steer (in us)");
1115         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1116             OID_AUTO, "lolat",
1117             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1118             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1119             "Low water mark for Latency (in us)");
1120         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1121             OID_AUTO, "hilat",
1122             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1123             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1124             "Hi water mark for Latency (in us)");
1125         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1126             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1127             &clp->alpha, 0,
1128             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1129 }
1130
1131 static void
1132 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1133 {
1134         if (clp->sysctl_tree)
1135                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1136                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1137 }
1138 #endif
1139
1140 /*
1141  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1142  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1143  */
1144 int
1145 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1146 {
1147
1148         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1149         if (*iscp == NULL)
1150                 return ENOMEM;
1151 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1152         if (iosched_debug)
1153                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1154 #endif
1155         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1156         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1157         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1158 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1159         if (do_dynamic_iosched) {
1160                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1161                 (*iscp)->read_bias = default_read_bias;
1162                 (*iscp)->current_read_bias = 0;
1163                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1164                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1165                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1166                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1167                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1168                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1169                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1170                 (*iscp)->periph = periph;
1171                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1172                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1173                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1174         }
1175 #endif
1176
1177         return 0;
1178 }
1179
1180 /*
1181  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1182  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1183  */
1184 void
1185 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1186 {
1187         if (isc) {
1188                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1189 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1190                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1191                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1192                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1193                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1194                 if (isc->sysctl_tree)
1195                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1196                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1197                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1198                         callout_drain(&isc->ticker);
1199                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1200                 }
1201 #endif
1202                 free(isc, M_CAMSCHED);
1203         }
1204 }
1205
1206 /*
1207  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1208  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1209  */
1210 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1211     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1212 {
1213         struct sysctl_oid_list *n;
1214
1215         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1216         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1217                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1218                 &isc->sort_io_queue, 0,
1219                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1220         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1221             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1222             &isc->trim_goal, 0,
1223             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1224         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1225             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1226             &isc->trim_goal, 0,
1227             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1228
1229 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1230         if (!do_dynamic_iosched)
1231                 return;
1232
1233         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1234             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1235             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1236         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1237         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1238
1239         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1240         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1241         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1242         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1243
1244         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1245             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1246             &isc->read_bias, default_read_bias,
1247             "How biased towards read should we be independent of limits");
1248
1249         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1250             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1251             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1252             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1253
1254         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1255             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1256             &isc->total_ticks, 0,
1257             "Total number of ticks we've done");
1258
1259         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1260             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1261             &isc->load, 0,
1262             "scaled load average / 100");
1263
1264         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1265             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1266             &isc->max_lat, 0,
1267             "Latency treshold to trigger callbacks");
1268 #endif
1269 }
1270
1271 void
1272 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1273     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1274 {
1275 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1276         isc->latfcn = fnp;
1277         isc->latarg = argp;
1278 #endif
1279 }
1280
1281 /*
1282  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1283  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1284  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1285  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1286  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1287  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1288  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1289  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1290  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1291  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1292  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1293  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1294  * but no client depends on the ordering being honored.
1295  *
1296  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1297  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1298  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1299  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1300  */
1301
1302 void
1303 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1304 {
1305
1306         isc->trim_goal = goal;
1307 }
1308
1309 void
1310 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1311 {
1312
1313         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1314 }
1315
1316 /*
1317  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1318  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1319  * convenient call.
1320  */
1321 void
1322 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1323 {
1324         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1325         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1326 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1327         if (do_dynamic_iosched)
1328                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1329 #endif
1330 }
1331
1332 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1333 static struct bio *
1334 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1335 {
1336         struct bio *bp;
1337
1338         /*
1339          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1340          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1341          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1342          * amplification when each request is causing more than one write to
1343          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1344          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1345          * compete unfairly.
1346          */
1347         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1348         if (bp == NULL) {
1349                 if (iosched_debug > 3)
1350                         printf("No writes present in write_queue\n");
1351                 return NULL;
1352         }
1353
1354         /*
1355          * If pending read, prefer that based on current read bias
1356          * setting.
1357          */
1358         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1359                 if (iosched_debug)
1360                         printf(
1361                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1362                             "writes %d queued reads %d\n",
1363                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1364                             isc->read_stats.queued);
1365                 isc->current_read_bias--;
1366                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1367                 return NULL;
1368         }
1369
1370         /*
1371          * See if our current limiter allows this I/O.
1372          */
1373         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1374                 if (iosched_debug)
1375                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1376                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1377                 return NULL;
1378         }
1379
1380         /*
1381          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1382          * to schedule the I/O in the SIM.
1383          */
1384         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1385         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1386         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1387                 isc->write_stats.queued--;
1388                 isc->write_stats.total++;
1389                 isc->write_stats.pending++;
1390         }
1391         if (iosched_debug > 9)
1392                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1393         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1394         return bp;
1395 }
1396 #endif
1397
1398 /*
1399  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1400  */
1401 void
1402 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1403 {
1404         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1405         if (isc->queued_trims == 0)
1406                 isc->last_trim_tick = ticks;
1407         isc->queued_trims++;
1408 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1409         isc->trim_stats.queued++;
1410         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1411         isc->trim_stats.pending--;
1412 #endif
1413 }
1414
1415 /*
1416  * gets the next trim from the trim queue.
1417  *
1418  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1419  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1420  * should the need arise.
1421  */
1422 struct bio *
1423 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1424 {
1425         struct bio *bp;
1426
1427         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1428         if (bp == NULL)
1429                 return NULL;
1430         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1431         isc->queued_trims--;
1432         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1433 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1434         isc->trim_stats.queued--;
1435         isc->trim_stats.total++;
1436         isc->trim_stats.pending++;
1437 #endif
1438         return bp;
1439 }
1440
1441 /*
1442  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1443  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1444  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1445  *
1446  * Assumes we're called with the periph lock held.
1447  */
1448 struct bio *
1449 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1450 {
1451 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1452         struct bio *bp;
1453 #endif
1454
1455         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1456                 return NULL;
1457 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1458         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1459         if (bp == NULL)
1460                 return NULL;
1461
1462         /*
1463          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1464          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1465          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1466          */
1467         if (do_dynamic_iosched) {
1468                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1469                         if (iosched_debug)
1470                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1471                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1472                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1473                                     isc->read_stats.queued);
1474                         isc->current_read_bias--;
1475                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1476                         return NULL;
1477                 }
1478                 /*
1479                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1480                  */
1481                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1482         }
1483
1484         /*
1485          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1486          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1487          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1488          * because we want the limits to be from the perspective of the
1489          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1490          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1491          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1492          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1493          */
1494         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1495                 if (iosched_debug)
1496                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1497                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1498                 return NULL;
1499         }
1500         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1501         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1502         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1503 #endif
1504         return cam_iosched_next_trim(isc);
1505 }
1506
1507
1508 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1509 static struct bio *
1510 bio_next(struct bio *bp)
1511 {
1512         bp = TAILQ_NEXT(bp, bio_queue);
1513         /*
1514          * After the first commands, the ordered bit terminates
1515          * our search because BIO_ORDERED acts like a barrier.
1516          */
1517         if (bp == NULL || bp->bio_flags & BIO_ORDERED)
1518                 return NULL;
1519         return bp;
1520 }
1521
1522 static bool
1523 cam_iosched_rate_limited(struct iop_stats *ios)
1524 {
1525         return ios->state_flags & IOP_RATE_LIMITED;
1526 }
1527 #endif
1528
1529 /*
1530  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1531  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1532  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1533  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1534  */
1535 struct bio *
1536 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1537 {
1538         struct bio *bp;
1539
1540         /*
1541          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1542          * at a time down, so this takes that into account.
1543          *
1544          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1545          * implement them.
1546          */
1547         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1548                 return bp;
1549
1550 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1551         /*
1552          * See if we have any pending writes, room in the queue for them,
1553          * and no pending reads (unless we've scheduled too many).
1554          * if so, those are next.
1555          */
1556         if (do_dynamic_iosched) {
1557                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1558                         return bp;
1559         }
1560 #endif
1561         /*
1562          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1563          */
1564 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1565         if (do_dynamic_iosched) {
1566                 for (bp = bioq_first(&isc->bio_queue); bp != NULL;
1567                      bp = bio_next(bp)) {
1568                         /*
1569                          * For the dynamic scheduler with a read bias, bio_queue
1570                          * is only for reads. However, without one, all
1571                          * operations are queued. Enforce limits here for any
1572                          * operation we find here.
1573                          */
1574                         if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1575                                 if (cam_iosched_rate_limited(&isc->read_stats) ||
1576                                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1577                                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1578                                         continue;
1579                                 }
1580                                 isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1581                         }
1582                         /*
1583                          * There can only be write requests on the queue when
1584                          * the read bias is 0, but we need to process them
1585                          * here. We do not assert for read bias == 0, however,
1586                          * since it is dynamic and we can have WRITE operations
1587                          * in the queue after we transition from 0 to non-zero.
1588                          */
1589                         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1590                                 if (cam_iosched_rate_limited(&isc->write_stats) ||
1591                                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1592                                         isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1593                                         continue;
1594                                 }
1595                                 isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1596                         }
1597                         /*
1598                          * here we know we have a bp that's != NULL, that's not rate limited
1599                          * and can be the next I/O.
1600                          */
1601                         break;
1602                 }
1603         } else
1604 #endif
1605                 bp = bioq_first(&isc->bio_queue);
1606
1607         if (bp == NULL)
1608                 return (NULL);
1609         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1610 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1611         if (do_dynamic_iosched) {
1612                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1613                         isc->read_stats.queued--;
1614                         isc->read_stats.total++;
1615                         isc->read_stats.pending++;
1616                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1617                         isc->write_stats.queued--;
1618                         isc->write_stats.total++;
1619                         isc->write_stats.pending++;
1620                 }
1621         }
1622         if (iosched_debug > 9)
1623                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1624 #endif
1625         return bp;
1626 }
1627
1628 /*
1629  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1630  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1631  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1632  * deferring work for various reasons.
1633  */
1634 void
1635 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1636 {
1637
1638         /*
1639          * A BIO_SPEEDUP from the uppper layers means that they have a block
1640          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1641          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1642          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1643          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1644          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1645          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1646          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1647          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1648          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1649          */
1650         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1651                 off_t len;
1652                 struct bio *nbp;
1653
1654                 len = 0;
1655                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1656                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1657                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1658                         len += nbp->bio_length;
1659                         nbp->bio_error = 0;
1660                         biodone(nbp);
1661                 }
1662                 if (bp->bio_length > 0) {
1663                         if (bp->bio_length > len)
1664                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1665                         else
1666                                 bp->bio_resid = 0;
1667                 }
1668                 bp->bio_error = 0;
1669                 biodone(bp);
1670                 return;
1671         }
1672
1673         /*
1674          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1675          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1676          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1677          */
1678         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1679                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1680
1681         /*
1682          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1683          * queue.
1684          */
1685         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1686                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1687                 if (isc->queued_trims == 0)
1688                         isc->last_trim_tick = ticks;
1689                 isc->queued_trims++;
1690 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1691                 isc->trim_stats.in++;
1692                 isc->trim_stats.queued++;
1693 #endif
1694         }
1695 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1696         else if (do_dynamic_iosched && isc->read_bias != 0 &&
1697             (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1698                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1699                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1700                 else
1701                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1702                 if (iosched_debug > 9)
1703                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1704                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1705                         isc->write_stats.in++;
1706                         isc->write_stats.queued++;
1707                 }
1708         }
1709 #endif
1710         else {
1711                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1712                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1713                 else
1714                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1715 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1716                 if (iosched_debug > 9)
1717                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1718                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1719                         isc->read_stats.in++;
1720                         isc->read_stats.queued++;
1721                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1722                         isc->write_stats.in++;
1723                         isc->write_stats.queued++;
1724                 }
1725 #endif
1726         }
1727 }
1728
1729 /*
1730  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1731  */
1732 void
1733 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1734 {
1735
1736         if (cam_iosched_has_work(isc))
1737                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1738 }
1739
1740 /*
1741  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1742  */
1743 void
1744 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1745 {
1746
1747         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1748 }
1749
1750 /*
1751  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1752  * might use notes in the ccb for statistics.
1753  */
1754 int
1755 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1756     union ccb *done_ccb)
1757 {
1758         int retval = 0;
1759 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1760         if (!do_dynamic_iosched)
1761                 return retval;
1762
1763         if (iosched_debug > 10)
1764                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1765         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1766                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1767                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1768                         isc->write_stats.errs++;
1769                 isc->write_stats.out++;
1770                 isc->write_stats.pending--;
1771         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1772                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1773                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1774                         isc->read_stats.errs++;
1775                 isc->read_stats.out++;
1776                 isc->read_stats.pending--;
1777         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1778                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1779                         isc->trim_stats.errs++;
1780                 isc->trim_stats.out++;
1781                 isc->trim_stats.pending--;
1782         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1783                 if (iosched_debug)
1784                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1785         }
1786
1787         if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) == 0 && done_ccb != NULL &&
1788             (done_ccb->ccb_h.status & CAM_QOS_VALID) != 0) {
1789                 sbintime_t sim_latency;
1790                 
1791                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1792                 
1793                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1794                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1795                 /*
1796                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1797                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1798                  */
1799                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1800                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1801         }
1802                 
1803 #endif
1804         return retval;
1805 }
1806
1807 /*
1808  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1809  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1810  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1811  */
1812 void
1813 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1814 {
1815
1816         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1817 }
1818
1819 /*
1820  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1821  */
1822 void
1823 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1824 {
1825
1826         isc->sort_io_queue = val;
1827 }
1828
1829 int
1830 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1831 {
1832         return isc->flags & flags;
1833 }
1834
1835 void
1836 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1837 {
1838         isc->flags |= flags;
1839 }
1840
1841 void
1842 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1843 {
1844         isc->flags &= ~flags;
1845 }
1846
1847 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1848 /*
1849  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1850  * Square Roots," reprinted at
1851  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1852  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1853  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1854  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1855  * the result by 2 which after successive application winds up
1856  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1857  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1858  * than that method. This method is also integer size invariant.
1859  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1860  * or equal to the square root.
1861  */
1862 static uint64_t
1863 isqrt64(uint64_t val)
1864 {
1865         uint64_t res = 0;
1866         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1867
1868         /*
1869          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1870          */
1871         while (bit > val)
1872                 bit >>= 2;
1873
1874         /*
1875          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1876          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1877          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1878          * the successive shifts land the bit in the right place
1879          * by the end.
1880          */
1881         while (bit != 0) {
1882                 if (val >= res + bit) {
1883                         val -= res + bit;
1884                         res = (res >> 1) + bit;
1885                 } else
1886                         res >>= 1;
1887                 bit >>= 2;
1888         }
1889
1890         return res;
1891 }
1892
1893 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1894         BUCKET_BASE <<  0,      /* 20us */
1895         BUCKET_BASE <<  1,
1896         BUCKET_BASE <<  2,
1897         BUCKET_BASE <<  3,
1898         BUCKET_BASE <<  4,
1899         BUCKET_BASE <<  5,
1900         BUCKET_BASE <<  6,
1901         BUCKET_BASE <<  7,
1902         BUCKET_BASE <<  8,
1903         BUCKET_BASE <<  9,
1904         BUCKET_BASE << 10,
1905         BUCKET_BASE << 11,
1906         BUCKET_BASE << 12,
1907         BUCKET_BASE << 13,
1908         BUCKET_BASE << 14,
1909         BUCKET_BASE << 15,
1910         BUCKET_BASE << 16,
1911         BUCKET_BASE << 17,
1912         BUCKET_BASE << 18       /* 5,242,880us */
1913 };
1914
1915 static void
1916 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1917 {
1918         sbintime_t y, deltasq, delta;
1919         int i;
1920
1921         /*
1922          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1923          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1924          */
1925         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1926                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1927                         iop->latencies[i]++;
1928                         break;
1929                 }
1930         }
1931         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1932                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 8192ms values into the last bucket. */
1933
1934         /*
1935          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1936          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1937          * handbook.
1938          *
1939          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1940          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1941          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1942          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1943          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1944          *      = y_t/b - e/b + be/b
1945          *      = (y_t - e + be) / b
1946          *      = (e + d) / b
1947          *
1948          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1949          * division.
1950          *
1951          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1952          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1953          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1954          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1955          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1956          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1957          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1958          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1959          */
1960         /*
1961          * XXX possible numeric issues
1962          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1963          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1964          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1965          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1966          *        few tens of seconds of representation.
1967          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1968          */
1969         y = sim_latency;
1970         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1971         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1972
1973         /*
1974          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1975          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1976          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1977          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1978          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1979          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1980          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1981          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1982          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1983          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1984          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1985          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1986          */
1987         delta >>= 12;
1988         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1989         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1990             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1991             deltasq)                                            /* dd */
1992             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1993         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1994 }
1995
1996 static void
1997 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1998     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1999 {
2000         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
2001         switch (cmd) {
2002         case BIO_READ:
2003                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
2004                 break;
2005         case BIO_WRITE:
2006                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
2007                 break;
2008         case BIO_DELETE:
2009                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
2010                 break;
2011         default:
2012                 break;
2013         }
2014 }
2015
2016 #ifdef DDB
2017 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
2018 {
2019         int i = 0;
2020         struct bio *bp;
2021
2022         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
2023                 i++;
2024         }
2025         return i;
2026 }
2027
2028 /*
2029  * Show the internal state of the I/O scheduler.
2030  */
2031 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
2032 {
2033         struct cam_iosched_softc *isc;
2034
2035         if (!have_addr) {
2036                 db_printf("Need addr\n");
2037                 return;
2038         }
2039         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
2040         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
2041         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
2042         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
2043         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
2044         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
2045         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
2046         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
2047         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
2048         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
2049         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
2050         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
2051         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
2052         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
2053         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
2054         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
2055         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
2056         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
2057         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
2058         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
2059         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
2060         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
2061         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
2062         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
2063         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
2064         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
2065         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
2066         db_printf("Trim active?       %s\n",
2067             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
2068 }
2069 #endif
2070 #endif