]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
Merge llvm, clang, compiler-rt, libc++, libunwind, lld, lldb and openmp
[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
245 typedef enum {
246         set_max = 0,                    /* current = max */
247         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
248         cl_max                          /* Keep last */
249 } control_type;
250
251 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
252     { "set_max", "read_latency" };
253
254 struct control_loop {
255         /*
256          * sysctl state for this subnode.
257          */
258         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
259         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
260
261         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
262         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
263         sbintime_t      lolat;
264         sbintime_t      hilat;
265         int             alpha;
266         control_type    type;                   /* What type of control? */
267         int             last_count;             /* Last I/O count */
268
269         struct cam_iosched_softc *softc;
270 };
271
272 #endif
273
274 struct cam_iosched_softc {
275         struct bio_queue_head bio_queue;
276         struct bio_queue_head trim_queue;
277                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
278         uint32_t        flags;
279         int             sort_io_queue;
280         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
281         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
282         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
283         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
284 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
285         int             read_bias;              /* Read bias setting */
286         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
287         int             total_ticks;
288         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
289
290         struct bio_queue_head write_queue;
291         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
292         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
293         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
294
295         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
296         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
297         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
298         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
299         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
300         struct control_loop cl;
301         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
302         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
303         void            *latarg;
304 #endif
305 };
306
307 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
308 /*
309  * helper functions to call the limsw functions.
310  */
311 static int
312 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
313 {
314         int lim = ios->limiter;
315
316         /* maybe this should be a kassert */
317         if (lim < none || lim >= limiter_max)
318                 return EINVAL;
319
320         if (limsw[lim].l_init)
321                 return limsw[lim].l_init(ios);
322
323         return 0;
324 }
325
326 static int
327 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
328 {
329         int lim = ios->limiter;
330
331         /* maybe this should be a kassert */
332         if (lim < none || lim >= limiter_max)
333                 return EINVAL;
334
335         if (limsw[lim].l_tick)
336                 return limsw[lim].l_tick(ios);
337
338         return 0;
339 }
340
341 static int
342 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
343 {
344         int lim = ios->limiter;
345
346         /* maybe this should be a kassert */
347         if (lim < none || lim >= limiter_max)
348                 return EINVAL;
349
350         if (limsw[lim].l_iop)
351                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
352
353         return 0;
354 }
355
356 static int
357 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
358 {
359         int lim = ios->limiter;
360
361         /* maybe this should be a kassert */
362         if (lim < none || lim >= limiter_max)
363                 return EINVAL;
364
365         if (limsw[lim].l_caniop)
366                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
367
368         return 0;
369 }
370
371 static int
372 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
373 {
374         int lim = ios->limiter;
375
376         /* maybe this should be a kassert */
377         if (lim < none || lim >= limiter_max)
378                 return 0;
379
380         if (limsw[lim].l_iodone)
381                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
382
383         return 0;
384 }
385
386 /*
387  * Functions to implement the different kinds of limiters
388  */
389
390 static int
391 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
392 {
393
394         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
395                 return 0;
396
397         return EAGAIN;
398 }
399
400 static int
401 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
402 {
403
404         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
405                 return 0;
406
407         return EAGAIN;
408 }
409
410 static int
411 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
412 {
413
414         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
415                 return 0;
416
417         return 1;
418 }
419
420 static int
421 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
422 {
423
424         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
425         if (ios->l_value1 <= 0)
426                 ios->l_value1 = 1;
427         ios->l_value2 = 0;
428
429         return 0;
430 }
431
432 static int
433 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
434 {
435         int new_ios;
436
437         /*
438          * Allow at least one IO per tick until all
439          * the IOs for this interval have been spent.
440          */
441         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
442         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
443                 new_ios = 1;
444                 ios->l_value2++;
445         }
446
447         /*
448          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
449          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
450          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
451          */
452         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
453                 ios->l_value1 = new_ios;
454                 ios->l_value2 = 1;
455         } else {
456                 ios->l_value1 += new_ios;
457         }
458
459
460         return 0;
461 }
462
463 static int
464 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
465 {
466
467         /*
468          * So if we have any more IOPs left, allow it,
469          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
470          * as unlimited as a failsafe.
471          */
472         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
473                 return EAGAIN;
474         return 0;
475 }
476
477 static int
478 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
479 {
480         int rv;
481
482         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
483         if (rv == 0)
484                 ios->l_value1--;
485
486         return rv;
487 }
488
489 static int
490 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
491 {
492
493         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
494         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
495
496         return 0;
497 }
498
499 static int
500 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
501 {
502         int bw;
503
504         /*
505          * If we're in the hole for available quota from
506          * the last time, then add the quantum for this.
507          * If we have any left over from last quantum,
508          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
509          * is in kB/s, so scale.
510          *
511          * We also allow up to 4 quanta of credits to
512          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
513          * arbitrary.
514          */
515         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
516         if (ios->l_value1 < bw * 4)
517                 ios->l_value1 += bw;
518
519         return 0;
520 }
521
522 static int
523 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
524 {
525         /*
526          * So if we have any more bw quota left, allow it,
527          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
528          * OK. We'll just get a little less next quota.
529          *
530          * Note on going negative: that allows us to process
531          * requests in order better, since we won't allow
532          * shorter reads to get around the long one that we
533          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
534          * starvation by being a little more permissive about
535          * what we let through this quantum (to prevent the
536          * starvation), at the cost of getting a little less
537          * next quantum.
538          *
539          * Also note that if the current limit is <= 0,
540          * we treat it as unlimited as a failsafe.
541          */
542         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
543                 return EAGAIN;
544
545
546         return 0;
547 }
548
549 static int
550 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
551 {
552         int rv;
553
554         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
555         if (rv == 0)
556                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
557
558         return rv;
559 }
560
561 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
562
563 static void
564 cam_iosched_ticker(void *arg)
565 {
566         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
567         sbintime_t now, delta;
568         int pending;
569
570         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
571
572         now = sbinuptime();
573         delta = now - isc->last_time;
574         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
575         isc->last_time = now;
576
577         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
578
579         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
580         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
581         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
582
583         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
584
585         /*
586          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
587          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
588          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
589          * were slots.
590          *
591          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
592          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
593          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
594          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
595          *
596          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
597          * aren't part of the software queued load (since we could
598          * give them to hardware, but choose not to).
599          *
600          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
601          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
602          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
603          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
604          * so the counts get off.
605          */
606         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
607         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
608             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
609             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
610         pending <<= 16;
611         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
612
613         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
614
615         isc->total_ticks++;
616 }
617
618
619 static void
620 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
621 {
622
623         clp->next_steer = sbinuptime();
624         clp->softc = isc;
625         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
626         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
627         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
628         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
629         clp->type = set_max;
630 }
631
632 static void
633 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
634 {
635         struct cam_iosched_softc *isc;
636         sbintime_t now, lat;
637         int old;
638
639         isc = clp->softc;
640         now = isc->last_time;
641         if (now < clp->next_steer)
642                 return;
643
644         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
645         switch (clp->type) {
646         case set_max:
647                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
648                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
649                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
650                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
651                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
652                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
653                 break;
654         case read_latency:
655                 old = isc->write_stats.current;
656                 lat = isc->read_stats.ema;
657                 /*
658                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
659                  * the SP (set point) that makes things a little more
660                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
661                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
662                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
663                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
664                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
665                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
666                  * the device which change how responsive read latency will be
667                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
668                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
669                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
670                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
671                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
672                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
673                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
674                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
675                  * seconds before latency drops regardless of the new write
676                  * rate. Careful observation will be required to tune this
677                  * effectively.
678                  *
679                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
680                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
681                  * somewhat arbitrary.
682                  */
683                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
684                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
685                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
686                 else if (lat > clp->hilat)
687                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
688                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
689                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
690
691                 /*
692                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
693                  * those may have changed.
694                  */
695                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
696                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
697                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
698                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
699                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
700                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
701                             old, isc->write_stats.current,
702                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
703                 break;
704         case cl_max:
705                 break;
706         }
707 }
708 #endif
709
710 /*
711  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
712  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
713  */
714 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
715                         /* Callout active, and needs to be torn down */
716 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
717
718                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
719 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
720
721 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
722 static void
723 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
724     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
725 #endif
726
727 static inline bool
728 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
729 {
730         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
731 }
732
733 static inline bool
734 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
735 {
736 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
737         if (do_dynamic_iosched) {
738                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
739                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
740                 bool can_write = wbp != NULL &&
741                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
742                 bool can_read = rbp != NULL &&
743                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
744                 if (iosched_debug > 2) {
745                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
746                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
747                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
748                 }
749                 return can_read || can_write;
750         }
751 #endif
752         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
753 }
754
755 static inline bool
756 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
757 {
758         struct bio *bp;
759
760         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
761 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
762         if (do_dynamic_iosched) {
763                 /*
764                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
765                  * for a bit.
766                  */
767                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
768                         return false;
769         }
770 #endif
771
772         /*
773          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
774          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
775          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
776          */
777         if (isc->trim_goal > 0) {
778                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
779                         return true;
780                 if (isc->queued_trims > 0 &&
781                     isc->trim_ticks > 0 &&
782                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
783                         return true;
784                 return false;
785         }
786
787         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
788         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
789 }
790
791 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
792     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
793
794
795 static inline bool
796 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
797 {
798 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
799         if (iosched_debug > 2)
800                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
801                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
802                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
803 #endif
804
805         return cam_iosched_has_io(isc) ||
806                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
807                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
808 }
809
810 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
811 static void
812 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
813 {
814
815         ios->limiter = none;
816         ios->in = 0;
817         ios->max = ios->current = 300000;
818         ios->min = 1;
819         ios->out = 0;
820         ios->errs = 0;
821         ios->pending = 0;
822         ios->queued = 0;
823         ios->total = 0;
824         ios->ema = 0;
825         ios->emvar = 0;
826         ios->softc = isc;
827         cam_iosched_limiter_init(ios);
828 }
829
830 static int
831 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
832 {
833         char buf[16];
834         struct iop_stats *ios;
835         struct cam_iosched_softc *isc;
836         int value, i, error;
837         const char *p;
838
839         ios = arg1;
840         isc = ios->softc;
841         value = ios->limiter;
842         if (value < none || value >= limiter_max)
843                 p = "UNKNOWN";
844         else
845                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
846
847         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
848         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
849         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
850                 return error;
851
852         cam_periph_lock(isc->periph);
853
854         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
855                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
856                         continue;
857                 ios->limiter = i;
858                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
859                 if (error != 0) {
860                         ios->limiter = value;
861                         cam_periph_unlock(isc->periph);
862                         return error;
863                 }
864                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
865                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
866                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
867
868                 cam_periph_unlock(isc->periph);
869                 return 0;
870         }
871
872         cam_periph_unlock(isc->periph);
873         return EINVAL;
874 }
875
876 static int
877 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
878 {
879         char buf[16];
880         struct control_loop *clp;
881         struct cam_iosched_softc *isc;
882         int value, i, error;
883         const char *p;
884
885         clp = arg1;
886         isc = clp->softc;
887         value = clp->type;
888         if (value < none || value >= cl_max)
889                 p = "UNKNOWN";
890         else
891                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
892
893         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
894         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
895         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
896                 return error;
897
898         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
899                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
900                         continue;
901                 cam_periph_lock(isc->periph);
902                 clp->type = i;
903                 cam_periph_unlock(isc->periph);
904                 return 0;
905         }
906
907         return EINVAL;
908 }
909
910 static int
911 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
912 {
913         char buf[16];
914         sbintime_t value;
915         int error;
916         uint64_t us;
917
918         value = *(sbintime_t *)arg1;
919         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
920         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
921         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
922         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
923                 return error;
924         us = strtoul(buf, NULL, 10);
925         if (us == 0)
926                 return EINVAL;
927         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
928         return 0;
929 }
930
931 static int
932 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
933 {
934         int i, error;
935         struct sbuf sb;
936         uint64_t *latencies;
937
938         latencies = arg1;
939         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
940
941         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
942                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
943         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
944         error = sbuf_finish(&sb);
945         sbuf_delete(&sb);
946
947         return (error);
948 }
949
950 static int
951 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
952 {
953         int *quanta;
954         int error, value;
955
956         quanta = (unsigned *)arg1;
957         value = *quanta;
958
959         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
960         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
961                 return (error);
962
963         if (value < 1 || value > hz)
964                 return (EINVAL);
965
966         *quanta = value;
967
968         return (0);
969 }
970
971 static void
972 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
973 {
974         struct sysctl_oid_list *n;
975         struct sysctl_ctx_list *ctx;
976
977         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
978             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
979             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
980         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
981         ctx = &ios->sysctl_ctx;
982
983         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
984             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
985             &ios->ema,
986             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
987         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
988             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
989             &ios->emvar,
990             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
991
992         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
993             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
994             &ios->pending, 0,
995             "Instantaneous # of pending transactions");
996         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
997             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
998             &ios->total, 0,
999             "# of transactions submitted to hardware");
1000         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1001             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
1002             &ios->queued, 0,
1003             "# of transactions in the queue");
1004         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1005             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
1006             &ios->in, 0,
1007             "# of transactions queued to driver");
1008         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1009             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1010             &ios->out, 0,
1011             "# of transactions completed (including with error)");
1012         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1013             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1014             &ios->errs, 0,
1015             "# of transactions completed with an error");
1016
1017         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1018             OID_AUTO, "limiter",
1019             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1020             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1021             "Current limiting type.");
1022         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1023             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1024             &ios->min, 0,
1025             "min resource");
1026         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1027             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1028             &ios->max, 0,
1029             "max resource");
1030         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1031             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1032             &ios->current, 0,
1033             "current resource");
1034
1035         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1036             OID_AUTO, "latencies",
1037             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1038             &ios->latencies, 0,
1039             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1040             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1041 }
1042
1043 static void
1044 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1045 {
1046         if (ios->sysctl_tree)
1047                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1048                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1049 }
1050
1051 static void
1052 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1053 {
1054         struct sysctl_oid_list *n;
1055         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1056         struct control_loop *clp;
1057
1058         clp = &isc->cl;
1059         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1060             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1061             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1062         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1063         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1064
1065         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1066             OID_AUTO, "type",
1067             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1068             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1069             "Control loop algorithm");
1070         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1071             OID_AUTO, "steer_interval",
1072             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1073             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1074             "How often to steer (in us)");
1075         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1076             OID_AUTO, "lolat",
1077             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1078             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1079             "Low water mark for Latency (in us)");
1080         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1081             OID_AUTO, "hilat",
1082             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1083             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1084             "Hi water mark for Latency (in us)");
1085         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1086             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1087             &clp->alpha, 0,
1088             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1089 }
1090
1091 static void
1092 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1093 {
1094         if (clp->sysctl_tree)
1095                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1096                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1097 }
1098 #endif
1099
1100 /*
1101  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1102  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1103  */
1104 int
1105 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1106 {
1107
1108         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1109         if (*iscp == NULL)
1110                 return ENOMEM;
1111 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1112         if (iosched_debug)
1113                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1114 #endif
1115         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1116         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1117         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1118 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1119         if (do_dynamic_iosched) {
1120                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1121                 (*iscp)->read_bias = 100;
1122                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1123                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1124                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1125                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1126                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1127                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1128                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1129                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1130                 (*iscp)->periph = periph;
1131                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1132                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1133                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1134         }
1135 #endif
1136
1137         return 0;
1138 }
1139
1140 /*
1141  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1142  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1143  */
1144 void
1145 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1146 {
1147         if (isc) {
1148                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1149 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1150                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1151                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1152                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1153                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1154                 if (isc->sysctl_tree)
1155                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1156                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1157                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1158                         callout_drain(&isc->ticker);
1159                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1160                 }
1161 #endif
1162                 free(isc, M_CAMSCHED);
1163         }
1164 }
1165
1166 /*
1167  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1168  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1169  */
1170 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1171     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1172 {
1173         struct sysctl_oid_list *n;
1174
1175         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1176         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1177                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1178                 &isc->sort_io_queue, 0,
1179                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1180         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1181             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1182             &isc->trim_goal, 0,
1183             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1184         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1185             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1186             &isc->trim_goal, 0,
1187             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1188
1189 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1190         if (!do_dynamic_iosched)
1191                 return;
1192
1193         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1194             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1195             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1196         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1197         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1198
1199         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1200         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1201         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1202         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1203
1204         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1205             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1206             &isc->read_bias, 100,
1207             "How biased towards read should we be independent of limits");
1208
1209         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1210             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_NEEDGIANT,
1211             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1212             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1213
1214         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1215             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1216             &isc->total_ticks, 0,
1217             "Total number of ticks we've done");
1218
1219         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1220             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1221             &isc->load, 0,
1222             "scaled load average / 100");
1223
1224         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1225             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1226             &isc->max_lat, 0,
1227             "Latency treshold to trigger callbacks");
1228 #endif
1229 }
1230
1231 void
1232 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1233     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1234 {
1235 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1236         isc->latfcn = fnp;
1237         isc->latarg = argp;
1238 #endif
1239 }
1240
1241 /*
1242  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1243  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1244  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1245  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1246  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1247  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1248  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1249  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1250  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1251  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1252  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1253  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1254  * but no client depends on the ordering being honored.
1255  *
1256  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1257  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1258  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1259  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1260  */
1261
1262 void
1263 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1264 {
1265
1266         isc->trim_goal = goal;
1267 }
1268
1269 void
1270 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1271 {
1272
1273         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1274 }
1275
1276 /*
1277  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1278  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1279  * convenient call.
1280  */
1281 void
1282 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1283 {
1284         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1285         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1286 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1287         if (do_dynamic_iosched)
1288                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1289 #endif
1290 }
1291
1292 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1293 static struct bio *
1294 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1295 {
1296         struct bio *bp;
1297
1298         /*
1299          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1300          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1301          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1302          * amplification when each request is causing more than one write to
1303          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1304          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1305          * compete unfairly.
1306          */
1307         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1308         if (bp == NULL) {
1309                 if (iosched_debug > 3)
1310                         printf("No writes present in write_queue\n");
1311                 return NULL;
1312         }
1313
1314         /*
1315          * If pending read, prefer that based on current read bias
1316          * setting.
1317          */
1318         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1319                 if (iosched_debug)
1320                         printf(
1321                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1322                             "writes %d queued reads %d\n",
1323                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1324                             isc->read_stats.queued);
1325                 isc->current_read_bias--;
1326                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1327                 return NULL;
1328         }
1329
1330         /*
1331          * See if our current limiter allows this I/O.
1332          */
1333         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1334                 if (iosched_debug)
1335                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1336                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1337                 return NULL;
1338         }
1339
1340         /*
1341          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1342          * to schedule the I/O in the SIM.
1343          */
1344         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1345         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1346         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1347                 isc->write_stats.queued--;
1348                 isc->write_stats.total++;
1349                 isc->write_stats.pending++;
1350         }
1351         if (iosched_debug > 9)
1352                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1353         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1354         return bp;
1355 }
1356 #endif
1357
1358 /*
1359  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1360  */
1361 void
1362 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1363 {
1364         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1365         if (isc->queued_trims == 0)
1366                 isc->last_trim_tick = ticks;
1367         isc->queued_trims++;
1368 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1369         isc->trim_stats.queued++;
1370         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1371         isc->trim_stats.pending--;
1372 #endif
1373 }
1374
1375 /*
1376  * gets the next trim from the trim queue.
1377  *
1378  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1379  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1380  * should the need arise.
1381  */
1382 struct bio *
1383 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1384 {
1385         struct bio *bp;
1386
1387         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1388         if (bp == NULL)
1389                 return NULL;
1390         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1391         isc->queued_trims--;
1392         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1393 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1394         isc->trim_stats.queued--;
1395         isc->trim_stats.total++;
1396         isc->trim_stats.pending++;
1397 #endif
1398         return bp;
1399 }
1400
1401 /*
1402  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1403  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1404  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1405  *
1406  * Assumes we're called with the periph lock held.
1407  */
1408 struct bio *
1409 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1410 {
1411 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1412         struct bio *bp;
1413 #endif
1414
1415         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1416                 return NULL;
1417 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1418         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1419         if (bp == NULL)
1420                 return NULL;
1421
1422         /*
1423          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1424          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1425          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1426          */
1427         if (do_dynamic_iosched) {
1428                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1429                         if (iosched_debug)
1430                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1431                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1432                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1433                                     isc->read_stats.queued);
1434                         isc->current_read_bias--;
1435                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1436                         return NULL;
1437                 }
1438                 /*
1439                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1440                  */
1441                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1442         }
1443
1444         /*
1445          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1446          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1447          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1448          * because we want the limits to be from the perspective of the
1449          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1450          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1451          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1452          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1453          */
1454         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1455                 if (iosched_debug)
1456                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1457                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1458                 return NULL;
1459         }
1460         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1461         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1462         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1463 #endif
1464         return cam_iosched_next_trim(isc);
1465 }
1466
1467 /*
1468  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1469  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1470  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1471  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1472  */
1473 struct bio *
1474 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1475 {
1476         struct bio *bp;
1477
1478         /*
1479          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1480          * at a time down, so this takes that into account.
1481          *
1482          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1483          * implement them.
1484          */
1485         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1486                 return bp;
1487
1488 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1489         /*
1490          * See if we have any pending writes, and room in the queue for them,
1491          * and if so, those are next.
1492          */
1493         if (do_dynamic_iosched) {
1494                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1495                         return bp;
1496         }
1497 #endif
1498
1499         /*
1500          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1501          */
1502         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1503                 return NULL;
1504
1505 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1506         /*
1507          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1508          * the limits here. Enforce only for reads.
1509          */
1510         if (do_dynamic_iosched) {
1511                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1512                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1513                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1514                         return NULL;
1515                 }
1516         }
1517         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1518 #endif
1519         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1520 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1521         if (do_dynamic_iosched) {
1522                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1523                         isc->read_stats.queued--;
1524                         isc->read_stats.total++;
1525                         isc->read_stats.pending++;
1526                 } else
1527                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1528         }
1529         if (iosched_debug > 9)
1530                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1531 #endif
1532         return bp;
1533 }
1534
1535 /*
1536  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1537  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1538  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1539  * deferring work for various reasons.
1540  */
1541 void
1542 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1543 {
1544
1545         /*
1546          * A BIO_SPEEDUP from the uppper layers means that they have a block
1547          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1548          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1549          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1550          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1551          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1552          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1553          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1554          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1555          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1556          */
1557         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1558                 off_t len;
1559                 struct bio *nbp;
1560
1561                 len = 0;
1562                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1563                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1564                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1565                         len += nbp->bio_length;
1566                         nbp->bio_error = 0;
1567                         biodone(nbp);
1568                 }
1569                 if (bp->bio_length > 0) {
1570                         if (bp->bio_length > len)
1571                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1572                         else
1573                                 bp->bio_resid = 0;
1574                 }
1575                 bp->bio_error = 0;
1576                 biodone(bp);
1577                 return;
1578         }
1579
1580         /*
1581          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1582          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1583          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1584          */
1585         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1586                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1587
1588         /*
1589          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1590          * queue.
1591          */
1592         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1593                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1594                 if (isc->queued_trims == 0)
1595                         isc->last_trim_tick = ticks;
1596                 isc->queued_trims++;
1597 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1598                 isc->trim_stats.in++;
1599                 isc->trim_stats.queued++;
1600 #endif
1601         }
1602 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1603         else if (do_dynamic_iosched && (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1604                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1605                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1606                 else
1607                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1608                 if (iosched_debug > 9)
1609                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1610                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1611                         isc->write_stats.in++;
1612                         isc->write_stats.queued++;
1613                 }
1614         }
1615 #endif
1616         else {
1617                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1618                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1619                 else
1620                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1621 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1622                 if (iosched_debug > 9)
1623                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1624                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1625                         isc->read_stats.in++;
1626                         isc->read_stats.queued++;
1627                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1628                         isc->write_stats.in++;
1629                         isc->write_stats.queued++;
1630                 }
1631 #endif
1632         }
1633 }
1634
1635 /*
1636  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1637  */
1638 void
1639 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1640 {
1641
1642         if (cam_iosched_has_work(isc))
1643                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1644 }
1645
1646 /*
1647  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1648  */
1649 void
1650 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1651 {
1652
1653         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1654 }
1655
1656 /*
1657  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1658  * might use notes in the ccb for statistics.
1659  */
1660 int
1661 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1662     union ccb *done_ccb)
1663 {
1664         int retval = 0;
1665 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1666         if (!do_dynamic_iosched)
1667                 return retval;
1668
1669         if (iosched_debug > 10)
1670                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1671         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1672                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1673                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1674                         isc->write_stats.errs++;
1675                 isc->write_stats.out++;
1676                 isc->write_stats.pending--;
1677         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1678                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1679                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1680                         isc->read_stats.errs++;
1681                 isc->read_stats.out++;
1682                 isc->read_stats.pending--;
1683         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1684                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1685                         isc->trim_stats.errs++;
1686                 isc->trim_stats.out++;
1687                 isc->trim_stats.pending--;
1688         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1689                 if (iosched_debug)
1690                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1691         }
1692
1693         if (!(bp->bio_flags & BIO_ERROR) && done_ccb != NULL) {
1694                 sbintime_t sim_latency;
1695                 
1696                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1697                 
1698                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1699                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1700                 /*
1701                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1702                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1703                  */
1704                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1705                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1706         }
1707                 
1708 #endif
1709         return retval;
1710 }
1711
1712 /*
1713  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1714  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1715  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1716  */
1717 void
1718 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1719 {
1720
1721         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1722 }
1723
1724 /*
1725  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1726  */
1727 void
1728 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1729 {
1730
1731         isc->sort_io_queue = val;
1732 }
1733
1734 int
1735 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1736 {
1737         return isc->flags & flags;
1738 }
1739
1740 void
1741 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1742 {
1743         isc->flags |= flags;
1744 }
1745
1746 void
1747 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1748 {
1749         isc->flags &= ~flags;
1750 }
1751
1752 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1753 /*
1754  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1755  * Square Roots," reprinted at
1756  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1757  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1758  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1759  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1760  * the result by 2 which after successive application winds up
1761  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1762  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1763  * than that method. This method is also integer size invariant.
1764  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1765  * or equal to the square root.
1766  */
1767 static uint64_t
1768 isqrt64(uint64_t val)
1769 {
1770         uint64_t res = 0;
1771         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1772
1773         /*
1774          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1775          */
1776         while (bit > val)
1777                 bit >>= 2;
1778
1779         /*
1780          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1781          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1782          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1783          * the successive shifts land the bit in the right place
1784          * by the end.
1785          */
1786         while (bit != 0) {
1787                 if (val >= res + bit) {
1788                         val -= res + bit;
1789                         res = (res >> 1) + bit;
1790                 } else
1791                         res >>= 1;
1792                 bit >>= 2;
1793         }
1794
1795         return res;
1796 }
1797
1798 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1799         SBT_1MS <<  0,
1800         SBT_1MS <<  1,
1801         SBT_1MS <<  2,
1802         SBT_1MS <<  3,
1803         SBT_1MS <<  4,
1804         SBT_1MS <<  5,
1805         SBT_1MS <<  6,
1806         SBT_1MS <<  7,
1807         SBT_1MS <<  8,
1808         SBT_1MS <<  9,
1809         SBT_1MS << 10,
1810         SBT_1MS << 11,
1811         SBT_1MS << 12,
1812         SBT_1MS << 13           /* 8.192s */
1813 };
1814
1815 static void
1816 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1817 {
1818         sbintime_t y, deltasq, delta;
1819         int i;
1820
1821         /*
1822          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1823          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1824          */
1825         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1826                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1827                         iop->latencies[i]++;
1828                         break;
1829                 }
1830         }
1831         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1832                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 1024ms values into the last bucket. */
1833
1834         /*
1835          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1836          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1837          * handbook.
1838          *
1839          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1840          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1841          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1842          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1843          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1844          *      = y_t/b - e/b + be/b
1845          *      = (y_t - e + be) / b
1846          *      = (e + d) / b
1847          *
1848          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1849          * division.
1850          *
1851          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1852          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1853          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1854          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1855          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1856          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1857          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1858          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1859          */
1860         /*
1861          * XXX possible numeric issues
1862          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1863          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1864          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1865          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1866          *        few tens of seconds of representation.
1867          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1868          */
1869         y = sim_latency;
1870         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1871         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1872
1873         /*
1874          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1875          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1876          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1877          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1878          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1879          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1880          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1881          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1882          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1883          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1884          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1885          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1886          */
1887         delta >>= 12;
1888         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1889         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1890             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1891             deltasq)                                            /* dd */
1892             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1893         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1894 }
1895
1896 static void
1897 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1898     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1899 {
1900         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1901         switch (cmd) {
1902         case BIO_READ:
1903                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1904                 break;
1905         case BIO_WRITE:
1906                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1907                 break;
1908         case BIO_DELETE:
1909                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1910                 break;
1911         default:
1912                 break;
1913         }
1914 }
1915
1916 #ifdef DDB
1917 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1918 {
1919         int i = 0;
1920         struct bio *bp;
1921
1922         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1923                 i++;
1924         }
1925         return i;
1926 }
1927
1928 /*
1929  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1930  */
1931 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1932 {
1933         struct cam_iosched_softc *isc;
1934
1935         if (!have_addr) {
1936                 db_printf("Need addr\n");
1937                 return;
1938         }
1939         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1940         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1941         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1942         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1943         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1944         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1945         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1946         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1947         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1948         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1949         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1950         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1951         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1952         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1953         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1954         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1955         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1956         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1957         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1958         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1959         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1960         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1961         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
1962         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
1963         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
1964         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
1965         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
1966         db_printf("Trim active?       %s\n",
1967             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
1968 }
1969 #endif
1970 #endif