]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
Merge ^/head r312720 through r312893.
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cam / cam_iosched.c
1 /*-
2  * CAM IO Scheduler Interface
3  *
4  * Copyright (c) 2015 Netflix, Inc.
5  * All rights reserved.
6  *
7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
8  * modification, are permitted provided that the following conditions
9  * are met:
10  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
11  *    notice, this list of conditions, and the following disclaimer,
12  *    without modification, immediately at the beginning of the file.
13  * 2. The name of the author may not be used to endorse or promote products
14  *    derived from this software without specific prior written permission.
15  *
16  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
17  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
18  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
19  * ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR
20  * ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
21  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
22  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
23  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
24  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
25  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
26  * SUCH DAMAGE.
27  *
28  * $FreeBSD$
29  */
30
31 #include "opt_cam.h"
32 #include "opt_ddb.h"
33
34 #include <sys/cdefs.h>
35 __FBSDID("$FreeBSD$");
36
37 #include <sys/param.h>
38
39 #include <sys/systm.h>
40 #include <sys/kernel.h>
41 #include <sys/bio.h>
42 #include <sys/lock.h>
43 #include <sys/malloc.h>
44 #include <sys/mutex.h>
45 #include <sys/sbuf.h>
46 #include <sys/sysctl.h>
47
48 #include <cam/cam.h>
49 #include <cam/cam_ccb.h>
50 #include <cam/cam_periph.h>
51 #include <cam/cam_xpt_periph.h>
52 #include <cam/cam_xpt_internal.h>
53 #include <cam/cam_iosched.h>
54
55 #include <ddb/ddb.h>
56
57 static MALLOC_DEFINE(M_CAMSCHED, "CAM I/O Scheduler",
58     "CAM I/O Scheduler buffers");
59
60 /*
61  * Default I/O scheduler for FreeBSD. This implementation is just a thin-vineer
62  * over the bioq_* interface, with notions of separate calls for normal I/O and
63  * for trims.
64  *
65  * When CAM_IOSCHED_DYNAMIC is defined, the scheduler is enhanced to dynamically
66  * steer the rate of one type of traffic to help other types of traffic (eg
67  * limit writes when read latency deteriorates on SSDs).
68  */
69
70 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
71
72 static int do_dynamic_iosched = 1;
73 TUNABLE_INT("kern.cam.do_dynamic_iosched", &do_dynamic_iosched);
74 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, do_dynamic_iosched, CTLFLAG_RD,
75     &do_dynamic_iosched, 1,
76     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
77
78 /*
79  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
80  *      alpha = 2 / (N + 1)
81  * or
82  *      N = 1 + (2 / alpha)
83  * where N is the number of samples that 86% of the current
84  * EMA is derived from.
85  *
86  * So we invent[*] alpha_bits:
87  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
88  *      alpha = 2^-alpha_bits
89  * So
90  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
91  *
92  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
93  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
94  *
95  * [*] Steal from the load average code and many other places.
96  */
97 static int alpha_bits = 9;
98 TUNABLE_INT("kern.cam.iosched_alpha_bits", &alpha_bits);
99 SYSCTL_INT(_kern_cam, OID_AUTO, iosched_alpha_bits, CTLFLAG_RW,
100     &alpha_bits, 1,
101     "Bits in EMA's alpha.");
102
103 struct iop_stats;
104 struct cam_iosched_softc;
105
106 int iosched_debug = 0;
107
108 typedef enum {
109         none = 0,                               /* No limits */
110         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
111         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
112         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
113         limiter_max
114 } io_limiter;
115
116 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
117     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
118
119 /*
120  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
121  * limiter. Called just after the limiter is set.
122  */
123 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
124
125 /*
126  * Called every tick.
127  */
128 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
129
130 /*
131  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
132  * proceed. If so, the limiter assumes that the while IOP proceeded
133  * and makes any accounting of it that's needed.
134  */
135 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
136
137 /*
138  * Called when an I/O completes so the limiter can updates its
139  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
140  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
141  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
142  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
143  */
144 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
145
146 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
147 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
148 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
149
150 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
151 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
152 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
153 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
154
155 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
156 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
157 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
158 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
159
160 struct limswitch {
161         l_init_t        *l_init;
162         l_tick_t        *l_tick;
163         l_iop_t         *l_iop;
164         l_iop_t         *l_caniop;
165         l_iodone_t      *l_iodone;
166 } limsw[] =
167 {
168         {       /* none */
169                 .l_init = NULL,
170                 .l_tick = NULL,
171                 .l_iop = NULL,
172                 .l_iodone= NULL,
173         },
174         {       /* queue_depth */
175                 .l_init = NULL,
176                 .l_tick = NULL,
177                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
178                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
179                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
180         },
181         {       /* iops */
182                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
183                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
184                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
185                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
186                 .l_iodone= NULL,
187         },
188         {       /* bandwidth */
189                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
190                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
191                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
192                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
193                 .l_iodone= NULL,
194         },
195 };
196
197 struct iop_stats {
198         /*
199          * sysctl state for this subnode.
200          */
201         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
202         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
203
204         /*
205          * Information about the current rate limiters, if any
206          */
207         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
208         int             min;            /* Low range of limit */
209         int             max;            /* High range of limit */
210         int             current;        /* Current rate limiter */
211         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
212         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
213
214         /*
215          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
216          * scheduler.
217          */
218         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
219         int             queued;         /* number currently in the queue */
220         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
221         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
222         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
223
224         /*
225          * Statistics on different bits of the process.
226          */
227                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
228         sbintime_t      ema;
229         sbintime_t      emss;           /* Exp Moving sum of the squares */
230         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
231
232         uint32_t        state_flags;
233 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
234
235 #define LAT_BUCKETS 12                  /* < 1ms < 2ms ... 512ms < 1024ms > 1024ms */
236         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
237
238         struct cam_iosched_softc *softc;
239 };
240
241
242 typedef enum {
243         set_max = 0,                    /* current = max */
244         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
245         cl_max                          /* Keep last */
246 } control_type;
247
248 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
249     { "set_max", "read_latency" };
250
251 struct control_loop {
252         /*
253          * sysctl state for this subnode.
254          */
255         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
256         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
257
258         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
259         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
260         sbintime_t      lolat;
261         sbintime_t      hilat;
262         int             alpha;
263         control_type    type;                   /* What type of control? */
264         int             last_count;             /* Last I/O count */
265
266         struct cam_iosched_softc *softc;
267 };
268
269 #endif
270
271 struct cam_iosched_softc {
272         struct bio_queue_head bio_queue;
273         struct bio_queue_head trim_queue;
274                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
275         uint32_t        flags;
276         int             sort_io_queue;
277 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
278         int             read_bias;              /* Read bias setting */
279         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
280         int             total_ticks;
281         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
282
283         struct bio_queue_head write_queue;
284         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
285         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
286         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
287
288         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
289         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
290         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
291         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
292         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
293         struct control_loop cl;
294 #endif
295 };
296
297 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
298 /*
299  * helper functions to call the limsw functions.
300  */
301 static int
302 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
303 {
304         int lim = ios->limiter;
305
306         /* maybe this should be a kassert */
307         if (lim < none || lim >= limiter_max)
308                 return EINVAL;
309
310         if (limsw[lim].l_init)
311                 return limsw[lim].l_init(ios);
312
313         return 0;
314 }
315
316 static int
317 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
318 {
319         int lim = ios->limiter;
320
321         /* maybe this should be a kassert */
322         if (lim < none || lim >= limiter_max)
323                 return EINVAL;
324
325         if (limsw[lim].l_tick)
326                 return limsw[lim].l_tick(ios);
327
328         return 0;
329 }
330
331 static int
332 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
333 {
334         int lim = ios->limiter;
335
336         /* maybe this should be a kassert */
337         if (lim < none || lim >= limiter_max)
338                 return EINVAL;
339
340         if (limsw[lim].l_iop)
341                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
342
343         return 0;
344 }
345
346 static int
347 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
348 {
349         int lim = ios->limiter;
350
351         /* maybe this should be a kassert */
352         if (lim < none || lim >= limiter_max)
353                 return EINVAL;
354
355         if (limsw[lim].l_caniop)
356                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
357
358         return 0;
359 }
360
361 static int
362 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
363 {
364         int lim = ios->limiter;
365
366         /* maybe this should be a kassert */
367         if (lim < none || lim >= limiter_max)
368                 return 0;
369
370         if (limsw[lim].l_iodone)
371                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
372
373         return 0;
374 }
375
376 /*
377  * Functions to implement the different kinds of limiters
378  */
379
380 static int
381 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
382 {
383
384         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
385                 return 0;
386
387         return EAGAIN;
388 }
389
390 static int
391 cam_iosched_qd_caniop(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_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
402 {
403
404         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
405                 return 0;
406
407         return 1;
408 }
409
410 static int
411 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
412 {
413
414         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
415         if (ios->l_value1 <= 0)
416                 ios->l_value1 = 1;
417
418         return 0;
419 }
420
421 static int
422 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
423 {
424
425         ios->l_value1 = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
426         if (ios->l_value1 <= 0)
427                 ios->l_value1 = 1;
428
429         return 0;
430 }
431
432 static int
433 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
434 {
435
436         /*
437          * So if we have any more IOPs left, allow it,
438          * otherwise wait.
439          */
440         if (ios->l_value1 <= 0)
441                 return EAGAIN;
442         return 0;
443 }
444
445 static int
446 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
447 {
448         int rv;
449
450         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
451         if (rv == 0)
452                 ios->l_value1--;
453
454         return rv;
455 }
456
457 static int
458 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
459 {
460
461         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
462         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
463
464         return 0;
465 }
466
467 static int
468 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
469 {
470         int bw;
471
472         /*
473          * If we're in the hole for available quota from
474          * the last time, then add the quantum for this.
475          * If we have any left over from last quantum,
476          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
477          * is in kB/s, so scale.
478          *
479          * We also allow up to 4 quanta of credits to
480          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
481          * arbitrary.
482          */
483         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
484         if (ios->l_value1 < bw * 4)
485                 ios->l_value1 += bw;
486
487         return 0;
488 }
489
490 static int
491 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
492 {
493         /*
494          * So if we have any more bw quota left, allow it,
495          * otherwise wait. Not, we'll go negative and that's
496          * OK. We'll just get a lettle less next quota.
497          *
498          * Note on going negative: that allows us to process
499          * requests in order better, since we won't allow
500          * shorter reads to get around the long one that we
501          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
502          * starvation by being a little more permissive about
503          * what we let through this quantum (to prevent the
504          * starvation), at the cost of getting a little less
505          * next quantum.
506          */
507         if (ios->l_value1 <= 0)
508                 return EAGAIN;
509
510
511         return 0;
512 }
513
514 static int
515 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
516 {
517         int rv;
518
519         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
520         if (rv == 0)
521                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
522
523         return rv;
524 }
525
526 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
527
528 static void
529 cam_iosched_ticker(void *arg)
530 {
531         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
532         sbintime_t now, delta;
533         int pending;
534
535         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta - 1, cam_iosched_ticker, isc);
536
537         now = sbinuptime();
538         delta = now - isc->last_time;
539         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
540         isc->last_time = now;
541
542         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
543
544         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
545         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
546         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
547
548         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
549
550         /*
551          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
552          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
553          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
554          * were slots.
555          *
556          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
557          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
558          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
559          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
560          *
561          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
562          * aren't part of the software queued load (since we could
563          * give them to hardware, but choose not to).
564          *
565          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
566          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
567          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
568          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
569          * so the counts get off.
570          */
571         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
572         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
573             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
574             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
575         pending <<= 16;
576         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
577
578         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
579
580         isc->total_ticks++;
581 }
582
583
584 static void
585 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
586 {
587
588         clp->next_steer = sbinuptime();
589         clp->softc = isc;
590         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
591         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
592         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
593         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
594         clp->type = set_max;
595 }
596
597 static void
598 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
599 {
600         struct cam_iosched_softc *isc;
601         sbintime_t now, lat;
602         int old;
603
604         isc = clp->softc;
605         now = isc->last_time;
606         if (now < clp->next_steer)
607                 return;
608
609         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
610         switch (clp->type) {
611         case set_max:
612                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
613                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
614                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
615                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
616                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
617                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
618                 break;
619         case read_latency:
620                 old = isc->write_stats.current;
621                 lat = isc->read_stats.ema;
622                 /*
623                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
624                  * the SP (set point) that makes things a little more
625                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
626                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
627                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
628                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
629                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
630                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
631                  * the device which change how responsive read latency will be
632                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
633                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
634                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
635                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
636                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
637                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
638                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
639                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
640                  * seconds before latency drops regardless of the new write
641                  * rate. Careful observation will be reqiured to tune this
642                  * effectively.
643                  *
644                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
645                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
646                  * somewhat arbitrary.
647                  */
648                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
649                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
650                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
651                 else if (lat > clp->hilat)
652                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
653                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
654                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
655
656                 /*
657                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
658                  * those may have changed.
659                  */
660                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
661                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
662                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
663                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
664                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
665                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
666                             old, isc->write_stats.current,
667                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
668                 break;
669         case cl_max:
670                 break;
671         }
672 }
673 #endif
674
675                         /* Trim or similar currently pending completion */
676 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
677                         /* Callout active, and needs to be torn down */
678 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
679
680                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
681 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
682
683 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
684 static void
685 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
686     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
687 #endif
688
689 static inline int
690 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
691 {
692         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
693 }
694
695 static inline int
696 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
697 {
698 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
699         if (do_dynamic_iosched) {
700                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
701                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
702                 int can_write = wbp != NULL &&
703                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
704                 int can_read = rbp != NULL &&
705                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
706                 if (iosched_debug > 2) {
707                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
708                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
709                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
710                 }
711                 return can_read || can_write;
712         }
713 #endif
714         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
715 }
716
717 static inline int
718 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
719 {
720         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) &&
721             bioq_first(&isc->trim_queue);
722 }
723
724 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
725     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
726
727
728 static inline int
729 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
730 {
731 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
732         if (iosched_debug > 2)
733                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
734                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
735                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
736 #endif
737
738         return cam_iosched_has_io(isc) ||
739                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
740                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
741 }
742
743 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
744 static void
745 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
746 {
747
748         ios->limiter = none;
749         cam_iosched_limiter_init(ios);
750         ios->in = 0;
751         ios->max = 300000;
752         ios->min = 1;
753         ios->out = 0;
754         ios->pending = 0;
755         ios->queued = 0;
756         ios->total = 0;
757         ios->ema = 0;
758         ios->emss = 0;
759         ios->sd = 0;
760         ios->softc = isc;
761 }
762
763 static int
764 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
765 {
766         char buf[16];
767         struct iop_stats *ios;
768         struct cam_iosched_softc *isc;
769         int value, i, error;
770         const char *p;
771
772         ios = arg1;
773         isc = ios->softc;
774         value = ios->limiter;
775         if (value < none || value >= limiter_max)
776                 p = "UNKNOWN";
777         else
778                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
779
780         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
781         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
782         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
783                 return error;
784
785         cam_periph_lock(isc->periph);
786
787         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
788                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
789                         continue;
790                 ios->limiter = i;
791                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
792                 if (error != 0) {
793                         ios->limiter = value;
794                         cam_periph_unlock(isc->periph);
795                         return error;
796                 }
797                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
798                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta - 1, cam_iosched_ticker, isc);
799                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
800
801                 cam_periph_unlock(isc->periph);
802                 return 0;
803         }
804
805         cam_periph_unlock(isc->periph);
806         return EINVAL;
807 }
808
809 static int
810 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
811 {
812         char buf[16];
813         struct control_loop *clp;
814         struct cam_iosched_softc *isc;
815         int value, i, error;
816         const char *p;
817
818         clp = arg1;
819         isc = clp->softc;
820         value = clp->type;
821         if (value < none || value >= cl_max)
822                 p = "UNKNOWN";
823         else
824                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
825
826         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
827         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
828         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
829                 return error;
830
831         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
832                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
833                         continue;
834                 cam_periph_lock(isc->periph);
835                 clp->type = i;
836                 cam_periph_unlock(isc->periph);
837                 return 0;
838         }
839
840         return EINVAL;
841 }
842
843 static int
844 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
845 {
846         char buf[16];
847         sbintime_t value;
848         int error;
849         uint64_t us;
850
851         value = *(sbintime_t *)arg1;
852         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
853         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
854         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
855         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
856                 return error;
857         us = strtoul(buf, NULL, 10);
858         if (us == 0)
859                 return EINVAL;
860         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
861         return 0;
862 }
863
864 static int
865 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
866 {
867         int i, error;
868         struct sbuf sb;
869         uint64_t *latencies;
870
871         latencies = arg1;
872         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
873
874         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
875                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
876         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
877         error = sbuf_finish(&sb);
878         sbuf_delete(&sb);
879
880         return (error);
881 }
882
883 static void
884 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
885 {
886         struct sysctl_oid_list *n;
887         struct sysctl_ctx_list *ctx;
888
889         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
890             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
891             CTLFLAG_RD, 0, name);
892         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
893         ctx = &ios->sysctl_ctx;
894
895         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
896             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
897             &ios->ema,
898             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
899         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
900             OID_AUTO, "emss", CTLFLAG_RD,
901             &ios->emss,
902             "Fast Exponentially Weighted Moving Sum of Squares (maybe wrong)");
903         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
904             OID_AUTO, "sd", CTLFLAG_RD,
905             &ios->sd,
906             "Estimated SD for fast ema (may be wrong)");
907
908         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
909             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
910             &ios->pending, 0,
911             "Instantaneous # of pending transactions");
912         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
913             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
914             &ios->total, 0,
915             "# of transactions submitted to hardware");
916         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
917             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
918             &ios->queued, 0,
919             "# of transactions in the queue");
920         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
921             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
922             &ios->in, 0,
923             "# of transactions queued to driver");
924         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
925             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
926             &ios->out, 0,
927             "# of transactions completed");
928
929         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
930             OID_AUTO, "limiter", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
931             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
932             "Current limiting type.");
933         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
934             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
935             &ios->min, 0,
936             "min resource");
937         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
938             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
939             &ios->max, 0,
940             "max resource");
941         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
942             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
943             &ios->current, 0,
944             "current resource");
945
946         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
947             OID_AUTO, "latencies", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD,
948             &ios->latencies, 0,
949             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
950             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
951 }
952
953 static void
954 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
955 {
956         if (ios->sysctl_tree)
957                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
958                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
959 }
960
961 static void
962 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
963 {
964         struct sysctl_oid_list *n;
965         struct sysctl_ctx_list *ctx;
966         struct control_loop *clp;
967
968         clp = &isc->cl;
969         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
970             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
971             CTLFLAG_RD, 0, "Control loop info");
972         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
973         ctx = &clp->sysctl_ctx;
974
975         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
976             OID_AUTO, "type", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
977             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
978             "Control loop algorithm");
979         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
980             OID_AUTO, "steer_interval", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
981             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
982             "How often to steer (in us)");
983         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
984             OID_AUTO, "lolat", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
985             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
986             "Low water mark for Latency (in us)");
987         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
988             OID_AUTO, "hilat", CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW,
989             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
990             "Hi water mark for Latency (in us)");
991         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
992             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
993             &clp->alpha, 0,
994             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
995 }
996
997 static void
998 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
999 {
1000         if (clp->sysctl_tree)
1001                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1002                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1003 }
1004 #endif
1005
1006 /*
1007  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1008  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1009  */
1010 int
1011 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1012 {
1013
1014         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1015         if (*iscp == NULL)
1016                 return ENOMEM;
1017 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1018         if (iosched_debug)
1019                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1020 #endif
1021         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1022         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1023         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1024 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1025         if (do_dynamic_iosched) {
1026                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1027                 (*iscp)->read_bias = 100;
1028                 (*iscp)->current_read_bias = 100;
1029                 (*iscp)->quanta = 200;
1030                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1031                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1032                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1033                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1034                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1035                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1036                 (*iscp)->periph = periph;
1037                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1038                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta - 1, cam_iosched_ticker, *iscp);
1039                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1040         }
1041 #endif
1042
1043         return 0;
1044 }
1045
1046 /*
1047  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1048  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1049  */
1050 void
1051 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1052 {
1053         if (isc) {
1054                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1055 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1056                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1057                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1058                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1059                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1060                 if (isc->sysctl_tree)
1061                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1062                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1063                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1064                         callout_drain(&isc->ticker);
1065                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1066                 }
1067 #endif
1068                 free(isc, M_CAMSCHED);
1069         }
1070 }
1071
1072 /*
1073  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1074  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1075  */
1076 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1077     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1078 {
1079 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1080         struct sysctl_oid_list *n;
1081 #endif
1082
1083         SYSCTL_ADD_INT(ctx, SYSCTL_CHILDREN(node),
1084                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1085                 &isc->sort_io_queue, 0,
1086                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1087
1088 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1089         if (!do_dynamic_iosched)
1090                 return;
1091
1092         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1093             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1094             CTLFLAG_RD, 0, "I/O scheduler statistics");
1095         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1096         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1097
1098         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1099         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1100         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1101         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1102
1103         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1104             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1105             &isc->read_bias, 100,
1106             "How biased towards read should we be independent of limits");
1107
1108         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1109             OID_AUTO, "quanta", CTLFLAG_RW,
1110             &isc->quanta, 200,
1111             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1112
1113         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1114             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1115             &isc->total_ticks, 0,
1116             "Total number of ticks we've done");
1117
1118         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1119             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1120             &isc->load, 0,
1121             "scaled load average / 100");
1122 #endif
1123 }
1124
1125 /*
1126  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1127  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1128  * convenient call.
1129  */
1130 void
1131 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1132 {
1133         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1134         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1135 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1136         if (do_dynamic_iosched)
1137                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1138 #endif
1139 }
1140
1141 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1142 static struct bio *
1143 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1144 {
1145         struct bio *bp;
1146
1147         /*
1148          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1149          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1150          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1151          * amplification when each request is causing more than one write to
1152          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1153          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1154          * compete unfairly.
1155          */
1156         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1157         if (bp == NULL) {
1158                 if (iosched_debug > 3)
1159                         printf("No writes present in write_queue\n");
1160                 return NULL;
1161         }
1162
1163         /*
1164          * If pending read, prefer that based on current read bias
1165          * setting.
1166          */
1167         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1168                 if (iosched_debug)
1169                         printf("Reads present and current_read_bias is %d queued writes %d queued reads %d\n", isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued, isc->read_stats.queued);
1170                 isc->current_read_bias--;
1171                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1172                 return NULL;
1173         }
1174
1175         /*
1176          * See if our current limiter allows this I/O.
1177          */
1178         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1179                 if (iosched_debug)
1180                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1181                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1182                 return NULL;
1183         }
1184
1185         /*
1186          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1187          * to schedule the I/O in the SIM.
1188          */
1189         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1190         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1191         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1192                 isc->write_stats.queued--;
1193                 isc->write_stats.total++;
1194                 isc->write_stats.pending++;
1195         }
1196         if (iosched_debug > 9)
1197                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1198         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1199         return bp;
1200 }
1201 #endif
1202
1203 /*
1204  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1205  */
1206 void
1207 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1208 {
1209         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1210 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1211         isc->trim_stats.queued++;
1212         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1213         isc->trim_stats.pending--;
1214 #endif
1215 }
1216
1217 /*
1218  * gets the next trim from the trim queue.
1219  *
1220  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1221  * trim from the queue and the device must explicitly reinstert it
1222  * should the need arise.
1223  */
1224 struct bio *
1225 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1226 {
1227         struct bio *bp;
1228
1229         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1230         if (bp == NULL)
1231                 return NULL;
1232         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1233 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1234         isc->trim_stats.queued--;
1235         isc->trim_stats.total++;
1236         isc->trim_stats.pending++;
1237 #endif
1238         return bp;
1239 }
1240
1241 /*
1242  * gets the an available trim from the trim queue, if there's no trim
1243  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1244  * must explicitly reinstert it should the need arise.
1245  *
1246  * Assumes we're called with the periph lock held.
1247  */
1248 struct bio *
1249 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1250 {
1251
1252         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1253                 return NULL;
1254
1255         return cam_iosched_next_trim(isc);
1256 }
1257
1258 /*
1259  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1260  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1261  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1262  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1263  */
1264 struct bio *
1265 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1266 {
1267         struct bio *bp;
1268
1269         /*
1270          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1271          * at a time down, so this takes that into account.
1272          *
1273          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1274          * implement them.
1275          */
1276         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1277                 return bp;
1278
1279 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1280         /*
1281          * See if we have any pending writes, and room in the queue for them,
1282          * and if so, those are next.
1283          */
1284         if (do_dynamic_iosched) {
1285                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1286                         return bp;
1287         }
1288 #endif
1289
1290         /*
1291          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1292          */
1293         if ((bp = bioq_first(&isc->bio_queue)) == NULL)
1294                 return NULL;
1295
1296 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1297         /*
1298          * For the dynamic scheduler, bio_queue is only for reads, so enforce
1299          * the limits here. Enforce only for reads.
1300          */
1301         if (do_dynamic_iosched) {
1302                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ &&
1303                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1304                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1305                         return NULL;
1306                 }
1307         }
1308         isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1309 #endif
1310         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1311 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1312         if (do_dynamic_iosched) {
1313                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1314                         isc->read_stats.queued--;
1315                         isc->read_stats.total++;
1316                         isc->read_stats.pending++;
1317                 } else
1318                         printf("Found bio_cmd = %#x\n", bp->bio_cmd);
1319         }
1320         if (iosched_debug > 9)
1321                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1322 #endif
1323         return bp;
1324 }
1325
1326 /*
1327  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1328  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1329  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1330  * deferring work for various reasons.
1331  */
1332 void
1333 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1334 {
1335
1336         /*
1337          * Put all trims on the trim queue sorted, since we know
1338          * that the collapsing code requires this. Otherwise put
1339          * the work on the bio queue.
1340          */
1341         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1342                 bioq_disksort(&isc->trim_queue, bp);
1343 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1344                 isc->trim_stats.in++;
1345                 isc->trim_stats.queued++;
1346 #endif
1347         }
1348 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1349         else if (do_dynamic_iosched &&
1350             (bp->bio_cmd == BIO_WRITE || bp->bio_cmd == BIO_FLUSH)) {
1351                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1352                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1353                 else
1354                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1355                 if (iosched_debug > 9)
1356                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1357                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1358                         isc->write_stats.in++;
1359                         isc->write_stats.queued++;
1360                 }
1361         }
1362 #endif
1363         else {
1364                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1365                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1366                 else
1367                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1368 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1369                 if (iosched_debug > 9)
1370                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1371                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1372                         isc->read_stats.in++;
1373                         isc->read_stats.queued++;
1374                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1375                         isc->write_stats.in++;
1376                         isc->write_stats.queued++;
1377                 }
1378 #endif
1379         }
1380 }
1381
1382 /*
1383  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1384  */
1385 void
1386 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1387 {
1388
1389         if (cam_iosched_has_work(isc))
1390                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1391 }
1392
1393 /*
1394  * Complete a trim request
1395  */
1396 void
1397 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1398 {
1399
1400         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1401 }
1402
1403 /*
1404  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1405  * might use notes in the ccb for statistics.
1406  */
1407 int
1408 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1409     union ccb *done_ccb)
1410 {
1411         int retval = 0;
1412 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1413         if (!do_dynamic_iosched)
1414                 return retval;
1415
1416         if (iosched_debug > 10)
1417                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1418         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1419                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1420                 isc->write_stats.out++;
1421                 isc->write_stats.pending--;
1422         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1423                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1424                 isc->read_stats.out++;
1425                 isc->read_stats.pending--;
1426         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1427                 isc->trim_stats.out++;
1428                 isc->trim_stats.pending--;
1429         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1430                 if (iosched_debug)
1431                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1432         }
1433
1434         if (!(bp->bio_flags & BIO_ERROR))
1435                 cam_iosched_io_metric_update(isc, done_ccb->ccb_h.qos.sim_data,
1436                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1437 #endif
1438         return retval;
1439 }
1440
1441 /*
1442  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1443  * xxx better place for this?
1444  */
1445 void
1446 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1447 {
1448
1449         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1450 }
1451
1452 /*
1453  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1454  */
1455 void
1456 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1457 {
1458
1459         isc->sort_io_queue = val;
1460 }
1461
1462 int
1463 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1464 {
1465         return isc->flags & flags;
1466 }
1467
1468 void
1469 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1470 {
1471         isc->flags |= flags;
1472 }
1473
1474 void
1475 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1476 {
1477         isc->flags &= ~flags;
1478 }
1479
1480 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1481 /*
1482  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1483  * Suqare Roots," reprinted at
1484  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1485  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1486  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1487  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1488  * the result by 2 which after successive application winds up
1489  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1490  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1491  * than that method. This method is also integer size invariant.
1492  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the larget integer less than
1493  * or equal to the square root.
1494  */
1495 static uint64_t
1496 isqrt64(uint64_t val)
1497 {
1498         uint64_t res = 0;
1499         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1500
1501         /*
1502          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1503          */
1504         while (bit > val)
1505                 bit >>= 2;
1506
1507         /*
1508          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1509          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1510          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1511          * the successive shifts land the bit in the right place
1512          * by the end.
1513          */
1514         while (bit != 0) {
1515                 if (val >= res + bit) {
1516                         val -= res + bit;
1517                         res = (res >> 1) + bit;
1518                 } else
1519                         res >>= 1;
1520                 bit >>= 2;
1521         }
1522
1523         return res;
1524 }
1525
1526 /*
1527  * a and b are 32.32 fixed point stored in a 64-bit word.
1528  * Let al and bl be the .32 part of a and b.
1529  * Let ah and bh be the 32 part of a and b.
1530  * R is the radix and is 1 << 32
1531  *
1532  * a * b
1533  * (ah + al / R) * (bh + bl / R)
1534  * ah * bh + (al * bh + ah * bl) / R + al * bl / R^2
1535  *
1536  * After multiplicaiton, we have to renormalize by multiply by
1537  * R, so we wind up with
1538  *      ah * bh * R + al * bh + ah * bl + al * bl / R
1539  * which turns out to be a very nice way to compute this value
1540  * so long as ah and bh are < 65536 there's no loss of high bits
1541  * and the low order bits are below the threshold of caring for
1542  * this application.
1543  */
1544 static uint64_t
1545 mul(uint64_t a, uint64_t b)
1546 {
1547         uint64_t al, ah, bl, bh;
1548         al = a & 0xffffffff;
1549         ah = a >> 32;
1550         bl = b & 0xffffffff;
1551         bh = b >> 32;
1552         return ((ah * bh) << 32) + al * bh + ah * bl + ((al * bl) >> 32);
1553 }
1554
1555 static sbintime_t latencies[] = {
1556         SBT_1MS <<  0,
1557         SBT_1MS <<  1,
1558         SBT_1MS <<  2,
1559         SBT_1MS <<  3,
1560         SBT_1MS <<  4,
1561         SBT_1MS <<  5,
1562         SBT_1MS <<  6,
1563         SBT_1MS <<  7,
1564         SBT_1MS <<  8,
1565         SBT_1MS <<  9,
1566         SBT_1MS << 10
1567 };
1568
1569 static void
1570 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1571 {
1572         sbintime_t y, yy;
1573         uint64_t var;
1574         int i;
1575
1576         /*
1577          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1578          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1579          */
1580         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1581                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1582                         iop->latencies[i]++;
1583                         break;
1584                 }
1585         }
1586         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1587                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 1024ms values into the last bucket. */
1588
1589         /*
1590          * Classic expoentially decaying average with a tiny alpha
1591          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1592          * handbook.
1593          *
1594          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)
1595          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1596          *
1597          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1598          * division.
1599          */
1600         y = sim_latency;
1601         iop->ema = (y + (iop->ema << alpha_bits) - iop->ema) >> alpha_bits;
1602
1603         yy = mul(y, y);
1604         iop->emss = (yy + (iop->emss << alpha_bits) - iop->emss) >> alpha_bits;
1605
1606         /*
1607          * s_1 = sum of data
1608          * s_2 = sum of data * data
1609          * ema ~ mean (or s_1 / N)
1610          * emss ~ s_2 / N
1611          *
1612          * sd = sqrt((N * s_2 - s_1 ^ 2) / (N * (N - 1)))
1613          * sd = sqrt((N * s_2 / N * (N - 1)) - (s_1 ^ 2 / (N * (N - 1))))
1614          *
1615          * N ~ 2 / alpha - 1
1616          * alpha < 1 / 16 (typically much less)
1617          * N > 31 --> N large so N * (N - 1) is approx N * N
1618          *
1619          * substituting and rearranging:
1620          * sd ~ sqrt(s_2 / N - (s_1 / N) ^ 2)
1621          *    ~ sqrt(emss - ema ^ 2);
1622          * which is the formula used here to get a decent estimate of sd which
1623          * we use to detect outliers. Note that when first starting up, it
1624          * takes a while for emss sum of squares estimator to converge on a
1625          * good value.  during this time, it can be less than ema^2. We
1626          * compute a sd of 0 in that case, and ignore outliers.
1627          */
1628         var = iop->emss - mul(iop->ema, iop->ema);
1629         iop->sd = (int64_t)var < 0 ? 0 : isqrt64(var);
1630 }
1631
1632 static void
1633 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1634     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1635 {
1636         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1637         switch (cmd) {
1638         case BIO_READ:
1639                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1640                 break;
1641         case BIO_WRITE:
1642                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
1643                 break;
1644         case BIO_DELETE:
1645                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
1646                 break;
1647         default:
1648                 break;
1649         }
1650 }
1651
1652 #ifdef DDB
1653 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
1654 {
1655         int i = 0;
1656         struct bio *bp;
1657
1658         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
1659                 i++;
1660         }
1661         return i;
1662 }
1663
1664 /*
1665  * Show the internal state of the I/O scheduler.
1666  */
1667 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
1668 {
1669         struct cam_iosched_softc *isc;
1670
1671         if (!have_addr) {
1672                 db_printf("Need addr\n");
1673                 return;
1674         }
1675         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
1676         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
1677         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
1678         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
1679         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
1680         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
1681         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
1682         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
1683         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
1684         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
1685         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
1686         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
1687         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
1688         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
1689         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
1690         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
1691         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->write_queue));
1692         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
1693         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
1694         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
1695         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
1696         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
1697         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
1698         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
1699         db_printf("Current Q len      %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
1700         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
1701         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
1702         db_printf("Trim active?       %s\n",
1703             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
1704 }
1705 #endif
1706 #endif