]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
unbound: Vendor import 1.19.1
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cam / cam_iosched.c
1 /*-
2  * CAM IO Scheduler Interface
3  *
4  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause
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  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
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
21  * FOR 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
30 #include "opt_ddb.h"
31
32 #include <sys/param.h>
33 #include <sys/systm.h>
34 #include <sys/kernel.h>
35 #include <sys/bio.h>
36 #include <sys/lock.h>
37 #include <sys/malloc.h>
38 #include <sys/mutex.h>
39 #include <sys/sbuf.h>
40 #include <sys/sysctl.h>
41
42 #include <cam/cam.h>
43 #include <cam/cam_ccb.h>
44 #include <cam/cam_periph.h>
45 #include <cam/cam_xpt_periph.h>
46 #include <cam/cam_xpt_internal.h>
47 #include <cam/cam_iosched.h>
48
49 #include <ddb/ddb.h>
50
51 static MALLOC_DEFINE(M_CAMSCHED, "CAM I/O Scheduler",
52     "CAM I/O Scheduler buffers");
53
54 static SYSCTL_NODE(_kern_cam, OID_AUTO, iosched, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0,
55     "CAM I/O Scheduler parameters");
56
57 /*
58  * Default I/O scheduler for FreeBSD. This implementation is just a thin-vineer
59  * over the bioq_* interface, with notions of separate calls for normal I/O and
60  * for trims.
61  *
62  * When CAM_IOSCHED_DYNAMIC is defined, the scheduler is enhanced to dynamically
63  * steer the rate of one type of traffic to help other types of traffic (eg
64  * limit writes when read latency deteriorates on SSDs).
65  */
66
67 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
68
69 static bool do_dynamic_iosched = true;
70 SYSCTL_BOOL(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, dynamic, CTLFLAG_RDTUN,
71     &do_dynamic_iosched, 1,
72     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
73
74 /*
75  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
76  *      alpha = 2 / (N + 1)
77  * or
78  *      N = 1 + (2 / alpha)
79  * where N is the number of samples that 86% of the current
80  * EMA is derived from.
81  *
82  * So we invent[*] alpha_bits:
83  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
84  *      alpha = 2^-alpha_bits
85  * So
86  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
87  *
88  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
89  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
90  *
91  * [*] Steal from the load average code and many other places.
92  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
93  */
94 static int alpha_bits = 9;
95 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, alpha_bits, CTLFLAG_RWTUN,
96     &alpha_bits, 1,
97     "Bits in EMA's alpha.");
98
99 /*
100  * Different parameters for the buckets of latency we keep track of. These are all
101  * published read-only since at present they are compile time constants.
102  *
103  * Bucket base is the upper bounds of the first latency bucket. It's currently 20us.
104  * With 20 buckets (see below), that leads to a geometric progression with a max size
105  * of 5.2s which is safeily larger than 1s to help diagnose extreme outliers better.
106  */
107 #ifndef BUCKET_BASE
108 #define BUCKET_BASE ((SBT_1S / 50000) + 1)      /* 20us */
109 #endif
110 static sbintime_t bucket_base = BUCKET_BASE;
111 SYSCTL_SBINTIME_USEC(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, bucket_base_us, CTLFLAG_RD,
112     &bucket_base,
113     "Size of the smallest latency bucket");
114
115 /*
116  * Bucket ratio is the geometric progression for the bucket. For a bucket b_n
117  * the size of bucket b_n+1 is b_n * bucket_ratio / 100.
118  */
119 static int bucket_ratio = 200;  /* Rather hard coded at the moment */
120 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, bucket_ratio, CTLFLAG_RD,
121     &bucket_ratio, 200,
122     "Latency Bucket Ratio for geometric progression.");
123
124 /*
125  * Number of total buckets. Starting at BUCKET_BASE, each one is a power of 2.
126  */
127 #ifndef LAT_BUCKETS
128 #define LAT_BUCKETS 20  /* < 20us < 40us ... < 2^(n-1)*20us >= 2^(n-1)*20us */
129 #endif
130 static int lat_buckets = LAT_BUCKETS;
131 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, buckets, CTLFLAG_RD,
132     &lat_buckets, LAT_BUCKETS,
133     "Total number of latency buckets published");
134
135 /*
136  * Read bias: how many reads do we favor before scheduling a write
137  * when we have a choice.
138  */
139 static int default_read_bias = 0;
140 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, read_bias, CTLFLAG_RWTUN,
141     &default_read_bias, 0,
142     "Default read bias for new devices.");
143
144 struct iop_stats;
145 struct cam_iosched_softc;
146
147 int iosched_debug = 0;
148
149 typedef enum {
150         none = 0,                               /* No limits */
151         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
152         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
153         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
154         limiter_max
155 } io_limiter;
156
157 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
158     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
159
160 /*
161  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
162  * limiter. Called just after the limiter is set.
163  */
164 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
165
166 /*
167  * Called every tick.
168  */
169 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
170
171 /*
172  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
173  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
174  * and makes any accounting of it that's needed.
175  */
176 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
177
178 /*
179  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
180  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
181  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
182  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
183  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
184  */
185 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
186
187 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
188 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
189 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
190
191 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
192 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
193 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
194 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
195
196 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
197 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
198 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
199 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
200
201 struct limswitch {
202         l_init_t        *l_init;
203         l_tick_t        *l_tick;
204         l_iop_t         *l_iop;
205         l_iop_t         *l_caniop;
206         l_iodone_t      *l_iodone;
207 } limsw[] =
208 {
209         {       /* none */
210                 .l_init = NULL,
211                 .l_tick = NULL,
212                 .l_iop = NULL,
213                 .l_iodone= NULL,
214         },
215         {       /* queue_depth */
216                 .l_init = NULL,
217                 .l_tick = NULL,
218                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
219                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
220                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
221         },
222         {       /* iops */
223                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
224                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
225                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
226                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
227                 .l_iodone= NULL,
228         },
229         {       /* bandwidth */
230                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
231                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
232                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
233                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
234                 .l_iodone= NULL,
235         },
236 };
237
238 struct iop_stats {
239         /*
240          * sysctl state for this subnode.
241          */
242         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
243         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
244
245         /*
246          * Information about the current rate limiters, if any
247          */
248         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
249         int             min;            /* Low range of limit */
250         int             max;            /* High range of limit */
251         int             current;        /* Current rate limiter */
252         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
253         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
254
255         /*
256          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
257          * scheduler.
258          */
259         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
260         int             queued;         /* number currently in the queue */
261         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
262         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
263         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
264         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
265
266         /*
267          * Statistics on different bits of the process.
268          */
269                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
270         sbintime_t      ema;
271         sbintime_t      emvar;
272         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
273
274         uint32_t        state_flags;
275 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
276
277         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
278
279         struct cam_iosched_softc *softc;
280 };
281
282 typedef enum {
283         set_max = 0,                    /* current = max */
284         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
285         cl_max                          /* Keep last */
286 } control_type;
287
288 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
289     { "set_max", "read_latency" };
290
291 struct control_loop {
292         /*
293          * sysctl state for this subnode.
294          */
295         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
296         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
297
298         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
299         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
300         sbintime_t      lolat;
301         sbintime_t      hilat;
302         int             alpha;
303         control_type    type;                   /* What type of control? */
304         int             last_count;             /* Last I/O count */
305
306         struct cam_iosched_softc *softc;
307 };
308
309 #endif
310
311 struct cam_iosched_softc {
312         struct bio_queue_head bio_queue;
313         struct bio_queue_head trim_queue;
314                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
315         uint32_t        flags;
316         int             sort_io_queue;
317         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
318         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
319         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
320         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
321 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
322         int             read_bias;              /* Read bias setting */
323         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
324         int             total_ticks;
325         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
326
327         struct bio_queue_head write_queue;
328         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
329         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
330         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
331
332         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
333         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
334         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
335         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
336         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
337         struct control_loop cl;
338         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
339         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
340         void            *latarg;
341 #endif
342 };
343
344 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
345 /*
346  * helper functions to call the limsw functions.
347  */
348 static int
349 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
350 {
351         int lim = ios->limiter;
352
353         /* maybe this should be a kassert */
354         if (lim < none || lim >= limiter_max)
355                 return EINVAL;
356
357         if (limsw[lim].l_init)
358                 return limsw[lim].l_init(ios);
359
360         return 0;
361 }
362
363 static int
364 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
365 {
366         int lim = ios->limiter;
367
368         /* maybe this should be a kassert */
369         if (lim < none || lim >= limiter_max)
370                 return EINVAL;
371
372         if (limsw[lim].l_tick)
373                 return limsw[lim].l_tick(ios);
374
375         return 0;
376 }
377
378 static int
379 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
380 {
381         int lim = ios->limiter;
382
383         /* maybe this should be a kassert */
384         if (lim < none || lim >= limiter_max)
385                 return EINVAL;
386
387         if (limsw[lim].l_iop)
388                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
389
390         return 0;
391 }
392
393 static int
394 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
395 {
396         int lim = ios->limiter;
397
398         /* maybe this should be a kassert */
399         if (lim < none || lim >= limiter_max)
400                 return EINVAL;
401
402         if (limsw[lim].l_caniop)
403                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
404
405         return 0;
406 }
407
408 static int
409 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
410 {
411         int lim = ios->limiter;
412
413         /* maybe this should be a kassert */
414         if (lim < none || lim >= limiter_max)
415                 return 0;
416
417         if (limsw[lim].l_iodone)
418                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
419
420         return 0;
421 }
422
423 /*
424  * Functions to implement the different kinds of limiters
425  */
426
427 static int
428 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
429 {
430
431         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
432                 return 0;
433
434         return EAGAIN;
435 }
436
437 static int
438 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
439 {
440
441         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
442                 return 0;
443
444         return EAGAIN;
445 }
446
447 static int
448 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
449 {
450
451         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
452                 return 0;
453
454         return 1;
455 }
456
457 static int
458 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
459 {
460
461         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
462         if (ios->l_value1 <= 0)
463                 ios->l_value1 = 1;
464         ios->l_value2 = 0;
465
466         return 0;
467 }
468
469 static int
470 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
471 {
472         int new_ios;
473
474         /*
475          * Allow at least one IO per tick until all
476          * the IOs for this interval have been spent.
477          */
478         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
479         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
480                 new_ios = 1;
481                 ios->l_value2++;
482         }
483
484         /*
485          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
486          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
487          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
488          */
489         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
490                 ios->l_value1 = new_ios;
491                 ios->l_value2 = 1;
492         } else {
493                 ios->l_value1 += new_ios;
494         }
495
496         return 0;
497 }
498
499 static int
500 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
501 {
502
503         /*
504          * So if we have any more IOPs left, allow it,
505          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
506          * as unlimited as a failsafe.
507          */
508         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
509                 return EAGAIN;
510         return 0;
511 }
512
513 static int
514 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
515 {
516         int rv;
517
518         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
519         if (rv == 0)
520                 ios->l_value1--;
521
522         return rv;
523 }
524
525 static int
526 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
527 {
528
529         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
530         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
531
532         return 0;
533 }
534
535 static int
536 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
537 {
538         int bw;
539
540         /*
541          * If we're in the hole for available quota from
542          * the last time, then add the quantum for this.
543          * If we have any left over from last quantum,
544          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
545          * is in kB/s, so scale.
546          *
547          * We also allow up to 4 quanta of credits to
548          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
549          * arbitrary.
550          */
551         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
552         if (ios->l_value1 < bw * 4)
553                 ios->l_value1 += bw;
554
555         return 0;
556 }
557
558 static int
559 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
560 {
561         /*
562          * So if we have any more bw quota left, allow it,
563          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
564          * OK. We'll just get a little less next quota.
565          *
566          * Note on going negative: that allows us to process
567          * requests in order better, since we won't allow
568          * shorter reads to get around the long one that we
569          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
570          * starvation by being a little more permissive about
571          * what we let through this quantum (to prevent the
572          * starvation), at the cost of getting a little less
573          * next quantum.
574          *
575          * Also note that if the current limit is <= 0,
576          * we treat it as unlimited as a failsafe.
577          */
578         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
579                 return EAGAIN;
580
581         return 0;
582 }
583
584 static int
585 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
586 {
587         int rv;
588
589         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
590         if (rv == 0)
591                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
592
593         return rv;
594 }
595
596 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
597
598 static void
599 cam_iosched_ticker(void *arg)
600 {
601         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
602         sbintime_t now, delta;
603         int pending;
604
605         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
606
607         now = sbinuptime();
608         delta = now - isc->last_time;
609         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
610         isc->last_time = now;
611
612         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
613
614         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
615         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
616         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
617
618         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
619
620         /*
621          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
622          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
623          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
624          * were slots.
625          *
626          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
627          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
628          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
629          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
630          *
631          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
632          * aren't part of the software queued load (since we could
633          * give them to hardware, but choose not to).
634          *
635          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
636          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
637          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
638          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
639          * so the counts get off.
640          */
641         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
642         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
643             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
644             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
645         pending <<= 16;
646         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
647
648         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
649
650         isc->total_ticks++;
651 }
652
653 static void
654 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
655 {
656
657         clp->next_steer = sbinuptime();
658         clp->softc = isc;
659         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
660         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
661         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
662         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
663         clp->type = set_max;
664 }
665
666 static void
667 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
668 {
669         struct cam_iosched_softc *isc;
670         sbintime_t now, lat;
671         int old;
672
673         isc = clp->softc;
674         now = isc->last_time;
675         if (now < clp->next_steer)
676                 return;
677
678         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
679         switch (clp->type) {
680         case set_max:
681                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
682                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
683                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
684                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
685                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
686                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
687                 break;
688         case read_latency:
689                 old = isc->write_stats.current;
690                 lat = isc->read_stats.ema;
691                 /*
692                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
693                  * the SP (set point) that makes things a little more
694                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
695                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
696                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
697                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
698                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
699                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
700                  * the device which change how responsive read latency will be
701                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
702                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
703                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
704                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
705                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
706                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
707                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
708                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
709                  * seconds before latency drops regardless of the new write
710                  * rate. Careful observation will be required to tune this
711                  * effectively.
712                  *
713                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
714                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
715                  * somewhat arbitrary.
716                  */
717                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
718                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
719                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
720                 else if (lat > clp->hilat)
721                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
722                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
723                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
724
725                 /*
726                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
727                  * those may have changed.
728                  */
729                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
730                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
731                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
732                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
733                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
734                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
735                             old, isc->write_stats.current,
736                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
737                 break;
738         case cl_max:
739                 break;
740         }
741 }
742 #endif
743
744 /*
745  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
746  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
747  */
748 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
749                         /* Callout active, and needs to be torn down */
750 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
751
752                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
753 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
754
755 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
756 static void
757 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
758     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
759 #endif
760
761 static inline bool
762 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
763 {
764         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
765 }
766
767 static inline bool
768 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
769 {
770 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
771         if (do_dynamic_iosched) {
772                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
773                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
774                 bool can_write = wbp != NULL &&
775                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
776                 bool can_read = rbp != NULL &&
777                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
778                 if (iosched_debug > 2) {
779                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
780                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
781                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
782                 }
783                 return can_read || can_write;
784         }
785 #endif
786         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
787 }
788
789 static inline bool
790 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
791 {
792         struct bio *bp;
793
794         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
795 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
796         if (do_dynamic_iosched) {
797                 /*
798                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
799                  * for a bit.
800                  */
801                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
802                         return false;
803         }
804 #endif
805
806         /*
807          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
808          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
809          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
810          */
811         if (isc->trim_goal > 0) {
812                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
813                         return true;
814                 if (isc->queued_trims > 0 &&
815                     isc->trim_ticks > 0 &&
816                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
817                         return true;
818                 return false;
819         }
820
821         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
822         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
823 }
824
825 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
826     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
827
828 static inline bool
829 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
830 {
831 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
832         if (iosched_debug > 2)
833                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
834                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
835                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
836 #endif
837
838         return cam_iosched_has_io(isc) ||
839                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
840                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
841 }
842
843 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
844 static void
845 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
846 {
847
848         ios->limiter = none;
849         ios->in = 0;
850         ios->max = ios->current = 300000;
851         ios->min = 1;
852         ios->out = 0;
853         ios->errs = 0;
854         ios->pending = 0;
855         ios->queued = 0;
856         ios->total = 0;
857         ios->ema = 0;
858         ios->emvar = 0;
859         ios->softc = isc;
860         cam_iosched_limiter_init(ios);
861 }
862
863 static int
864 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
865 {
866         char buf[16];
867         struct iop_stats *ios;
868         struct cam_iosched_softc *isc;
869         int value, i, error;
870         const char *p;
871
872         ios = arg1;
873         isc = ios->softc;
874         value = ios->limiter;
875         if (value < none || value >= limiter_max)
876                 p = "UNKNOWN";
877         else
878                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
879
880         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
881         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
882         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
883                 return error;
884
885         cam_periph_lock(isc->periph);
886
887         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
888                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
889                         continue;
890                 ios->limiter = i;
891                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
892                 if (error != 0) {
893                         ios->limiter = value;
894                         cam_periph_unlock(isc->periph);
895                         return error;
896                 }
897                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
898                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
899                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
900
901                 cam_periph_unlock(isc->periph);
902                 return 0;
903         }
904
905         cam_periph_unlock(isc->periph);
906         return EINVAL;
907 }
908
909 static int
910 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
911 {
912         char buf[16];
913         struct control_loop *clp;
914         struct cam_iosched_softc *isc;
915         int value, i, error;
916         const char *p;
917
918         clp = arg1;
919         isc = clp->softc;
920         value = clp->type;
921         if (value < none || value >= cl_max)
922                 p = "UNKNOWN";
923         else
924                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
925
926         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
927         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
928         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
929                 return error;
930
931         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
932                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
933                         continue;
934                 cam_periph_lock(isc->periph);
935                 clp->type = i;
936                 cam_periph_unlock(isc->periph);
937                 return 0;
938         }
939
940         return EINVAL;
941 }
942
943 static int
944 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
945 {
946         char buf[16];
947         sbintime_t value;
948         int error;
949         uint64_t us;
950
951         value = *(sbintime_t *)arg1;
952         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
953         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
954         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
955         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
956                 return error;
957         us = strtoul(buf, NULL, 10);
958         if (us == 0)
959                 return EINVAL;
960         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
961         return 0;
962 }
963
964 static int
965 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
966 {
967         int i, error;
968         struct sbuf sb;
969         uint64_t *latencies;
970
971         latencies = arg1;
972         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
973
974         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
975                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
976         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
977         error = sbuf_finish(&sb);
978         sbuf_delete(&sb);
979
980         return (error);
981 }
982
983 static int
984 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
985 {
986         int *quanta;
987         int error, value;
988
989         quanta = (unsigned *)arg1;
990         value = *quanta;
991
992         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
993         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
994                 return (error);
995
996         if (value < 1 || value > hz)
997                 return (EINVAL);
998
999         *quanta = value;
1000
1001         return (0);
1002 }
1003
1004 static void
1005 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
1006 {
1007         struct sysctl_oid_list *n;
1008         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1009
1010         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1011             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
1012             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
1013         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
1014         ctx = &ios->sysctl_ctx;
1015
1016         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1017             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
1018             &ios->ema,
1019             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
1020         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1021             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
1022             &ios->emvar,
1023             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
1024
1025         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1026             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
1027             &ios->pending, 0,
1028             "Instantaneous # of pending transactions");
1029         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1030             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
1031             &ios->total, 0,
1032             "# of transactions submitted to hardware");
1033         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1034             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
1035             &ios->queued, 0,
1036             "# of transactions in the queue");
1037         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1038             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
1039             &ios->in, 0,
1040             "# of transactions queued to driver");
1041         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1042             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1043             &ios->out, 0,
1044             "# of transactions completed (including with error)");
1045         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1046             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1047             &ios->errs, 0,
1048             "# of transactions completed with an error");
1049
1050         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1051             OID_AUTO, "limiter",
1052             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1053             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1054             "Current limiting type.");
1055         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1056             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1057             &ios->min, 0,
1058             "min resource");
1059         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1060             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1061             &ios->max, 0,
1062             "max resource");
1063         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1064             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1065             &ios->current, 0,
1066             "current resource");
1067
1068         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1069             OID_AUTO, "latencies",
1070             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
1071             &ios->latencies, 0,
1072             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1073             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1074 }
1075
1076 static void
1077 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1078 {
1079         if (ios->sysctl_tree)
1080                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1081                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1082 }
1083
1084 static void
1085 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1086 {
1087         struct sysctl_oid_list *n;
1088         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1089         struct control_loop *clp;
1090
1091         clp = &isc->cl;
1092         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1093             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1094             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1095         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1096         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1097
1098         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1099             OID_AUTO, "type",
1100             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1101             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1102             "Control loop algorithm");
1103         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1104             OID_AUTO, "steer_interval",
1105             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1106             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1107             "How often to steer (in us)");
1108         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1109             OID_AUTO, "lolat",
1110             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1111             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1112             "Low water mark for Latency (in us)");
1113         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1114             OID_AUTO, "hilat",
1115             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1116             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1117             "Hi water mark for Latency (in us)");
1118         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1119             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1120             &clp->alpha, 0,
1121             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1122 }
1123
1124 static void
1125 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1126 {
1127         if (clp->sysctl_tree)
1128                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1129                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1130 }
1131 #endif
1132
1133 /*
1134  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1135  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1136  */
1137 int
1138 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1139 {
1140
1141         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1142         if (*iscp == NULL)
1143                 return ENOMEM;
1144 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1145         if (iosched_debug)
1146                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1147 #endif
1148         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1149         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1150         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1151 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1152         if (do_dynamic_iosched) {
1153                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1154                 (*iscp)->read_bias = default_read_bias;
1155                 (*iscp)->current_read_bias = 0;
1156                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1157                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1158                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1159                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1160                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1161                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1162                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1163                 (*iscp)->periph = periph;
1164                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1165                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1166                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1167         }
1168 #endif
1169
1170         return 0;
1171 }
1172
1173 /*
1174  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1175  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1176  */
1177 void
1178 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1179 {
1180         if (isc) {
1181                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1182 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1183                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1184                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1185                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1186                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1187                 if (isc->sysctl_tree)
1188                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1189                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1190                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1191                         callout_drain(&isc->ticker);
1192                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1193                 }
1194 #endif
1195                 free(isc, M_CAMSCHED);
1196         }
1197 }
1198
1199 /*
1200  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1201  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1202  */
1203 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1204     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1205 {
1206         struct sysctl_oid_list *n;
1207
1208         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1209         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1210                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1211                 &isc->sort_io_queue, 0,
1212                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1213         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1214             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1215             &isc->trim_goal, 0,
1216             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1217         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1218             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1219             &isc->trim_goal, 0,
1220             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1221
1222 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1223         if (!do_dynamic_iosched)
1224                 return;
1225
1226         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1227             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1228             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1229         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1230         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1231
1232         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1233         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1234         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1235         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1236
1237         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1238             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1239             &isc->read_bias, default_read_bias,
1240             "How biased towards read should we be independent of limits");
1241
1242         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1243             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1244             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1245             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1246
1247         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1248             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1249             &isc->total_ticks, 0,
1250             "Total number of ticks we've done");
1251
1252         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1253             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1254             &isc->load, 0,
1255             "scaled load average / 100");
1256
1257         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1258             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1259             &isc->max_lat, 0,
1260             "Latency treshold to trigger callbacks");
1261 #endif
1262 }
1263
1264 void
1265 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1266     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1267 {
1268 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1269         isc->latfcn = fnp;
1270         isc->latarg = argp;
1271 #endif
1272 }
1273
1274 /*
1275  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1276  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1277  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1278  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1279  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1280  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1281  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1282  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1283  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1284  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1285  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1286  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1287  * but no client depends on the ordering being honored.
1288  *
1289  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1290  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1291  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1292  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1293  */
1294
1295 void
1296 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1297 {
1298
1299         isc->trim_goal = goal;
1300 }
1301
1302 void
1303 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1304 {
1305
1306         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1307 }
1308
1309 /*
1310  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1311  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1312  * convenient call.
1313  */
1314 void
1315 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1316 {
1317         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1318         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1319 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1320         if (do_dynamic_iosched)
1321                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1322 #endif
1323 }
1324
1325 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1326 static struct bio *
1327 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1328 {
1329         struct bio *bp;
1330
1331         /*
1332          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1333          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1334          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1335          * amplification when each request is causing more than one write to
1336          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1337          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1338          * compete unfairly.
1339          */
1340         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1341         if (bp == NULL) {
1342                 if (iosched_debug > 3)
1343                         printf("No writes present in write_queue\n");
1344                 return NULL;
1345         }
1346
1347         /*
1348          * If pending read, prefer that based on current read bias
1349          * setting.
1350          */
1351         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1352                 if (iosched_debug)
1353                         printf(
1354                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1355                             "writes %d queued reads %d\n",
1356                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1357                             isc->read_stats.queued);
1358                 isc->current_read_bias--;
1359                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1360                 return NULL;
1361         }
1362
1363         /*
1364          * See if our current limiter allows this I/O.
1365          */
1366         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1367                 if (iosched_debug)
1368                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1369                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1370                 return NULL;
1371         }
1372
1373         /*
1374          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1375          * to schedule the I/O in the SIM.
1376          */
1377         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1378         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1379         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1380                 isc->write_stats.queued--;
1381                 isc->write_stats.total++;
1382                 isc->write_stats.pending++;
1383         }
1384         if (iosched_debug > 9)
1385                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1386         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1387         return bp;
1388 }
1389 #endif
1390
1391 /*
1392  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1393  */
1394 void
1395 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1396 {
1397         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1398         if (isc->queued_trims == 0)
1399                 isc->last_trim_tick = ticks;
1400         isc->queued_trims++;
1401 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1402         isc->trim_stats.queued++;
1403         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1404         isc->trim_stats.pending--;
1405 #endif
1406 }
1407
1408 /*
1409  * gets the next trim from the trim queue.
1410  *
1411  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1412  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1413  * should the need arise.
1414  */
1415 struct bio *
1416 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1417 {
1418         struct bio *bp;
1419
1420         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1421         if (bp == NULL)
1422                 return NULL;
1423         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1424         isc->queued_trims--;
1425         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1426 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1427         isc->trim_stats.queued--;
1428         isc->trim_stats.total++;
1429         isc->trim_stats.pending++;
1430 #endif
1431         return bp;
1432 }
1433
1434 /*
1435  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1436  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1437  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1438  *
1439  * Assumes we're called with the periph lock held.
1440  */
1441 struct bio *
1442 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1443 {
1444 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1445         struct bio *bp;
1446 #endif
1447
1448         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1449                 return NULL;
1450 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1451         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1452         if (bp == NULL)
1453                 return NULL;
1454
1455         /*
1456          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1457          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1458          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1459          */
1460         if (do_dynamic_iosched) {
1461                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1462                         if (iosched_debug)
1463                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1464                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1465                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1466                                     isc->read_stats.queued);
1467                         isc->current_read_bias--;
1468                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1469                         return NULL;
1470                 }
1471                 /*
1472                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1473                  */
1474                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1475         }
1476
1477         /*
1478          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1479          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1480          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1481          * because we want the limits to be from the perspective of the
1482          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1483          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1484          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1485          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1486          */
1487         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1488                 if (iosched_debug)
1489                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1490                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1491                 return NULL;
1492         }
1493         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1494         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1495         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1496 #endif
1497         return cam_iosched_next_trim(isc);
1498 }
1499
1500
1501 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1502 static struct bio *
1503 bio_next(struct bio *bp)
1504 {
1505         bp = TAILQ_NEXT(bp, bio_queue);
1506         /*
1507          * After the first commands, the ordered bit terminates
1508          * our search because BIO_ORDERED acts like a barrier.
1509          */
1510         if (bp == NULL || bp->bio_flags & BIO_ORDERED)
1511                 return NULL;
1512         return bp;
1513 }
1514
1515 static bool
1516 cam_iosched_rate_limited(struct iop_stats *ios)
1517 {
1518         return ios->state_flags & IOP_RATE_LIMITED;
1519 }
1520 #endif
1521
1522 /*
1523  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1524  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1525  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1526  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1527  */
1528 struct bio *
1529 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1530 {
1531         struct bio *bp;
1532
1533         /*
1534          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1535          * at a time down, so this takes that into account.
1536          *
1537          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1538          * implement them.
1539          */
1540         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1541                 return bp;
1542
1543 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1544         /*
1545          * See if we have any pending writes, room in the queue for them,
1546          * and no pending reads (unless we've scheduled too many).
1547          * if so, those are next.
1548          */
1549         if (do_dynamic_iosched) {
1550                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1551                         return bp;
1552         }
1553 #endif
1554         /*
1555          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1556          */
1557 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1558         if (do_dynamic_iosched) {
1559                 for (bp = bioq_first(&isc->bio_queue); bp != NULL;
1560                      bp = bio_next(bp)) {
1561                         /*
1562                          * For the dynamic scheduler with a read bias, bio_queue
1563                          * is only for reads. However, without one, all
1564                          * operations are queued. Enforce limits here for any
1565                          * operation we find here.
1566                          */
1567                         if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1568                                 if (cam_iosched_rate_limited(&isc->read_stats) ||
1569                                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1570                                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1571                                         continue;
1572                                 }
1573                                 isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1574                         }
1575                         /*
1576                          * There can only be write requests on the queue when
1577                          * the read bias is 0, but we need to process them
1578                          * here. We do not assert for read bias == 0, however,
1579                          * since it is dynamic and we can have WRITE operations
1580                          * in the queue after we transition from 0 to non-zero.
1581                          */
1582                         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1583                                 if (cam_iosched_rate_limited(&isc->write_stats) ||
1584                                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1585                                         isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1586                                         continue;
1587                                 }
1588                                 isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1589                         }
1590                         /*
1591                          * here we know we have a bp that's != NULL, that's not rate limited
1592                          * and can be the next I/O.
1593                          */
1594                         break;
1595                 }
1596         } else
1597 #endif
1598                 bp = bioq_first(&isc->bio_queue);
1599
1600         if (bp == NULL)
1601                 return (NULL);
1602         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1603 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1604         if (do_dynamic_iosched) {
1605                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1606                         isc->read_stats.queued--;
1607                         isc->read_stats.total++;
1608                         isc->read_stats.pending++;
1609                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1610                         isc->write_stats.queued--;
1611                         isc->write_stats.total++;
1612                         isc->write_stats.pending++;
1613                 }
1614         }
1615         if (iosched_debug > 9)
1616                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1617 #endif
1618         return bp;
1619 }
1620
1621 /*
1622  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1623  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1624  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1625  * deferring work for various reasons.
1626  */
1627 void
1628 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1629 {
1630
1631         /*
1632          * A BIO_SPEEDUP from the upper layers means that they have a block
1633          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1634          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1635          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1636          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1637          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1638          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1639          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1640          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1641          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1642          */
1643         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1644                 off_t len;
1645                 struct bio *nbp;
1646
1647                 len = 0;
1648                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1649                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1650                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1651                         len += nbp->bio_length;
1652                         nbp->bio_error = 0;
1653                         biodone(nbp);
1654                 }
1655                 if (bp->bio_length > 0) {
1656                         if (bp->bio_length > len)
1657                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1658                         else
1659                                 bp->bio_resid = 0;
1660                 }
1661                 bp->bio_error = 0;
1662                 biodone(bp);
1663                 return;
1664         }
1665
1666         /*
1667          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1668          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1669          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1670          */
1671         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1672                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1673
1674         /*
1675          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1676          * queue.
1677          */
1678         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1679                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1680                 if (isc->queued_trims == 0)
1681                         isc->last_trim_tick = ticks;
1682                 isc->queued_trims++;
1683 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1684                 isc->trim_stats.in++;
1685                 isc->trim_stats.queued++;
1686 #endif
1687         }
1688 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1689         else if (do_dynamic_iosched && isc->read_bias != 0 &&
1690             (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1691                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1692                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1693                 else
1694                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1695                 if (iosched_debug > 9)
1696                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1697                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1698                         isc->write_stats.in++;
1699                         isc->write_stats.queued++;
1700                 }
1701         }
1702 #endif
1703         else {
1704                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1705                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1706                 else
1707                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1708 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1709                 if (iosched_debug > 9)
1710                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1711                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1712                         isc->read_stats.in++;
1713                         isc->read_stats.queued++;
1714                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1715                         isc->write_stats.in++;
1716                         isc->write_stats.queued++;
1717                 }
1718 #endif
1719         }
1720 }
1721
1722 /*
1723  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1724  */
1725 void
1726 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1727 {
1728
1729         if (cam_iosched_has_work(isc))
1730                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1731 }
1732
1733 /*
1734  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1735  */
1736 void
1737 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1738 {
1739
1740         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1741 }
1742
1743 /*
1744  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1745  * might use notes in the ccb for statistics.
1746  */
1747 int
1748 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1749     union ccb *done_ccb)
1750 {
1751         int retval = 0;
1752 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1753         if (!do_dynamic_iosched)
1754                 return retval;
1755
1756         if (iosched_debug > 10)
1757                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1758         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1759                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1760                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1761                         isc->write_stats.errs++;
1762                 isc->write_stats.out++;
1763                 isc->write_stats.pending--;
1764         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1765                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1766                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1767                         isc->read_stats.errs++;
1768                 isc->read_stats.out++;
1769                 isc->read_stats.pending--;
1770         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1771                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1772                         isc->trim_stats.errs++;
1773                 isc->trim_stats.out++;
1774                 isc->trim_stats.pending--;
1775         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1776                 if (iosched_debug)
1777                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1778         }
1779
1780         if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) == 0 && done_ccb != NULL &&
1781             (done_ccb->ccb_h.status & CAM_QOS_VALID) != 0) {
1782                 sbintime_t sim_latency;
1783                 
1784                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1785                 
1786                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1787                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1788                 /*
1789                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1790                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1791                  */
1792                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1793                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1794         }
1795                 
1796 #endif
1797         return retval;
1798 }
1799
1800 /*
1801  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1802  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1803  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1804  */
1805 void
1806 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1807 {
1808
1809         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1810 }
1811
1812 /*
1813  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1814  */
1815 void
1816 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1817 {
1818
1819         isc->sort_io_queue = val;
1820 }
1821
1822 int
1823 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1824 {
1825         return isc->flags & flags;
1826 }
1827
1828 void
1829 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1830 {
1831         isc->flags |= flags;
1832 }
1833
1834 void
1835 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1836 {
1837         isc->flags &= ~flags;
1838 }
1839
1840 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1841 /*
1842  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1843  * Square Roots," reprinted at
1844  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1845  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1846  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1847  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1848  * the result by 2 which after successive application winds up
1849  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1850  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1851  * than that method. This method is also integer size invariant.
1852  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1853  * or equal to the square root.
1854  */
1855 static uint64_t
1856 isqrt64(uint64_t val)
1857 {
1858         uint64_t res = 0;
1859         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1860
1861         /*
1862          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1863          */
1864         while (bit > val)
1865                 bit >>= 2;
1866
1867         /*
1868          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1869          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1870          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1871          * the successive shifts land the bit in the right place
1872          * by the end.
1873          */
1874         while (bit != 0) {
1875                 if (val >= res + bit) {
1876                         val -= res + bit;
1877                         res = (res >> 1) + bit;
1878                 } else
1879                         res >>= 1;
1880                 bit >>= 2;
1881         }
1882
1883         return res;
1884 }
1885
1886 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1887         BUCKET_BASE <<  0,      /* 20us */
1888         BUCKET_BASE <<  1,
1889         BUCKET_BASE <<  2,
1890         BUCKET_BASE <<  3,
1891         BUCKET_BASE <<  4,
1892         BUCKET_BASE <<  5,
1893         BUCKET_BASE <<  6,
1894         BUCKET_BASE <<  7,
1895         BUCKET_BASE <<  8,
1896         BUCKET_BASE <<  9,
1897         BUCKET_BASE << 10,
1898         BUCKET_BASE << 11,
1899         BUCKET_BASE << 12,
1900         BUCKET_BASE << 13,
1901         BUCKET_BASE << 14,
1902         BUCKET_BASE << 15,
1903         BUCKET_BASE << 16,
1904         BUCKET_BASE << 17,
1905         BUCKET_BASE << 18       /* 5,242,880us */
1906 };
1907
1908 static void
1909 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1910 {
1911         sbintime_t y, deltasq, delta;
1912         int i;
1913
1914         /*
1915          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1916          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1917          */
1918         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1919                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1920                         iop->latencies[i]++;
1921                         break;
1922                 }
1923         }
1924         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1925                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 8192ms values into the last bucket. */
1926
1927         /*
1928          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1929          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1930          * handbook.
1931          *
1932          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1933          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1934          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1935          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1936          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1937          *      = y_t/b - e/b + be/b
1938          *      = (y_t - e + be) / b
1939          *      = (e + d) / b
1940          *
1941          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1942          * division.
1943          *
1944          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1945          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1946          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1947          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1948          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1949          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1950          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1951          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1952          */
1953         /*
1954          * XXX possible numeric issues
1955          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1956          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1957          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1958          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1959          *        few tens of seconds of representation.
1960          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1961          */
1962         y = sim_latency;
1963         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1964         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1965
1966         /*
1967          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1968          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1969          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1970          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1971          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1972          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1973          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1974          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1975          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1976          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1977          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1978          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1979          */
1980         delta >>= 12;
1981         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1982         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1983             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1984             deltasq)                                            /* dd */
1985             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1986         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1987 }
1988
1989 static void
1990 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1991     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1992 {
1993         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1994         switch (cmd) {
1995         case BIO_READ:
1996                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
1997                 break;
1998         case BIO_WRITE:
1999                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
2000                 break;
2001         case BIO_DELETE:
2002                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
2003                 break;
2004         default:
2005                 break;
2006         }
2007 }
2008
2009 #ifdef DDB
2010 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
2011 {
2012         int i = 0;
2013         struct bio *bp;
2014
2015         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
2016                 i++;
2017         }
2018         return i;
2019 }
2020
2021 /*
2022  * Show the internal state of the I/O scheduler.
2023  */
2024 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
2025 {
2026         struct cam_iosched_softc *isc;
2027
2028         if (!have_addr) {
2029                 db_printf("Need addr\n");
2030                 return;
2031         }
2032         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
2033         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
2034         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
2035         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
2036         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
2037         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
2038         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
2039         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
2040         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
2041         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
2042         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
2043         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
2044         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
2045         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
2046         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
2047         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
2048         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
2049         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
2050         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
2051         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
2052         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
2053         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
2054         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
2055         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
2056         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
2057         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
2058         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
2059         db_printf("Trim active?       %s\n",
2060             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
2061 }
2062 #endif
2063 #endif