]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cam/cam_iosched.c
zfs: merge openzfs/zfs@f795e90a1
[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_cam.h"
31 #include "opt_ddb.h"
32
33 #include <sys/cdefs.h>
34 #include <sys/param.h>
35
36 #include <sys/systm.h>
37 #include <sys/kernel.h>
38 #include <sys/bio.h>
39 #include <sys/lock.h>
40 #include <sys/malloc.h>
41 #include <sys/mutex.h>
42 #include <sys/sbuf.h>
43 #include <sys/sysctl.h>
44
45 #include <cam/cam.h>
46 #include <cam/cam_ccb.h>
47 #include <cam/cam_periph.h>
48 #include <cam/cam_xpt_periph.h>
49 #include <cam/cam_xpt_internal.h>
50 #include <cam/cam_iosched.h>
51
52 #include <ddb/ddb.h>
53
54 static MALLOC_DEFINE(M_CAMSCHED, "CAM I/O Scheduler",
55     "CAM I/O Scheduler buffers");
56
57 static SYSCTL_NODE(_kern_cam, OID_AUTO, iosched, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0,
58     "CAM I/O Scheduler parameters");
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 bool do_dynamic_iosched = true;
73 SYSCTL_BOOL(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, dynamic, CTLFLAG_RDTUN,
74     &do_dynamic_iosched, 1,
75     "Enable Dynamic I/O scheduler optimizations.");
76
77 /*
78  * For an EMA, with an alpha of alpha, we know
79  *      alpha = 2 / (N + 1)
80  * or
81  *      N = 1 + (2 / alpha)
82  * where N is the number of samples that 86% of the current
83  * EMA is derived from.
84  *
85  * So we invent[*] alpha_bits:
86  *      alpha_bits = -log_2(alpha)
87  *      alpha = 2^-alpha_bits
88  * So
89  *      N = 1 + 2^(alpha_bits + 1)
90  *
91  * The default 9 gives a 1025 lookback for 86% of the data.
92  * For a brief intro: https://en.wikipedia.org/wiki/Moving_average
93  *
94  * [*] Steal from the load average code and many other places.
95  * Note: See computation of EMA and EMVAR for acceptable ranges of alpha.
96  */
97 static int alpha_bits = 9;
98 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, alpha_bits, CTLFLAG_RWTUN,
99     &alpha_bits, 1,
100     "Bits in EMA's alpha.");
101
102 /*
103  * Different parameters for the buckets of latency we keep track of. These are all
104  * published read-only since at present they are compile time constants.
105  *
106  * Bucket base is the upper bounds of the first latency bucket. It's currently 20us.
107  * With 20 buckets (see below), that leads to a geometric progression with a max size
108  * of 5.2s which is safeily larger than 1s to help diagnose extreme outliers better.
109  */
110 #ifndef BUCKET_BASE
111 #define BUCKET_BASE ((SBT_1S / 50000) + 1)      /* 20us */
112 #endif
113 static sbintime_t bucket_base = BUCKET_BASE;
114 SYSCTL_SBINTIME_USEC(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, bucket_base_us, CTLFLAG_RD,
115     &bucket_base,
116     "Size of the smallest latency bucket");
117
118 /*
119  * Bucket ratio is the geometric progression for the bucket. For a bucket b_n
120  * the size of bucket b_n+1 is b_n * bucket_ratio / 100.
121  */
122 static int bucket_ratio = 200;  /* Rather hard coded at the moment */
123 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, bucket_ratio, CTLFLAG_RD,
124     &bucket_ratio, 200,
125     "Latency Bucket Ratio for geometric progression.");
126
127 /*
128  * Number of total buckets. Starting at BUCKET_BASE, each one is a power of 2.
129  */
130 #ifndef LAT_BUCKETS
131 #define LAT_BUCKETS 20  /* < 20us < 40us ... < 2^(n-1)*20us >= 2^(n-1)*20us */
132 #endif
133 static int lat_buckets = LAT_BUCKETS;
134 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, buckets, CTLFLAG_RD,
135     &lat_buckets, LAT_BUCKETS,
136     "Total number of latency buckets published");
137
138 /*
139  * Read bias: how many reads do we favor before scheduling a write
140  * when we have a choice.
141  */
142 static int default_read_bias = 0;
143 SYSCTL_INT(_kern_cam_iosched, OID_AUTO, read_bias, CTLFLAG_RWTUN,
144     &default_read_bias, 0,
145     "Default read bias for new devices.");
146
147 struct iop_stats;
148 struct cam_iosched_softc;
149
150 int iosched_debug = 0;
151
152 typedef enum {
153         none = 0,                               /* No limits */
154         queue_depth,                    /* Limit how many ops we queue to SIM */
155         iops,                           /* Limit # of IOPS to the drive */
156         bandwidth,                      /* Limit bandwidth to the drive */
157         limiter_max
158 } io_limiter;
159
160 static const char *cam_iosched_limiter_names[] =
161     { "none", "queue_depth", "iops", "bandwidth" };
162
163 /*
164  * Called to initialize the bits of the iop_stats structure relevant to the
165  * limiter. Called just after the limiter is set.
166  */
167 typedef int l_init_t(struct iop_stats *);
168
169 /*
170  * Called every tick.
171  */
172 typedef int l_tick_t(struct iop_stats *);
173
174 /*
175  * Called to see if the limiter thinks this IOP can be allowed to
176  * proceed. If so, the limiter assumes that the IOP proceeded
177  * and makes any accounting of it that's needed.
178  */
179 typedef int l_iop_t(struct iop_stats *, struct bio *);
180
181 /*
182  * Called when an I/O completes so the limiter can update its
183  * accounting. Pending I/Os may complete in any order (even when
184  * sent to the hardware at the same time), so the limiter may not
185  * make any assumptions other than this I/O has completed. If it
186  * returns 1, then xpt_schedule() needs to be called again.
187  */
188 typedef int l_iodone_t(struct iop_stats *, struct bio *);
189
190 static l_iop_t cam_iosched_qd_iop;
191 static l_iop_t cam_iosched_qd_caniop;
192 static l_iodone_t cam_iosched_qd_iodone;
193
194 static l_init_t cam_iosched_iops_init;
195 static l_tick_t cam_iosched_iops_tick;
196 static l_iop_t cam_iosched_iops_caniop;
197 static l_iop_t cam_iosched_iops_iop;
198
199 static l_init_t cam_iosched_bw_init;
200 static l_tick_t cam_iosched_bw_tick;
201 static l_iop_t cam_iosched_bw_caniop;
202 static l_iop_t cam_iosched_bw_iop;
203
204 struct limswitch {
205         l_init_t        *l_init;
206         l_tick_t        *l_tick;
207         l_iop_t         *l_iop;
208         l_iop_t         *l_caniop;
209         l_iodone_t      *l_iodone;
210 } limsw[] =
211 {
212         {       /* none */
213                 .l_init = NULL,
214                 .l_tick = NULL,
215                 .l_iop = NULL,
216                 .l_iodone= NULL,
217         },
218         {       /* queue_depth */
219                 .l_init = NULL,
220                 .l_tick = NULL,
221                 .l_caniop = cam_iosched_qd_caniop,
222                 .l_iop = cam_iosched_qd_iop,
223                 .l_iodone= cam_iosched_qd_iodone,
224         },
225         {       /* iops */
226                 .l_init = cam_iosched_iops_init,
227                 .l_tick = cam_iosched_iops_tick,
228                 .l_caniop = cam_iosched_iops_caniop,
229                 .l_iop = cam_iosched_iops_iop,
230                 .l_iodone= NULL,
231         },
232         {       /* bandwidth */
233                 .l_init = cam_iosched_bw_init,
234                 .l_tick = cam_iosched_bw_tick,
235                 .l_caniop = cam_iosched_bw_caniop,
236                 .l_iop = cam_iosched_bw_iop,
237                 .l_iodone= NULL,
238         },
239 };
240
241 struct iop_stats {
242         /*
243          * sysctl state for this subnode.
244          */
245         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
246         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
247
248         /*
249          * Information about the current rate limiters, if any
250          */
251         io_limiter      limiter;        /* How are I/Os being limited */
252         int             min;            /* Low range of limit */
253         int             max;            /* High range of limit */
254         int             current;        /* Current rate limiter */
255         int             l_value1;       /* per-limiter scratch value 1. */
256         int             l_value2;       /* per-limiter scratch value 2. */
257
258         /*
259          * Debug information about counts of I/Os that have gone through the
260          * scheduler.
261          */
262         int             pending;        /* I/Os pending in the hardware */
263         int             queued;         /* number currently in the queue */
264         int             total;          /* Total for all time -- wraps */
265         int             in;             /* number queued all time -- wraps */
266         int             out;            /* number completed all time -- wraps */
267         int             errs;           /* Number of I/Os completed with error --  wraps */
268
269         /*
270          * Statistics on different bits of the process.
271          */
272                 /* Exp Moving Average, see alpha_bits for more details */
273         sbintime_t      ema;
274         sbintime_t      emvar;
275         sbintime_t      sd;             /* Last computed sd */
276
277         uint32_t        state_flags;
278 #define IOP_RATE_LIMITED                1u
279
280         uint64_t        latencies[LAT_BUCKETS];
281
282         struct cam_iosched_softc *softc;
283 };
284
285 typedef enum {
286         set_max = 0,                    /* current = max */
287         read_latency,                   /* Steer read latency by throttling writes */
288         cl_max                          /* Keep last */
289 } control_type;
290
291 static const char *cam_iosched_control_type_names[] =
292     { "set_max", "read_latency" };
293
294 struct control_loop {
295         /*
296          * sysctl state for this subnode.
297          */
298         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
299         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
300
301         sbintime_t      next_steer;             /* Time of next steer */
302         sbintime_t      steer_interval;         /* How often do we steer? */
303         sbintime_t      lolat;
304         sbintime_t      hilat;
305         int             alpha;
306         control_type    type;                   /* What type of control? */
307         int             last_count;             /* Last I/O count */
308
309         struct cam_iosched_softc *softc;
310 };
311
312 #endif
313
314 struct cam_iosched_softc {
315         struct bio_queue_head bio_queue;
316         struct bio_queue_head trim_queue;
317                                 /* scheduler flags < 16, user flags >= 16 */
318         uint32_t        flags;
319         int             sort_io_queue;
320         int             trim_goal;              /* # of trims to queue before sending */
321         int             trim_ticks;             /* Max ticks to hold trims */
322         int             last_trim_tick;         /* Last 'tick' time ld a trim */
323         int             queued_trims;           /* Number of trims in the queue */
324 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
325         int             read_bias;              /* Read bias setting */
326         int             current_read_bias;      /* Current read bias state */
327         int             total_ticks;
328         int             load;                   /* EMA of 'load average' of disk / 2^16 */
329
330         struct bio_queue_head write_queue;
331         struct iop_stats read_stats, write_stats, trim_stats;
332         struct sysctl_ctx_list  sysctl_ctx;
333         struct sysctl_oid       *sysctl_tree;
334
335         int             quanta;                 /* Number of quanta per second */
336         struct callout  ticker;                 /* Callout for our quota system */
337         struct cam_periph *periph;              /* cam periph associated with this device */
338         uint32_t        this_frac;              /* Fraction of a second (1024ths) for this tick */
339         sbintime_t      last_time;              /* Last time we ticked */
340         struct control_loop cl;
341         sbintime_t      max_lat;                /* when != 0, if iop latency > max_lat, call max_lat_fcn */
342         cam_iosched_latfcn_t    latfcn;
343         void            *latarg;
344 #endif
345 };
346
347 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
348 /*
349  * helper functions to call the limsw functions.
350  */
351 static int
352 cam_iosched_limiter_init(struct iop_stats *ios)
353 {
354         int lim = ios->limiter;
355
356         /* maybe this should be a kassert */
357         if (lim < none || lim >= limiter_max)
358                 return EINVAL;
359
360         if (limsw[lim].l_init)
361                 return limsw[lim].l_init(ios);
362
363         return 0;
364 }
365
366 static int
367 cam_iosched_limiter_tick(struct iop_stats *ios)
368 {
369         int lim = ios->limiter;
370
371         /* maybe this should be a kassert */
372         if (lim < none || lim >= limiter_max)
373                 return EINVAL;
374
375         if (limsw[lim].l_tick)
376                 return limsw[lim].l_tick(ios);
377
378         return 0;
379 }
380
381 static int
382 cam_iosched_limiter_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
383 {
384         int lim = ios->limiter;
385
386         /* maybe this should be a kassert */
387         if (lim < none || lim >= limiter_max)
388                 return EINVAL;
389
390         if (limsw[lim].l_iop)
391                 return limsw[lim].l_iop(ios, bp);
392
393         return 0;
394 }
395
396 static int
397 cam_iosched_limiter_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
398 {
399         int lim = ios->limiter;
400
401         /* maybe this should be a kassert */
402         if (lim < none || lim >= limiter_max)
403                 return EINVAL;
404
405         if (limsw[lim].l_caniop)
406                 return limsw[lim].l_caniop(ios, bp);
407
408         return 0;
409 }
410
411 static int
412 cam_iosched_limiter_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
413 {
414         int lim = ios->limiter;
415
416         /* maybe this should be a kassert */
417         if (lim < none || lim >= limiter_max)
418                 return 0;
419
420         if (limsw[lim].l_iodone)
421                 return limsw[lim].l_iodone(ios, bp);
422
423         return 0;
424 }
425
426 /*
427  * Functions to implement the different kinds of limiters
428  */
429
430 static int
431 cam_iosched_qd_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
432 {
433
434         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
435                 return 0;
436
437         return EAGAIN;
438 }
439
440 static int
441 cam_iosched_qd_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
442 {
443
444         if (ios->current <= 0 || ios->pending < ios->current)
445                 return 0;
446
447         return EAGAIN;
448 }
449
450 static int
451 cam_iosched_qd_iodone(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
452 {
453
454         if (ios->current <= 0 || ios->pending != ios->current)
455                 return 0;
456
457         return 1;
458 }
459
460 static int
461 cam_iosched_iops_init(struct iop_stats *ios)
462 {
463
464         ios->l_value1 = ios->current / ios->softc->quanta;
465         if (ios->l_value1 <= 0)
466                 ios->l_value1 = 1;
467         ios->l_value2 = 0;
468
469         return 0;
470 }
471
472 static int
473 cam_iosched_iops_tick(struct iop_stats *ios)
474 {
475         int new_ios;
476
477         /*
478          * Allow at least one IO per tick until all
479          * the IOs for this interval have been spent.
480          */
481         new_ios = (int)((ios->current * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
482         if (new_ios < 1 && ios->l_value2 < ios->current) {
483                 new_ios = 1;
484                 ios->l_value2++;
485         }
486
487         /*
488          * If this a new accounting interval, discard any "unspent" ios
489          * granted in the previous interval.  Otherwise add the new ios to
490          * the previously granted ones that haven't been spent yet.
491          */
492         if ((ios->softc->total_ticks % ios->softc->quanta) == 0) {
493                 ios->l_value1 = new_ios;
494                 ios->l_value2 = 1;
495         } else {
496                 ios->l_value1 += new_ios;
497         }
498
499         return 0;
500 }
501
502 static int
503 cam_iosched_iops_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
504 {
505
506         /*
507          * So if we have any more IOPs left, allow it,
508          * otherwise wait. If current iops is 0, treat that
509          * as unlimited as a failsafe.
510          */
511         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
512                 return EAGAIN;
513         return 0;
514 }
515
516 static int
517 cam_iosched_iops_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
518 {
519         int rv;
520
521         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
522         if (rv == 0)
523                 ios->l_value1--;
524
525         return rv;
526 }
527
528 static int
529 cam_iosched_bw_init(struct iop_stats *ios)
530 {
531
532         /* ios->current is in kB/s, so scale to bytes */
533         ios->l_value1 = ios->current * 1000 / ios->softc->quanta;
534
535         return 0;
536 }
537
538 static int
539 cam_iosched_bw_tick(struct iop_stats *ios)
540 {
541         int bw;
542
543         /*
544          * If we're in the hole for available quota from
545          * the last time, then add the quantum for this.
546          * If we have any left over from last quantum,
547          * then too bad, that's lost. Also, ios->current
548          * is in kB/s, so scale.
549          *
550          * We also allow up to 4 quanta of credits to
551          * accumulate to deal with burstiness. 4 is extremely
552          * arbitrary.
553          */
554         bw = (int)((ios->current * 1000ull * (uint64_t)ios->softc->this_frac) >> 16);
555         if (ios->l_value1 < bw * 4)
556                 ios->l_value1 += bw;
557
558         return 0;
559 }
560
561 static int
562 cam_iosched_bw_caniop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
563 {
564         /*
565          * So if we have any more bw quota left, allow it,
566          * otherwise wait. Note, we'll go negative and that's
567          * OK. We'll just get a little less next quota.
568          *
569          * Note on going negative: that allows us to process
570          * requests in order better, since we won't allow
571          * shorter reads to get around the long one that we
572          * don't have the quota to do just yet. It also prevents
573          * starvation by being a little more permissive about
574          * what we let through this quantum (to prevent the
575          * starvation), at the cost of getting a little less
576          * next quantum.
577          *
578          * Also note that if the current limit is <= 0,
579          * we treat it as unlimited as a failsafe.
580          */
581         if (ios->current > 0 && ios->l_value1 <= 0)
582                 return EAGAIN;
583
584         return 0;
585 }
586
587 static int
588 cam_iosched_bw_iop(struct iop_stats *ios, struct bio *bp)
589 {
590         int rv;
591
592         rv = cam_iosched_limiter_caniop(ios, bp);
593         if (rv == 0)
594                 ios->l_value1 -= bp->bio_length;
595
596         return rv;
597 }
598
599 static void cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp);
600
601 static void
602 cam_iosched_ticker(void *arg)
603 {
604         struct cam_iosched_softc *isc = arg;
605         sbintime_t now, delta;
606         int pending;
607
608         callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
609
610         now = sbinuptime();
611         delta = now - isc->last_time;
612         isc->this_frac = (uint32_t)delta >> 16;         /* Note: discards seconds -- should be 0 harmless if not */
613         isc->last_time = now;
614
615         cam_iosched_cl_maybe_steer(&isc->cl);
616
617         cam_iosched_limiter_tick(&isc->read_stats);
618         cam_iosched_limiter_tick(&isc->write_stats);
619         cam_iosched_limiter_tick(&isc->trim_stats);
620
621         cam_iosched_schedule(isc, isc->periph);
622
623         /*
624          * isc->load is an EMA of the pending I/Os at each tick. The number of
625          * pending I/Os is the sum of the I/Os queued to the hardware, and those
626          * in the software queue that could be queued to the hardware if there
627          * were slots.
628          *
629          * ios_stats.pending is a count of requests in the SIM right now for
630          * each of these types of I/O. So the total pending count is the sum of
631          * these I/Os and the sum of the queued I/Os still in the software queue
632          * for those operations that aren't being rate limited at the moment.
633          *
634          * The reason for the rate limiting bit is because those I/Os
635          * aren't part of the software queued load (since we could
636          * give them to hardware, but choose not to).
637          *
638          * Note: due to a bug in counting pending TRIM in the device, we
639          * don't include them in this count. We count each BIO_DELETE in
640          * the pending count, but the periph drivers collapse them down
641          * into one TRIM command. That one trim command gets the completion
642          * so the counts get off.
643          */
644         pending = isc->read_stats.pending + isc->write_stats.pending /* + isc->trim_stats.pending */;
645         pending += !!(isc->read_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->read_stats.queued +
646             !!(isc->write_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->write_stats.queued /* +
647             !!(isc->trim_stats.state_flags & IOP_RATE_LIMITED) * isc->trim_stats.queued */ ;
648         pending <<= 16;
649         pending /= isc->periph->path->device->ccbq.total_openings;
650
651         isc->load = (pending + (isc->load << 13) - isc->load) >> 13; /* see above: 13 -> 16139 / 200/s = ~81s ~1 minute */
652
653         isc->total_ticks++;
654 }
655
656 static void
657 cam_iosched_cl_init(struct control_loop *clp, struct cam_iosched_softc *isc)
658 {
659
660         clp->next_steer = sbinuptime();
661         clp->softc = isc;
662         clp->steer_interval = SBT_1S * 5;       /* Let's start out steering every 5s */
663         clp->lolat = 5 * SBT_1MS;
664         clp->hilat = 15 * SBT_1MS;
665         clp->alpha = 20;                        /* Alpha == gain. 20 = .2 */
666         clp->type = set_max;
667 }
668
669 static void
670 cam_iosched_cl_maybe_steer(struct control_loop *clp)
671 {
672         struct cam_iosched_softc *isc;
673         sbintime_t now, lat;
674         int old;
675
676         isc = clp->softc;
677         now = isc->last_time;
678         if (now < clp->next_steer)
679                 return;
680
681         clp->next_steer = now + clp->steer_interval;
682         switch (clp->type) {
683         case set_max:
684                 if (isc->write_stats.current != isc->write_stats.max)
685                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps\n",
686                             isc->write_stats.current, isc->write_stats.max);
687                 isc->read_stats.current = isc->read_stats.max;
688                 isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
689                 isc->trim_stats.current = isc->trim_stats.max;
690                 break;
691         case read_latency:
692                 old = isc->write_stats.current;
693                 lat = isc->read_stats.ema;
694                 /*
695                  * Simple PLL-like engine. Since we're steering to a range for
696                  * the SP (set point) that makes things a little more
697                  * complicated. In addition, we're not directly controlling our
698                  * PV (process variable), the read latency, but instead are
699                  * manipulating the write bandwidth limit for our MV
700                  * (manipulation variable), analysis of this code gets a bit
701                  * messy. Also, the MV is a very noisy control surface for read
702                  * latency since it is affected by many hidden processes inside
703                  * the device which change how responsive read latency will be
704                  * in reaction to changes in write bandwidth. Unlike the classic
705                  * boiler control PLL. this may result in over-steering while
706                  * the SSD takes its time to react to the new, lower load. This
707                  * is why we use a relatively low alpha of between .1 and .25 to
708                  * compensate for this effect. At .1, it takes ~22 steering
709                  * intervals to back off by a factor of 10. At .2 it only takes
710                  * ~10. At .25 it only takes ~8. However some preliminary data
711                  * from the SSD drives suggests a reasponse time in 10's of
712                  * seconds before latency drops regardless of the new write
713                  * rate. Careful observation will be required to tune this
714                  * effectively.
715                  *
716                  * Also, when there's no read traffic, we jack up the write
717                  * limit too regardless of the last read latency.  10 is
718                  * somewhat arbitrary.
719                  */
720                 if (lat < clp->lolat || isc->read_stats.total - clp->last_count < 10)
721                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
722                             (100 + clp->alpha) / 100;   /* Scale up */
723                 else if (lat > clp->hilat)
724                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.current *
725                             (100 - clp->alpha) / 100;   /* Scale down */
726                 clp->last_count = isc->read_stats.total;
727
728                 /*
729                  * Even if we don't steer, per se, enforce the min/max limits as
730                  * those may have changed.
731                  */
732                 if (isc->write_stats.current < isc->write_stats.min)
733                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.min;
734                 if (isc->write_stats.current > isc->write_stats.max)
735                         isc->write_stats.current = isc->write_stats.max;
736                 if (old != isc->write_stats.current &&  iosched_debug)
737                         printf("Steering write from %d kBps to %d kBps due to latency of %jdus\n",
738                             old, isc->write_stats.current,
739                             (uintmax_t)((uint64_t)1000000 * (uint32_t)lat) >> 32);
740                 break;
741         case cl_max:
742                 break;
743         }
744 }
745 #endif
746
747 /*
748  * Trim or similar currently pending completion. Should only be set for
749  * those drivers wishing only one Trim active at a time.
750  */
751 #define CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE    (1ul << 0)
752                         /* Callout active, and needs to be torn down */
753 #define CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE (1ul << 1)
754
755                         /* Periph drivers set these flags to indicate work */
756 #define CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS     ((0xffffu) << 16)
757
758 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
759 static void
760 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
761     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size);
762 #endif
763
764 static inline bool
765 cam_iosched_has_flagged_work(struct cam_iosched_softc *isc)
766 {
767         return !!(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_WORK_FLAGS);
768 }
769
770 static inline bool
771 cam_iosched_has_io(struct cam_iosched_softc *isc)
772 {
773 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
774         if (do_dynamic_iosched) {
775                 struct bio *rbp = bioq_first(&isc->bio_queue);
776                 struct bio *wbp = bioq_first(&isc->write_queue);
777                 bool can_write = wbp != NULL &&
778                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->write_stats, wbp) == 0;
779                 bool can_read = rbp != NULL &&
780                     cam_iosched_limiter_caniop(&isc->read_stats, rbp) == 0;
781                 if (iosched_debug > 2) {
782                         printf("can write %d: pending_writes %d max_writes %d\n", can_write, isc->write_stats.pending, isc->write_stats.max);
783                         printf("can read %d: read_stats.pending %d max_reads %d\n", can_read, isc->read_stats.pending, isc->read_stats.max);
784                         printf("Queued reads %d writes %d\n", isc->read_stats.queued, isc->write_stats.queued);
785                 }
786                 return can_read || can_write;
787         }
788 #endif
789         return bioq_first(&isc->bio_queue) != NULL;
790 }
791
792 static inline bool
793 cam_iosched_has_more_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
794 {
795         struct bio *bp;
796
797         bp = bioq_first(&isc->trim_queue);
798 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
799         if (do_dynamic_iosched) {
800                 /*
801                  * If we're limiting trims, then defer action on trims
802                  * for a bit.
803                  */
804                 if (bp == NULL || cam_iosched_limiter_caniop(&isc->trim_stats, bp) != 0)
805                         return false;
806         }
807 #endif
808
809         /*
810          * If we've set a trim_goal, then if we exceed that allow trims
811          * to be passed back to the driver. If we've also set a tick timeout
812          * allow trims back to the driver. Otherwise, don't allow trims yet.
813          */
814         if (isc->trim_goal > 0) {
815                 if (isc->queued_trims >= isc->trim_goal)
816                         return true;
817                 if (isc->queued_trims > 0 &&
818                     isc->trim_ticks > 0 &&
819                     ticks - isc->last_trim_tick > isc->trim_ticks)
820                         return true;
821                 return false;
822         }
823
824         /* NB: Should perhaps have a max trim active independent of I/O limiters */
825         return !(isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) && bp != NULL;
826 }
827
828 #define cam_iosched_sort_queue(isc)     ((isc)->sort_io_queue >= 0 ?    \
829     (isc)->sort_io_queue : cam_sort_io_queues)
830
831 static inline bool
832 cam_iosched_has_work(struct cam_iosched_softc *isc)
833 {
834 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
835         if (iosched_debug > 2)
836                 printf("has work: %d %d %d\n", cam_iosched_has_io(isc),
837                     cam_iosched_has_more_trim(isc),
838                     cam_iosched_has_flagged_work(isc));
839 #endif
840
841         return cam_iosched_has_io(isc) ||
842                 cam_iosched_has_more_trim(isc) ||
843                 cam_iosched_has_flagged_work(isc);
844 }
845
846 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
847 static void
848 cam_iosched_iop_stats_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios)
849 {
850
851         ios->limiter = none;
852         ios->in = 0;
853         ios->max = ios->current = 300000;
854         ios->min = 1;
855         ios->out = 0;
856         ios->errs = 0;
857         ios->pending = 0;
858         ios->queued = 0;
859         ios->total = 0;
860         ios->ema = 0;
861         ios->emvar = 0;
862         ios->softc = isc;
863         cam_iosched_limiter_init(ios);
864 }
865
866 static int
867 cam_iosched_limiter_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
868 {
869         char buf[16];
870         struct iop_stats *ios;
871         struct cam_iosched_softc *isc;
872         int value, i, error;
873         const char *p;
874
875         ios = arg1;
876         isc = ios->softc;
877         value = ios->limiter;
878         if (value < none || value >= limiter_max)
879                 p = "UNKNOWN";
880         else
881                 p = cam_iosched_limiter_names[value];
882
883         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
884         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
885         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
886                 return error;
887
888         cam_periph_lock(isc->periph);
889
890         for (i = none; i < limiter_max; i++) {
891                 if (strcmp(buf, cam_iosched_limiter_names[i]) != 0)
892                         continue;
893                 ios->limiter = i;
894                 error = cam_iosched_limiter_init(ios);
895                 if (error != 0) {
896                         ios->limiter = value;
897                         cam_periph_unlock(isc->periph);
898                         return error;
899                 }
900                 /* Note: disk load averate requires ticker to be always running */
901                 callout_reset(&isc->ticker, hz / isc->quanta, cam_iosched_ticker, isc);
902                 isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
903
904                 cam_periph_unlock(isc->periph);
905                 return 0;
906         }
907
908         cam_periph_unlock(isc->periph);
909         return EINVAL;
910 }
911
912 static int
913 cam_iosched_control_type_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
914 {
915         char buf[16];
916         struct control_loop *clp;
917         struct cam_iosched_softc *isc;
918         int value, i, error;
919         const char *p;
920
921         clp = arg1;
922         isc = clp->softc;
923         value = clp->type;
924         if (value < none || value >= cl_max)
925                 p = "UNKNOWN";
926         else
927                 p = cam_iosched_control_type_names[value];
928
929         strlcpy(buf, p, sizeof(buf));
930         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
931         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
932                 return error;
933
934         for (i = set_max; i < cl_max; i++) {
935                 if (strcmp(buf, cam_iosched_control_type_names[i]) != 0)
936                         continue;
937                 cam_periph_lock(isc->periph);
938                 clp->type = i;
939                 cam_periph_unlock(isc->periph);
940                 return 0;
941         }
942
943         return EINVAL;
944 }
945
946 static int
947 cam_iosched_sbintime_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
948 {
949         char buf[16];
950         sbintime_t value;
951         int error;
952         uint64_t us;
953
954         value = *(sbintime_t *)arg1;
955         us = (uint64_t)value / SBT_1US;
956         snprintf(buf, sizeof(buf), "%ju", (intmax_t)us);
957         error = sysctl_handle_string(oidp, buf, sizeof(buf), req);
958         if (error != 0 || req->newptr == NULL)
959                 return error;
960         us = strtoul(buf, NULL, 10);
961         if (us == 0)
962                 return EINVAL;
963         *(sbintime_t *)arg1 = us * SBT_1US;
964         return 0;
965 }
966
967 static int
968 cam_iosched_sysctl_latencies(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
969 {
970         int i, error;
971         struct sbuf sb;
972         uint64_t *latencies;
973
974         latencies = arg1;
975         sbuf_new_for_sysctl(&sb, NULL, LAT_BUCKETS * 16, req);
976
977         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++)
978                 sbuf_printf(&sb, "%jd,", (intmax_t)latencies[i]);
979         sbuf_printf(&sb, "%jd", (intmax_t)latencies[LAT_BUCKETS - 1]);
980         error = sbuf_finish(&sb);
981         sbuf_delete(&sb);
982
983         return (error);
984 }
985
986 static int
987 cam_iosched_quanta_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
988 {
989         int *quanta;
990         int error, value;
991
992         quanta = (unsigned *)arg1;
993         value = *quanta;
994
995         error = sysctl_handle_int(oidp, (int *)&value, 0, req);
996         if ((error != 0) || (req->newptr == NULL))
997                 return (error);
998
999         if (value < 1 || value > hz)
1000                 return (EINVAL);
1001
1002         *quanta = value;
1003
1004         return (0);
1005 }
1006
1007 static void
1008 cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc, struct iop_stats *ios, char *name)
1009 {
1010         struct sysctl_oid_list *n;
1011         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1012
1013         ios->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1014             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, name,
1015             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, name);
1016         n = SYSCTL_CHILDREN(ios->sysctl_tree);
1017         ctx = &ios->sysctl_ctx;
1018
1019         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1020             OID_AUTO, "ema", CTLFLAG_RD,
1021             &ios->ema,
1022             "Fast Exponentially Weighted Moving Average");
1023         SYSCTL_ADD_UQUAD(ctx, n,
1024             OID_AUTO, "emvar", CTLFLAG_RD,
1025             &ios->emvar,
1026             "Fast Exponentially Weighted Moving Variance");
1027
1028         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1029             OID_AUTO, "pending", CTLFLAG_RD,
1030             &ios->pending, 0,
1031             "Instantaneous # of pending transactions");
1032         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1033             OID_AUTO, "count", CTLFLAG_RD,
1034             &ios->total, 0,
1035             "# of transactions submitted to hardware");
1036         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1037             OID_AUTO, "queued", CTLFLAG_RD,
1038             &ios->queued, 0,
1039             "# of transactions in the queue");
1040         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1041             OID_AUTO, "in", CTLFLAG_RD,
1042             &ios->in, 0,
1043             "# of transactions queued to driver");
1044         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1045             OID_AUTO, "out", CTLFLAG_RD,
1046             &ios->out, 0,
1047             "# of transactions completed (including with error)");
1048         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1049             OID_AUTO, "errs", CTLFLAG_RD,
1050             &ios->errs, 0,
1051             "# of transactions completed with an error");
1052
1053         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1054             OID_AUTO, "limiter",
1055             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1056             ios, 0, cam_iosched_limiter_sysctl, "A",
1057             "Current limiting type.");
1058         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1059             OID_AUTO, "min", CTLFLAG_RW,
1060             &ios->min, 0,
1061             "min resource");
1062         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1063             OID_AUTO, "max", CTLFLAG_RW,
1064             &ios->max, 0,
1065             "max resource");
1066         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1067             OID_AUTO, "current", CTLFLAG_RW,
1068             &ios->current, 0,
1069             "current resource");
1070
1071         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1072             OID_AUTO, "latencies",
1073             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
1074             &ios->latencies, 0,
1075             cam_iosched_sysctl_latencies, "A",
1076             "Array of power of 2 latency from 1ms to 1.024s");
1077 }
1078
1079 static void
1080 cam_iosched_iop_stats_fini(struct iop_stats *ios)
1081 {
1082         if (ios->sysctl_tree)
1083                 if (sysctl_ctx_free(&ios->sysctl_ctx) != 0)
1084                         printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1085 }
1086
1087 static void
1088 cam_iosched_cl_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc)
1089 {
1090         struct sysctl_oid_list *n;
1091         struct sysctl_ctx_list *ctx;
1092         struct control_loop *clp;
1093
1094         clp = &isc->cl;
1095         clp->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1096             SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree), OID_AUTO, "control",
1097             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "Control loop info");
1098         n = SYSCTL_CHILDREN(clp->sysctl_tree);
1099         ctx = &clp->sysctl_ctx;
1100
1101         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1102             OID_AUTO, "type",
1103             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1104             clp, 0, cam_iosched_control_type_sysctl, "A",
1105             "Control loop algorithm");
1106         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1107             OID_AUTO, "steer_interval",
1108             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1109             &clp->steer_interval, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1110             "How often to steer (in us)");
1111         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1112             OID_AUTO, "lolat",
1113             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1114             &clp->lolat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1115             "Low water mark for Latency (in us)");
1116         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1117             OID_AUTO, "hilat",
1118             CTLTYPE_STRING | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1119             &clp->hilat, 0, cam_iosched_sbintime_sysctl, "A",
1120             "Hi water mark for Latency (in us)");
1121         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1122             OID_AUTO, "alpha", CTLFLAG_RW,
1123             &clp->alpha, 0,
1124             "Alpha for PLL (x100) aka gain");
1125 }
1126
1127 static void
1128 cam_iosched_cl_sysctl_fini(struct control_loop *clp)
1129 {
1130         if (clp->sysctl_tree)
1131                 if (sysctl_ctx_free(&clp->sysctl_ctx) != 0)
1132                         printf("can't remove iosched sysctl control loop context\n");
1133 }
1134 #endif
1135
1136 /*
1137  * Allocate the iosched structure. This also insulates callers from knowing
1138  * sizeof struct cam_iosched_softc.
1139  */
1140 int
1141 cam_iosched_init(struct cam_iosched_softc **iscp, struct cam_periph *periph)
1142 {
1143
1144         *iscp = malloc(sizeof(**iscp), M_CAMSCHED, M_NOWAIT | M_ZERO);
1145         if (*iscp == NULL)
1146                 return ENOMEM;
1147 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1148         if (iosched_debug)
1149                 printf("CAM IOSCHEDULER Allocating entry at %p\n", *iscp);
1150 #endif
1151         (*iscp)->sort_io_queue = -1;
1152         bioq_init(&(*iscp)->bio_queue);
1153         bioq_init(&(*iscp)->trim_queue);
1154 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1155         if (do_dynamic_iosched) {
1156                 bioq_init(&(*iscp)->write_queue);
1157                 (*iscp)->read_bias = default_read_bias;
1158                 (*iscp)->current_read_bias = 0;
1159                 (*iscp)->quanta = min(hz, 200);
1160                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->read_stats);
1161                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->write_stats);
1162                 cam_iosched_iop_stats_init(*iscp, &(*iscp)->trim_stats);
1163                 (*iscp)->trim_stats.max = 1;    /* Trims are special: one at a time for now */
1164                 (*iscp)->last_time = sbinuptime();
1165                 callout_init_mtx(&(*iscp)->ticker, cam_periph_mtx(periph), 0);
1166                 (*iscp)->periph = periph;
1167                 cam_iosched_cl_init(&(*iscp)->cl, *iscp);
1168                 callout_reset(&(*iscp)->ticker, hz / (*iscp)->quanta, cam_iosched_ticker, *iscp);
1169                 (*iscp)->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1170         }
1171 #endif
1172
1173         return 0;
1174 }
1175
1176 /*
1177  * Reclaim all used resources. This assumes that other folks have
1178  * drained the requests in the hardware. Maybe an unwise assumption.
1179  */
1180 void
1181 cam_iosched_fini(struct cam_iosched_softc *isc)
1182 {
1183         if (isc) {
1184                 cam_iosched_flush(isc, NULL, ENXIO);
1185 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1186                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->read_stats);
1187                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->write_stats);
1188                 cam_iosched_iop_stats_fini(&isc->trim_stats);
1189                 cam_iosched_cl_sysctl_fini(&isc->cl);
1190                 if (isc->sysctl_tree)
1191                         if (sysctl_ctx_free(&isc->sysctl_ctx) != 0)
1192                                 printf("can't remove iosched sysctl stats context\n");
1193                 if (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE) {
1194                         callout_drain(&isc->ticker);
1195                         isc->flags &= ~ CAM_IOSCHED_FLAG_CALLOUT_ACTIVE;
1196                 }
1197 #endif
1198                 free(isc, M_CAMSCHED);
1199         }
1200 }
1201
1202 /*
1203  * After we're sure we're attaching a device, go ahead and add
1204  * hooks for any sysctl we may wish to honor.
1205  */
1206 void cam_iosched_sysctl_init(struct cam_iosched_softc *isc,
1207     struct sysctl_ctx_list *ctx, struct sysctl_oid *node)
1208 {
1209         struct sysctl_oid_list *n;
1210
1211         n = SYSCTL_CHILDREN(node);
1212         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1213                 OID_AUTO, "sort_io_queue", CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1214                 &isc->sort_io_queue, 0,
1215                 "Sort IO queue to try and optimise disk access patterns");
1216         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1217             OID_AUTO, "trim_goal", CTLFLAG_RW,
1218             &isc->trim_goal, 0,
1219             "Number of trims to try to accumulate before sending to hardware");
1220         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1221             OID_AUTO, "trim_ticks", CTLFLAG_RW,
1222             &isc->trim_goal, 0,
1223             "IO Schedul qaunta to hold back trims for when accumulating");
1224
1225 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1226         if (!do_dynamic_iosched)
1227                 return;
1228
1229         isc->sysctl_tree = SYSCTL_ADD_NODE(&isc->sysctl_ctx,
1230             SYSCTL_CHILDREN(node), OID_AUTO, "iosched",
1231             CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE, 0, "I/O scheduler statistics");
1232         n = SYSCTL_CHILDREN(isc->sysctl_tree);
1233         ctx = &isc->sysctl_ctx;
1234
1235         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->read_stats, "read");
1236         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->write_stats, "write");
1237         cam_iosched_iop_stats_sysctl_init(isc, &isc->trim_stats, "trim");
1238         cam_iosched_cl_sysctl_init(isc);
1239
1240         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1241             OID_AUTO, "read_bias", CTLFLAG_RW,
1242             &isc->read_bias, default_read_bias,
1243             "How biased towards read should we be independent of limits");
1244
1245         SYSCTL_ADD_PROC(ctx, n,
1246             OID_AUTO, "quanta", CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_RW | CTLFLAG_MPSAFE,
1247             &isc->quanta, 0, cam_iosched_quanta_sysctl, "I",
1248             "How many quanta per second do we slice the I/O up into");
1249
1250         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1251             OID_AUTO, "total_ticks", CTLFLAG_RD,
1252             &isc->total_ticks, 0,
1253             "Total number of ticks we've done");
1254
1255         SYSCTL_ADD_INT(ctx, n,
1256             OID_AUTO, "load", CTLFLAG_RD,
1257             &isc->load, 0,
1258             "scaled load average / 100");
1259
1260         SYSCTL_ADD_U64(ctx, n,
1261             OID_AUTO, "latency_trigger", CTLFLAG_RW,
1262             &isc->max_lat, 0,
1263             "Latency treshold to trigger callbacks");
1264 #endif
1265 }
1266
1267 void
1268 cam_iosched_set_latfcn(struct cam_iosched_softc *isc,
1269     cam_iosched_latfcn_t fnp, void *argp)
1270 {
1271 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1272         isc->latfcn = fnp;
1273         isc->latarg = argp;
1274 #endif
1275 }
1276
1277 /*
1278  * Client drivers can set two parameters. "goal" is the number of BIO_DELETEs
1279  * that will be queued up before iosched will "release" the trims to the client
1280  * driver to wo with what they will (usually combine as many as possible). If we
1281  * don't get this many, after trim_ticks we'll submit the I/O anyway with
1282  * whatever we have.  We do need an I/O of some kind of to clock the deferred
1283  * trims out to disk. Since we will eventually get a write for the super block
1284  * or something before we shutdown, the trims will complete. To be safe, when a
1285  * BIO_FLUSH is presented to the iosched work queue, we set the ticks time far
1286  * enough in the past so we'll present the BIO_DELETEs to the client driver.
1287  * There might be a race if no BIO_DELETESs were queued, a BIO_FLUSH comes in
1288  * and then a BIO_DELETE is sent down. No know client does this, and there's
1289  * already a race between an ordered BIO_FLUSH and any BIO_DELETEs in flight,
1290  * but no client depends on the ordering being honored.
1291  *
1292  * XXX I'm not sure what the interaction between UFS direct BIOs and the BUF
1293  * flushing on shutdown. I think there's bufs that would be dependent on the BIO
1294  * finishing to write out at least metadata, so we'll be fine. To be safe, keep
1295  * the number of ticks low (less than maybe 10s) to avoid shutdown races.
1296  */
1297
1298 void
1299 cam_iosched_set_trim_goal(struct cam_iosched_softc *isc, int goal)
1300 {
1301
1302         isc->trim_goal = goal;
1303 }
1304
1305 void
1306 cam_iosched_set_trim_ticks(struct cam_iosched_softc *isc, int trim_ticks)
1307 {
1308
1309         isc->trim_ticks = trim_ticks;
1310 }
1311
1312 /*
1313  * Flush outstanding I/O. Consumers of this library don't know all the
1314  * queues we may keep, so this allows all I/O to be flushed in one
1315  * convenient call.
1316  */
1317 void
1318 cam_iosched_flush(struct cam_iosched_softc *isc, struct devstat *stp, int err)
1319 {
1320         bioq_flush(&isc->bio_queue, stp, err);
1321         bioq_flush(&isc->trim_queue, stp, err);
1322 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1323         if (do_dynamic_iosched)
1324                 bioq_flush(&isc->write_queue, stp, err);
1325 #endif
1326 }
1327
1328 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1329 static struct bio *
1330 cam_iosched_get_write(struct cam_iosched_softc *isc)
1331 {
1332         struct bio *bp;
1333
1334         /*
1335          * We control the write rate by controlling how many requests we send
1336          * down to the drive at any one time. Fewer requests limits the
1337          * effects of both starvation when the requests take a while and write
1338          * amplification when each request is causing more than one write to
1339          * the NAND media. Limiting the queue depth like this will also limit
1340          * the write throughput and give and reads that want to compete to
1341          * compete unfairly.
1342          */
1343         bp = bioq_first(&isc->write_queue);
1344         if (bp == NULL) {
1345                 if (iosched_debug > 3)
1346                         printf("No writes present in write_queue\n");
1347                 return NULL;
1348         }
1349
1350         /*
1351          * If pending read, prefer that based on current read bias
1352          * setting.
1353          */
1354         if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1355                 if (iosched_debug)
1356                         printf(
1357                             "Reads present and current_read_bias is %d queued "
1358                             "writes %d queued reads %d\n",
1359                             isc->current_read_bias, isc->write_stats.queued,
1360                             isc->read_stats.queued);
1361                 isc->current_read_bias--;
1362                 /* We're not limiting writes, per se, just doing reads first */
1363                 return NULL;
1364         }
1365
1366         /*
1367          * See if our current limiter allows this I/O.
1368          */
1369         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1370                 if (iosched_debug)
1371                         printf("Can't write because limiter says no.\n");
1372                 isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1373                 return NULL;
1374         }
1375
1376         /*
1377          * Let's do this: We've passed all the gates and we're a go
1378          * to schedule the I/O in the SIM.
1379          */
1380         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1381         bioq_remove(&isc->write_queue, bp);
1382         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1383                 isc->write_stats.queued--;
1384                 isc->write_stats.total++;
1385                 isc->write_stats.pending++;
1386         }
1387         if (iosched_debug > 9)
1388                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1389         isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1390         return bp;
1391 }
1392 #endif
1393
1394 /*
1395  * Put back a trim that you weren't able to actually schedule this time.
1396  */
1397 void
1398 cam_iosched_put_back_trim(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1399 {
1400         bioq_insert_head(&isc->trim_queue, bp);
1401         if (isc->queued_trims == 0)
1402                 isc->last_trim_tick = ticks;
1403         isc->queued_trims++;
1404 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1405         isc->trim_stats.queued++;
1406         isc->trim_stats.total--;                /* since we put it back, don't double count */
1407         isc->trim_stats.pending--;
1408 #endif
1409 }
1410
1411 /*
1412  * gets the next trim from the trim queue.
1413  *
1414  * Assumes we're called with the periph lock held.  It removes this
1415  * trim from the queue and the device must explicitly reinsert it
1416  * should the need arise.
1417  */
1418 struct bio *
1419 cam_iosched_next_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1420 {
1421         struct bio *bp;
1422
1423         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1424         if (bp == NULL)
1425                 return NULL;
1426         bioq_remove(&isc->trim_queue, bp);
1427         isc->queued_trims--;
1428         isc->last_trim_tick = ticks;    /* Reset the tick timer when we take trims */
1429 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1430         isc->trim_stats.queued--;
1431         isc->trim_stats.total++;
1432         isc->trim_stats.pending++;
1433 #endif
1434         return bp;
1435 }
1436
1437 /*
1438  * gets an available trim from the trim queue, if there's no trim
1439  * already pending. It removes this trim from the queue and the device
1440  * must explicitly reinsert it should the need arise.
1441  *
1442  * Assumes we're called with the periph lock held.
1443  */
1444 struct bio *
1445 cam_iosched_get_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1446 {
1447 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1448         struct bio *bp;
1449 #endif
1450
1451         if (!cam_iosched_has_more_trim(isc))
1452                 return NULL;
1453 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1454         bp  = bioq_first(&isc->trim_queue);
1455         if (bp == NULL)
1456                 return NULL;
1457
1458         /*
1459          * If pending read, prefer that based on current read bias setting. The
1460          * read bias is shared for both writes and TRIMs, but on TRIMs the bias
1461          * is for a combined TRIM not a single TRIM request that's come in.
1462          */
1463         if (do_dynamic_iosched) {
1464                 if (bioq_first(&isc->bio_queue) && isc->current_read_bias) {
1465                         if (iosched_debug)
1466                                 printf("Reads present and current_read_bias is %d"
1467                                     " queued trims %d queued reads %d\n",
1468                                     isc->current_read_bias, isc->trim_stats.queued,
1469                                     isc->read_stats.queued);
1470                         isc->current_read_bias--;
1471                         /* We're not limiting TRIMS, per se, just doing reads first */
1472                         return NULL;
1473                 }
1474                 /*
1475                  * We're going to do a trim, so reset the bias.
1476                  */
1477                 isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1478         }
1479
1480         /*
1481          * See if our current limiter allows this I/O. Because we only call this
1482          * here, and not in next_trim, the 'bandwidth' limits for trims won't
1483          * work, while the iops or max queued limits will work. It's tricky
1484          * because we want the limits to be from the perspective of the
1485          * "commands sent to the device." To make iops work, we need to check
1486          * only here (since we want all the ops we combine to count as one). To
1487          * make bw limits work, we'd need to check in next_trim, but that would
1488          * have the effect of limiting the iops as seen from the upper layers.
1489          */
1490         if (cam_iosched_limiter_iop(&isc->trim_stats, bp) != 0) {
1491                 if (iosched_debug)
1492                         printf("Can't trim because limiter says no.\n");
1493                 isc->trim_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1494                 return NULL;
1495         }
1496         isc->current_read_bias = isc->read_bias;
1497         isc->trim_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1498         /* cam_iosched_next_trim below keeps proper book */
1499 #endif
1500         return cam_iosched_next_trim(isc);
1501 }
1502
1503
1504 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1505 static struct bio *
1506 bio_next(struct bio *bp)
1507 {
1508         bp = TAILQ_NEXT(bp, bio_queue);
1509         /*
1510          * After the first commands, the ordered bit terminates
1511          * our search because BIO_ORDERED acts like a barrier.
1512          */
1513         if (bp == NULL || bp->bio_flags & BIO_ORDERED)
1514                 return NULL;
1515         return bp;
1516 }
1517
1518 static bool
1519 cam_iosched_rate_limited(struct iop_stats *ios)
1520 {
1521         return ios->state_flags & IOP_RATE_LIMITED;
1522 }
1523 #endif
1524
1525 /*
1526  * Determine what the next bit of work to do is for the periph. The
1527  * default implementation looks to see if we have trims to do, but no
1528  * trims outstanding. If so, we do that. Otherwise we see if we have
1529  * other work. If we do, then we do that. Otherwise why were we called?
1530  */
1531 struct bio *
1532 cam_iosched_next_bio(struct cam_iosched_softc *isc)
1533 {
1534         struct bio *bp;
1535
1536         /*
1537          * See if we have a trim that can be scheduled. We can only send one
1538          * at a time down, so this takes that into account.
1539          *
1540          * XXX newer TRIM commands are queueable. Revisit this when we
1541          * implement them.
1542          */
1543         if ((bp = cam_iosched_get_trim(isc)) != NULL)
1544                 return bp;
1545
1546 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1547         /*
1548          * See if we have any pending writes, room in the queue for them,
1549          * and no pending reads (unless we've scheduled too many).
1550          * if so, those are next.
1551          */
1552         if (do_dynamic_iosched) {
1553                 if ((bp = cam_iosched_get_write(isc)) != NULL)
1554                         return bp;
1555         }
1556 #endif
1557         /*
1558          * next, see if there's other, normal I/O waiting. If so return that.
1559          */
1560 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1561         if (do_dynamic_iosched) {
1562                 for (bp = bioq_first(&isc->bio_queue); bp != NULL;
1563                      bp = bio_next(bp)) {
1564                         /*
1565                          * For the dynamic scheduler with a read bias, bio_queue
1566                          * is only for reads. However, without one, all
1567                          * operations are queued. Enforce limits here for any
1568                          * operation we find here.
1569                          */
1570                         if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1571                                 if (cam_iosched_rate_limited(&isc->read_stats) ||
1572                                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->read_stats, bp) != 0) {
1573                                         isc->read_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1574                                         continue;
1575                                 }
1576                                 isc->read_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1577                         }
1578                         /*
1579                          * There can only be write requests on the queue when
1580                          * the read bias is 0, but we need to process them
1581                          * here. We do not assert for read bias == 0, however,
1582                          * since it is dynamic and we can have WRITE operations
1583                          * in the queue after we transition from 0 to non-zero.
1584                          */
1585                         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1586                                 if (cam_iosched_rate_limited(&isc->write_stats) ||
1587                                     cam_iosched_limiter_iop(&isc->write_stats, bp) != 0) {
1588                                         isc->write_stats.state_flags |= IOP_RATE_LIMITED;
1589                                         continue;
1590                                 }
1591                                 isc->write_stats.state_flags &= ~IOP_RATE_LIMITED;
1592                         }
1593                         /*
1594                          * here we know we have a bp that's != NULL, that's not rate limited
1595                          * and can be the next I/O.
1596                          */
1597                         break;
1598                 }
1599         } else
1600 #endif
1601                 bp = bioq_first(&isc->bio_queue);
1602
1603         if (bp == NULL)
1604                 return (NULL);
1605         bioq_remove(&isc->bio_queue, bp);
1606 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1607         if (do_dynamic_iosched) {
1608                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1609                         isc->read_stats.queued--;
1610                         isc->read_stats.total++;
1611                         isc->read_stats.pending++;
1612                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1613                         isc->write_stats.queued--;
1614                         isc->write_stats.total++;
1615                         isc->write_stats.pending++;
1616                 }
1617         }
1618         if (iosched_debug > 9)
1619                 printf("HWQ : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1620 #endif
1621         return bp;
1622 }
1623
1624 /*
1625  * Driver has been given some work to do by the block layer. Tell the
1626  * scheduler about it and have it queue the work up. The scheduler module
1627  * will then return the currently most useful bit of work later, possibly
1628  * deferring work for various reasons.
1629  */
1630 void
1631 cam_iosched_queue_work(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp)
1632 {
1633
1634         /*
1635          * A BIO_SPEEDUP from the upper layers means that they have a block
1636          * shortage. At the present, this is only sent when we're trying to
1637          * allocate blocks, but have a shortage before giving up. bio_length is
1638          * the size of their shortage. We will complete just enough BIO_DELETEs
1639          * in the queue to satisfy the need. If bio_length is 0, we'll complete
1640          * them all. This allows the scheduler to delay BIO_DELETEs to improve
1641          * read/write performance without worrying about the upper layers. When
1642          * it's possibly a problem, we respond by pretending the BIO_DELETEs
1643          * just worked. We can't do anything about the BIO_DELETEs in the
1644          * hardware, though. We have to wait for them to complete.
1645          */
1646         if (bp->bio_cmd == BIO_SPEEDUP) {
1647                 off_t len;
1648                 struct bio *nbp;
1649
1650                 len = 0;
1651                 while (bioq_first(&isc->trim_queue) &&
1652                     (bp->bio_length == 0 || len < bp->bio_length)) {
1653                         nbp = bioq_takefirst(&isc->trim_queue);
1654                         len += nbp->bio_length;
1655                         nbp->bio_error = 0;
1656                         biodone(nbp);
1657                 }
1658                 if (bp->bio_length > 0) {
1659                         if (bp->bio_length > len)
1660                                 bp->bio_resid = bp->bio_length - len;
1661                         else
1662                                 bp->bio_resid = 0;
1663                 }
1664                 bp->bio_error = 0;
1665                 biodone(bp);
1666                 return;
1667         }
1668
1669         /*
1670          * If we get a BIO_FLUSH, and we're doing delayed BIO_DELETEs then we
1671          * set the last tick time to one less than the current ticks minus the
1672          * delay to force the BIO_DELETEs to be presented to the client driver.
1673          */
1674         if (bp->bio_cmd == BIO_FLUSH && isc->trim_ticks > 0)
1675                 isc->last_trim_tick = ticks - isc->trim_ticks - 1;
1676
1677         /*
1678          * Put all trims on the trim queue. Otherwise put the work on the bio
1679          * queue.
1680          */
1681         if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1682                 bioq_insert_tail(&isc->trim_queue, bp);
1683                 if (isc->queued_trims == 0)
1684                         isc->last_trim_tick = ticks;
1685                 isc->queued_trims++;
1686 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1687                 isc->trim_stats.in++;
1688                 isc->trim_stats.queued++;
1689 #endif
1690         }
1691 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1692         else if (do_dynamic_iosched && isc->read_bias != 0 &&
1693             (bp->bio_cmd != BIO_READ)) {
1694                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1695                         bioq_disksort(&isc->write_queue, bp);
1696                 else
1697                         bioq_insert_tail(&isc->write_queue, bp);
1698                 if (iosched_debug > 9)
1699                         printf("Qw  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1700                 if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1701                         isc->write_stats.in++;
1702                         isc->write_stats.queued++;
1703                 }
1704         }
1705 #endif
1706         else {
1707                 if (cam_iosched_sort_queue(isc))
1708                         bioq_disksort(&isc->bio_queue, bp);
1709                 else
1710                         bioq_insert_tail(&isc->bio_queue, bp);
1711 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1712                 if (iosched_debug > 9)
1713                         printf("Qr  : %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1714                 if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1715                         isc->read_stats.in++;
1716                         isc->read_stats.queued++;
1717                 } else if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1718                         isc->write_stats.in++;
1719                         isc->write_stats.queued++;
1720                 }
1721 #endif
1722         }
1723 }
1724
1725 /*
1726  * If we have work, get it scheduled. Called with the periph lock held.
1727  */
1728 void
1729 cam_iosched_schedule(struct cam_iosched_softc *isc, struct cam_periph *periph)
1730 {
1731
1732         if (cam_iosched_has_work(isc))
1733                 xpt_schedule(periph, CAM_PRIORITY_NORMAL);
1734 }
1735
1736 /*
1737  * Complete a trim request. Mark that we no longer have one in flight.
1738  */
1739 void
1740 cam_iosched_trim_done(struct cam_iosched_softc *isc)
1741 {
1742
1743         isc->flags &= ~CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1744 }
1745
1746 /*
1747  * Complete a bio. Called before we release the ccb with xpt_release_ccb so we
1748  * might use notes in the ccb for statistics.
1749  */
1750 int
1751 cam_iosched_bio_complete(struct cam_iosched_softc *isc, struct bio *bp,
1752     union ccb *done_ccb)
1753 {
1754         int retval = 0;
1755 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1756         if (!do_dynamic_iosched)
1757                 return retval;
1758
1759         if (iosched_debug > 10)
1760                 printf("done: %p %#x\n", bp, bp->bio_cmd);
1761         if (bp->bio_cmd == BIO_WRITE) {
1762                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->write_stats, bp);
1763                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1764                         isc->write_stats.errs++;
1765                 isc->write_stats.out++;
1766                 isc->write_stats.pending--;
1767         } else if (bp->bio_cmd == BIO_READ) {
1768                 retval = cam_iosched_limiter_iodone(&isc->read_stats, bp);
1769                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1770                         isc->read_stats.errs++;
1771                 isc->read_stats.out++;
1772                 isc->read_stats.pending--;
1773         } else if (bp->bio_cmd == BIO_DELETE) {
1774                 if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) != 0)
1775                         isc->trim_stats.errs++;
1776                 isc->trim_stats.out++;
1777                 isc->trim_stats.pending--;
1778         } else if (bp->bio_cmd != BIO_FLUSH) {
1779                 if (iosched_debug)
1780                         printf("Completing command with bio_cmd == %#x\n", bp->bio_cmd);
1781         }
1782
1783         if ((bp->bio_flags & BIO_ERROR) == 0 && done_ccb != NULL &&
1784             (done_ccb->ccb_h.status & CAM_QOS_VALID) != 0) {
1785                 sbintime_t sim_latency;
1786                 
1787                 sim_latency = cam_iosched_sbintime_t(done_ccb->ccb_h.qos.periph_data);
1788                 
1789                 cam_iosched_io_metric_update(isc, sim_latency,
1790                     bp->bio_cmd, bp->bio_bcount);
1791                 /*
1792                  * Debugging code: allow callbacks to the periph driver when latency max
1793                  * is exceeded. This can be useful for triggering external debugging actions.
1794                  */
1795                 if (isc->latfcn && isc->max_lat != 0 && sim_latency > isc->max_lat)
1796                         isc->latfcn(isc->latarg, sim_latency, bp);
1797         }
1798                 
1799 #endif
1800         return retval;
1801 }
1802
1803 /*
1804  * Tell the io scheduler that you've pushed a trim down into the sim.
1805  * This also tells the I/O scheduler not to push any more trims down, so
1806  * some periphs do not call it if they can cope with multiple trims in flight.
1807  */
1808 void
1809 cam_iosched_submit_trim(struct cam_iosched_softc *isc)
1810 {
1811
1812         isc->flags |= CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE;
1813 }
1814
1815 /*
1816  * Change the sorting policy hint for I/O transactions for this device.
1817  */
1818 void
1819 cam_iosched_set_sort_queue(struct cam_iosched_softc *isc, int val)
1820 {
1821
1822         isc->sort_io_queue = val;
1823 }
1824
1825 int
1826 cam_iosched_has_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1827 {
1828         return isc->flags & flags;
1829 }
1830
1831 void
1832 cam_iosched_set_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1833 {
1834         isc->flags |= flags;
1835 }
1836
1837 void
1838 cam_iosched_clr_work_flags(struct cam_iosched_softc *isc, uint32_t flags)
1839 {
1840         isc->flags &= ~flags;
1841 }
1842
1843 #ifdef CAM_IOSCHED_DYNAMIC
1844 /*
1845  * After the method presented in Jack Crenshaw's 1998 article "Integer
1846  * Square Roots," reprinted at
1847  * http://www.embedded.com/electronics-blogs/programmer-s-toolbox/4219659/Integer-Square-Roots
1848  * and well worth the read. Briefly, we find the power of 4 that's the
1849  * largest smaller than val. We then check each smaller power of 4 to
1850  * see if val is still bigger. The right shifts at each step divide
1851  * the result by 2 which after successive application winds up
1852  * accumulating the right answer. It could also have been accumulated
1853  * using a separate root counter, but this code is smaller and faster
1854  * than that method. This method is also integer size invariant.
1855  * It returns floor(sqrt((float)val)), or the largest integer less than
1856  * or equal to the square root.
1857  */
1858 static uint64_t
1859 isqrt64(uint64_t val)
1860 {
1861         uint64_t res = 0;
1862         uint64_t bit = 1ULL << (sizeof(uint64_t) * NBBY - 2);
1863
1864         /*
1865          * Find the largest power of 4 smaller than val.
1866          */
1867         while (bit > val)
1868                 bit >>= 2;
1869
1870         /*
1871          * Accumulate the answer, one bit at a time (we keep moving
1872          * them over since 2 is the square root of 4 and we test
1873          * powers of 4). We accumulate where we find the bit, but
1874          * the successive shifts land the bit in the right place
1875          * by the end.
1876          */
1877         while (bit != 0) {
1878                 if (val >= res + bit) {
1879                         val -= res + bit;
1880                         res = (res >> 1) + bit;
1881                 } else
1882                         res >>= 1;
1883                 bit >>= 2;
1884         }
1885
1886         return res;
1887 }
1888
1889 static sbintime_t latencies[LAT_BUCKETS - 1] = {
1890         BUCKET_BASE <<  0,      /* 20us */
1891         BUCKET_BASE <<  1,
1892         BUCKET_BASE <<  2,
1893         BUCKET_BASE <<  3,
1894         BUCKET_BASE <<  4,
1895         BUCKET_BASE <<  5,
1896         BUCKET_BASE <<  6,
1897         BUCKET_BASE <<  7,
1898         BUCKET_BASE <<  8,
1899         BUCKET_BASE <<  9,
1900         BUCKET_BASE << 10,
1901         BUCKET_BASE << 11,
1902         BUCKET_BASE << 12,
1903         BUCKET_BASE << 13,
1904         BUCKET_BASE << 14,
1905         BUCKET_BASE << 15,
1906         BUCKET_BASE << 16,
1907         BUCKET_BASE << 17,
1908         BUCKET_BASE << 18       /* 5,242,880us */
1909 };
1910
1911 static void
1912 cam_iosched_update(struct iop_stats *iop, sbintime_t sim_latency)
1913 {
1914         sbintime_t y, deltasq, delta;
1915         int i;
1916
1917         /*
1918          * Keep counts for latency. We do it by power of two buckets.
1919          * This helps us spot outlier behavior obscured by averages.
1920          */
1921         for (i = 0; i < LAT_BUCKETS - 1; i++) {
1922                 if (sim_latency < latencies[i]) {
1923                         iop->latencies[i]++;
1924                         break;
1925                 }
1926         }
1927         if (i == LAT_BUCKETS - 1)
1928                 iop->latencies[i]++;     /* Put all > 8192ms values into the last bucket. */
1929
1930         /*
1931          * Classic exponentially decaying average with a tiny alpha
1932          * (2 ^ -alpha_bits). For more info see the NIST statistical
1933          * handbook.
1934          *
1935          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 * (1 - alpha)          [nist]
1936          * ema_t = y_t * alpha + ema_t-1 - alpha * ema_t-1
1937          * ema_t = alpha * y_t - alpha * ema_t-1 + ema_t-1
1938          * alpha = 1 / (1 << alpha_bits)
1939          * sub e == ema_t-1, b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), d == y_t - ema_t-1
1940          *      = y_t/b - e/b + be/b
1941          *      = (y_t - e + be) / b
1942          *      = (e + d) / b
1943          *
1944          * Since alpha is a power of two, we can compute this w/o any mult or
1945          * division.
1946          *
1947          * Variance can also be computed. Usually, it would be expressed as follows:
1948          *      diff_t = y_t - ema_t-1
1949          *      emvar_t = (1 - alpha) * (emavar_t-1 + diff_t^2 * alpha)
1950          *        = emavar_t-1 - alpha * emavar_t-1 + delta_t^2 * alpha - (delta_t * alpha)^2
1951          * sub b == 1/alpha (== 1 << alpha_bits), e == emavar_t-1, d = delta_t^2
1952          *        = e - e/b + dd/b + dd/bb
1953          *        = (bbe - be + bdd + dd) / bb
1954          *        = (bbe + b(dd-e) + dd) / bb (which is expanded below bb = 1<<(2*alpha_bits))
1955          */
1956         /*
1957          * XXX possible numeric issues
1958          *      o We assume right shifted integers do the right thing, since that's
1959          *        implementation defined. You can change the right shifts to / (1LL << alpha).
1960          *      o alpha_bits = 9 gives ema ceiling of 23 bits of seconds for ema and 14 bits
1961          *        for emvar. This puts a ceiling of 13 bits on alpha since we need a
1962          *        few tens of seconds of representation.
1963          *      o We mitigate alpha issues by never setting it too high.
1964          */
1965         y = sim_latency;
1966         delta = (y - iop->ema);                                 /* d */
1967         iop->ema = ((iop->ema << alpha_bits) + delta) >> alpha_bits;
1968
1969         /*
1970          * Were we to naively plow ahead at this point, we wind up with many numerical
1971          * issues making any SD > ~3ms unreliable. So, we shift right by 12. This leaves
1972          * us with microsecond level precision in the input, so the same in the
1973          * output. It means we can't overflow deltasq unless delta > 4k seconds. It
1974          * also means that emvar can be up 46 bits 40 of which are fraction, which
1975          * gives us a way to measure up to ~8s in the SD before the computation goes
1976          * unstable. Even the worst hard disk rarely has > 1s service time in the
1977          * drive. It does mean we have to shift left 12 bits after taking the
1978          * square root to compute the actual standard deviation estimate. This loss of
1979          * precision is preferable to needing int128 types to work. The above numbers
1980          * assume alpha=9. 10 or 11 are ok, but we start to run into issues at 12,
1981          * so 12 or 13 is OK for EMA, EMVAR and SD will be wrong in those cases.
1982          */
1983         delta >>= 12;
1984         deltasq = delta * delta;                                /* dd */
1985         iop->emvar = ((iop->emvar << (2 * alpha_bits)) +        /* bbe */
1986             ((deltasq - iop->emvar) << alpha_bits) +            /* b(dd-e) */
1987             deltasq)                                            /* dd */
1988             >> (2 * alpha_bits);                                /* div bb */
1989         iop->sd = (sbintime_t)isqrt64((uint64_t)iop->emvar) << 12;
1990 }
1991
1992 static void
1993 cam_iosched_io_metric_update(struct cam_iosched_softc *isc,
1994     sbintime_t sim_latency, int cmd, size_t size)
1995 {
1996         /* xxx Do we need to scale based on the size of the I/O ? */
1997         switch (cmd) {
1998         case BIO_READ:
1999                 cam_iosched_update(&isc->read_stats, sim_latency);
2000                 break;
2001         case BIO_WRITE:
2002                 cam_iosched_update(&isc->write_stats, sim_latency);
2003                 break;
2004         case BIO_DELETE:
2005                 cam_iosched_update(&isc->trim_stats, sim_latency);
2006                 break;
2007         default:
2008                 break;
2009         }
2010 }
2011
2012 #ifdef DDB
2013 static int biolen(struct bio_queue_head *bq)
2014 {
2015         int i = 0;
2016         struct bio *bp;
2017
2018         TAILQ_FOREACH(bp, &bq->queue, bio_queue) {
2019                 i++;
2020         }
2021         return i;
2022 }
2023
2024 /*
2025  * Show the internal state of the I/O scheduler.
2026  */
2027 DB_SHOW_COMMAND(iosched, cam_iosched_db_show)
2028 {
2029         struct cam_iosched_softc *isc;
2030
2031         if (!have_addr) {
2032                 db_printf("Need addr\n");
2033                 return;
2034         }
2035         isc = (struct cam_iosched_softc *)addr;
2036         db_printf("pending_reads:     %d\n", isc->read_stats.pending);
2037         db_printf("min_reads:         %d\n", isc->read_stats.min);
2038         db_printf("max_reads:         %d\n", isc->read_stats.max);
2039         db_printf("reads:             %d\n", isc->read_stats.total);
2040         db_printf("in_reads:          %d\n", isc->read_stats.in);
2041         db_printf("out_reads:         %d\n", isc->read_stats.out);
2042         db_printf("queued_reads:      %d\n", isc->read_stats.queued);
2043         db_printf("Read Q len         %d\n", biolen(&isc->bio_queue));
2044         db_printf("pending_writes:    %d\n", isc->write_stats.pending);
2045         db_printf("min_writes:        %d\n", isc->write_stats.min);
2046         db_printf("max_writes:        %d\n", isc->write_stats.max);
2047         db_printf("writes:            %d\n", isc->write_stats.total);
2048         db_printf("in_writes:         %d\n", isc->write_stats.in);
2049         db_printf("out_writes:        %d\n", isc->write_stats.out);
2050         db_printf("queued_writes:     %d\n", isc->write_stats.queued);
2051         db_printf("Write Q len        %d\n", biolen(&isc->write_queue));
2052         db_printf("pending_trims:     %d\n", isc->trim_stats.pending);
2053         db_printf("min_trims:         %d\n", isc->trim_stats.min);
2054         db_printf("max_trims:         %d\n", isc->trim_stats.max);
2055         db_printf("trims:             %d\n", isc->trim_stats.total);
2056         db_printf("in_trims:          %d\n", isc->trim_stats.in);
2057         db_printf("out_trims:         %d\n", isc->trim_stats.out);
2058         db_printf("queued_trims:      %d\n", isc->trim_stats.queued);
2059         db_printf("Trim Q len         %d\n", biolen(&isc->trim_queue));
2060         db_printf("read_bias:         %d\n", isc->read_bias);
2061         db_printf("current_read_bias: %d\n", isc->current_read_bias);
2062         db_printf("Trim active?       %s\n",
2063             (isc->flags & CAM_IOSCHED_FLAG_TRIM_ACTIVE) ? "yes" : "no");
2064 }
2065 #endif
2066 #endif