sys/dev/nvd/nvd.c

   1 /*-
   2  * SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-FreeBSD
   3  *
   4  * Copyright (C) 2012-2016 Intel Corporation
   5  * All rights reserved.
   6  * Copyright (C) 2018 Alexander Motin <mav@FreeBSD.org>
   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 <sys/cdefs.h>
  31 __FBSDID("$FreeBSD$");
  32
  33 #include <sys/param.h>
  34 #include <sys/bio.h>
  35 #include <sys/kernel.h>
  36 #include <sys/malloc.h>
  37 #include <sys/module.h>
  38 #include <sys/queue.h>
  39 #include <sys/sysctl.h>
  40 #include <sys/systm.h>
  41 #include <sys/taskqueue.h>
  42 #include <machine/atomic.h>
  43
  44 #include <geom/geom.h>
  45 #include <geom/geom_disk.h>
  46
  47 #include <dev/nvme/nvme.h>
  48
  49 #define NVD_STR         "nvd"
  50
  51 struct nvd_disk;
  52 struct nvd_controller;
  53
  54 static disk_ioctl_t nvd_ioctl;
  55 static disk_strategy_t nvd_strategy;
  56 static dumper_t nvd_dump;
  57
  58 static void nvd_done(void *arg, const struct nvme_completion *cpl);
  59 static void nvd_gone(struct nvd_disk *ndisk);
  60
  61 static void *nvd_new_disk(struct nvme_namespace *ns, void *ctrlr);
  62
  63 static void *nvd_new_controller(struct nvme_controller *ctrlr);
  64 static void nvd_controller_fail(void *ctrlr);
  65
  66 static int nvd_load(void);
  67 static void nvd_unload(void);
  68
  69 MALLOC_DEFINE(M_NVD, "nvd", "nvd(4) allocations");
  70
  71 struct nvme_consumer *consumer_handle;
  72
  73 struct nvd_disk {
  74         struct nvd_controller   *ctrlr;
  75
  76         struct bio_queue_head   bioq;
  77         struct task             bioqtask;
  78         struct mtx              bioqlock;
  79
  80         struct disk             *disk;
  81         struct taskqueue        *tq;
  82         struct nvme_namespace   *ns;
  83
  84         uint32_t                cur_depth;
  85 #define NVD_ODEPTH      (1 << 30)
  86         uint32_t                ordered_in_flight;
  87         u_int                   unit;
  88
  89         TAILQ_ENTRY(nvd_disk)   global_tailq;
  90         TAILQ_ENTRY(nvd_disk)   ctrlr_tailq;
  91 };
  92
  93 struct nvd_controller {
  94
  95         TAILQ_ENTRY(nvd_controller)     tailq;
  96         TAILQ_HEAD(, nvd_disk)          disk_head;
  97 };
  98
  99 static struct mtx                       nvd_lock;
 100 static TAILQ_HEAD(, nvd_controller)     ctrlr_head;
 101 static TAILQ_HEAD(disk_list, nvd_disk)  disk_head;
 102
 103 static SYSCTL_NODE(_hw, OID_AUTO, nvd, CTLFLAG_RD, 0, "nvd driver parameters");
 104 /*
 105  * The NVMe specification does not define a maximum or optimal delete size, so
 106  *  technically max delete size is min(full size of the namespace, 2^32 - 1
 107  *  LBAs).  A single delete for a multi-TB NVMe namespace though may take much
 108  *  longer to complete than the nvme(4) I/O timeout period.  So choose a sensible
 109  *  default here that is still suitably large to minimize the number of overall
 110  *  delete operations.
 111  */
 112 static uint64_t nvd_delete_max = (1024 * 1024 * 1024);  /* 1GB */
 113 SYSCTL_UQUAD(_hw_nvd, OID_AUTO, delete_max, CTLFLAG_RDTUN, &nvd_delete_max, 0,
 114              "nvd maximum BIO_DELETE size in bytes");
 115
 116 static int nvd_modevent(module_t mod, int type, void *arg)
 117 {
 118         int error = 0;
 119
 120         switch (type) {
 121         case MOD_LOAD:
 122                 error = nvd_load();
 123                 break;
 124         case MOD_UNLOAD:
 125                 nvd_unload();
 126                 break;
 127         default:
 128                 break;
 129         }
 130
 131         return (error);
 132 }
 133
 134 moduledata_t nvd_mod = {
 135         NVD_STR,
 136         (modeventhand_t)nvd_modevent,
 137         0
 138 };
 139
 140 DECLARE_MODULE(nvd, nvd_mod, SI_SUB_DRIVERS, SI_ORDER_ANY);
 141 MODULE_VERSION(nvd, 1);
 142 MODULE_DEPEND(nvd, nvme, 1, 1, 1);
 143
 144 static int
 145 nvd_load()
 146 {
 147         if (!nvme_use_nvd)
 148                 return 0;
 149
 150         mtx_init(&nvd_lock, "nvd_lock", NULL, MTX_DEF);
 151         TAILQ_INIT(&ctrlr_head);
 152         TAILQ_INIT(&disk_head);
 153
 154         consumer_handle = nvme_register_consumer(nvd_new_disk,
 155             nvd_new_controller, NULL, nvd_controller_fail);
 156
 157         return (consumer_handle != NULL ? 0 : -1);
 158 }
 159
 160 static void
 161 nvd_unload()
 162 {
 163         struct nvd_controller   *ctrlr;
 164         struct nvd_disk         *ndisk;
 165
 166         if (!nvme_use_nvd)
 167                 return;
 168
 169         mtx_lock(&nvd_lock);
 170         while ((ctrlr = TAILQ_FIRST(&ctrlr_head)) != NULL) {
 171                 TAILQ_REMOVE(&ctrlr_head, ctrlr, tailq);
 172                 TAILQ_FOREACH(ndisk, &ctrlr->disk_head, ctrlr_tailq)
 173                         nvd_gone(ndisk);
 174                 while (!TAILQ_EMPTY(&ctrlr->disk_head))
 175                         msleep(&ctrlr->disk_head, &nvd_lock, 0, "nvd_unload",0);
 176                 free(ctrlr, M_NVD);
 177         }
 178         mtx_unlock(&nvd_lock);
 179
 180         nvme_unregister_consumer(consumer_handle);
 181
 182         mtx_destroy(&nvd_lock);
 183 }
 184
 185 static void
 186 nvd_bio_submit(struct nvd_disk *ndisk, struct bio *bp)
 187 {
 188         int err;
 189
 190         bp->bio_driver1 = NULL;
 191         if (__predict_false(bp->bio_flags & BIO_ORDERED))
 192                 atomic_add_int(&ndisk->cur_depth, NVD_ODEPTH);
 193         else
 194                 atomic_add_int(&ndisk->cur_depth, 1);
 195         err = nvme_ns_bio_process(ndisk->ns, bp, nvd_done);
 196         if (err) {
 197                 if (__predict_false(bp->bio_flags & BIO_ORDERED)) {
 198                         atomic_add_int(&ndisk->cur_depth, -NVD_ODEPTH);
 199                         atomic_add_int(&ndisk->ordered_in_flight, -1);
 200                         wakeup(&ndisk->cur_depth);
 201                 } else {
 202                         if (atomic_fetchadd_int(&ndisk->cur_depth, -1) == 1 &&
 203                             __predict_false(ndisk->ordered_in_flight != 0))
 204                                 wakeup(&ndisk->cur_depth);
 205                 }
 206                 bp->bio_error = err;
 207                 bp->bio_flags |= BIO_ERROR;
 208                 bp->bio_resid = bp->bio_bcount;
 209                 biodone(bp);
 210         }
 211 }
 212
 213 static void
 214 nvd_strategy(struct bio *bp)
 215 {
 216         struct nvd_disk *ndisk = (struct nvd_disk *)bp->bio_disk->d_drv1;
 217
 218         /*
 219          * bio with BIO_ORDERED flag must be executed after all previous
 220          * bios in the queue, and before any successive bios.
 221          */
 222         if (__predict_false(bp->bio_flags & BIO_ORDERED)) {
 223                 if (atomic_fetchadd_int(&ndisk->ordered_in_flight, 1) == 0 &&
 224                     ndisk->cur_depth == 0 && bioq_first(&ndisk->bioq) == NULL) {
 225                         nvd_bio_submit(ndisk, bp);
 226                         return;
 227                 }
 228         } else if (__predict_true(ndisk->ordered_in_flight == 0)) {
 229                 nvd_bio_submit(ndisk, bp);
 230                 return;
 231         }
 232
 233         /*
 234          * There are ordered bios in flight, so we need to submit
 235          *  bios through the task queue to enforce ordering.
 236          */
 237         mtx_lock(&ndisk->bioqlock);
 238         bioq_insert_tail(&ndisk->bioq, bp);
 239         mtx_unlock(&ndisk->bioqlock);
 240         taskqueue_enqueue(ndisk->tq, &ndisk->bioqtask);
 241 }
 242
 243 static void
 244 nvd_gone(struct nvd_disk *ndisk)
 245 {
 246         struct bio      *bp;
 247
 248         printf(NVD_STR"%u: detached\n", ndisk->unit);
 249         mtx_lock(&ndisk->bioqlock);
 250         disk_gone(ndisk->disk);
 251         while ((bp = bioq_takefirst(&ndisk->bioq)) != NULL) {
 252                 if (__predict_false(bp->bio_flags & BIO_ORDERED))
 253                         atomic_add_int(&ndisk->ordered_in_flight, -1);
 254                 bp->bio_error = ENXIO;
 255                 bp->bio_flags |= BIO_ERROR;
 256                 bp->bio_resid = bp->bio_bcount;
 257                 biodone(bp);
 258         }
 259         mtx_unlock(&ndisk->bioqlock);
 260 }
 261
 262 static void
 263 nvd_gonecb(struct disk *dp)
 264 {
 265         struct nvd_disk *ndisk = (struct nvd_disk *)dp->d_drv1;
 266
 267         disk_destroy(ndisk->disk);
 268         mtx_lock(&nvd_lock);
 269         TAILQ_REMOVE(&disk_head, ndisk, global_tailq);
 270         TAILQ_REMOVE(&ndisk->ctrlr->disk_head, ndisk, ctrlr_tailq);
 271         if (TAILQ_EMPTY(&ndisk->ctrlr->disk_head))
 272                 wakeup(&ndisk->ctrlr->disk_head);
 273         mtx_unlock(&nvd_lock);
 274         taskqueue_free(ndisk->tq);
 275         mtx_destroy(&ndisk->bioqlock);
 276         free(ndisk, M_NVD);
 277 }
 278
 279 static int
 280 nvd_ioctl(struct disk *dp, u_long cmd, void *data, int fflag,
 281     struct thread *td)
 282 {
 283         struct nvd_disk         *ndisk = dp->d_drv1;
 284
 285         return (nvme_ns_ioctl_process(ndisk->ns, cmd, data, fflag, td));
 286 }
 287
 288 static int
 289 nvd_dump(void *arg, void *virt, vm_offset_t phys, off_t offset, size_t len)
 290 {
 291         struct disk *dp = arg;
 292         struct nvd_disk *ndisk = dp->d_drv1;
 293
 294         return (nvme_ns_dump(ndisk->ns, virt, offset, len));
 295 }
 296
 297 static void
 298 nvd_done(void *arg, const struct nvme_completion *cpl)
 299 {
 300         struct bio *bp = (struct bio *)arg;
 301         struct nvd_disk *ndisk = bp->bio_disk->d_drv1;
 302
 303         if (__predict_false(bp->bio_flags & BIO_ORDERED)) {
 304                 atomic_add_int(&ndisk->cur_depth, -NVD_ODEPTH);
 305                 atomic_add_int(&ndisk->ordered_in_flight, -1);
 306                 wakeup(&ndisk->cur_depth);
 307         } else {
 308                 if (atomic_fetchadd_int(&ndisk->cur_depth, -1) == 1 &&
 309                     __predict_false(ndisk->ordered_in_flight != 0))
 310                         wakeup(&ndisk->cur_depth);
 311         }
 312
 313         biodone(bp);
 314 }
 315
 316 static void
 317 nvd_bioq_process(void *arg, int pending)
 318 {
 319         struct nvd_disk *ndisk = arg;
 320         struct bio *bp;
 321
 322         for (;;) {
 323                 mtx_lock(&ndisk->bioqlock);
 324                 bp = bioq_takefirst(&ndisk->bioq);
 325                 mtx_unlock(&ndisk->bioqlock);
 326                 if (bp == NULL)
 327                         break;
 328
 329                 if (__predict_false(bp->bio_flags & BIO_ORDERED)) {
 330                         /*
 331                          * bio with BIO_ORDERED flag set must be executed
 332                          * after all previous bios.
 333                          */
 334                         while (ndisk->cur_depth > 0)
 335                                 tsleep(&ndisk->cur_depth, 0, "nvdorb", 1);
 336                 } else {
 337                         /*
 338                          * bio with BIO_ORDERED flag set must be completed
 339                          * before proceeding with additional bios.
 340                          */
 341                         while (ndisk->cur_depth >= NVD_ODEPTH)
 342                                 tsleep(&ndisk->cur_depth, 0, "nvdora", 1);
 343                 }
 344
 345                 nvd_bio_submit(ndisk, bp);
 346         }
 347 }
 348
 349 static void *
 350 nvd_new_controller(struct nvme_controller *ctrlr)
 351 {
 352         struct nvd_controller   *nvd_ctrlr;
 353
 354         nvd_ctrlr = malloc(sizeof(struct nvd_controller), M_NVD,
 355             M_ZERO | M_WAITOK);
 356
 357         TAILQ_INIT(&nvd_ctrlr->disk_head);
 358         mtx_lock(&nvd_lock);
 359         TAILQ_INSERT_TAIL(&ctrlr_head, nvd_ctrlr, tailq);
 360         mtx_unlock(&nvd_lock);
 361
 362         return (nvd_ctrlr);
 363 }
 364
 365 static void *
 366 nvd_new_disk(struct nvme_namespace *ns, void *ctrlr_arg)
 367 {
 368         uint8_t                 descr[NVME_MODEL_NUMBER_LENGTH+1];
 369         struct nvd_disk         *ndisk, *tnd;
 370         struct disk             *disk;
 371         struct nvd_controller   *ctrlr = ctrlr_arg;
 372         int unit;
 373
 374         ndisk = malloc(sizeof(struct nvd_disk), M_NVD, M_ZERO | M_WAITOK);
 375         ndisk->ctrlr = ctrlr;
 376         ndisk->ns = ns;
 377         ndisk->cur_depth = 0;
 378         ndisk->ordered_in_flight = 0;
 379         mtx_init(&ndisk->bioqlock, "nvd bioq lock", NULL, MTX_DEF);
 380         bioq_init(&ndisk->bioq);
 381         TASK_INIT(&ndisk->bioqtask, 0, nvd_bioq_process, ndisk);
 382
 383         mtx_lock(&nvd_lock);
 384         unit = 0;
 385         TAILQ_FOREACH(tnd, &disk_head, global_tailq) {
 386                 if (tnd->unit > unit)
 387                         break;
 388                 unit = tnd->unit + 1;
 389         }
 390         ndisk->unit = unit;
 391         if (tnd != NULL)
 392                 TAILQ_INSERT_BEFORE(tnd, ndisk, global_tailq);
 393         else
 394                 TAILQ_INSERT_TAIL(&disk_head, ndisk, global_tailq);
 395         TAILQ_INSERT_TAIL(&ctrlr->disk_head, ndisk, ctrlr_tailq);
 396         mtx_unlock(&nvd_lock);
 397
 398         ndisk->tq = taskqueue_create("nvd_taskq", M_WAITOK,
 399             taskqueue_thread_enqueue, &ndisk->tq);
 400         taskqueue_start_threads(&ndisk->tq, 1, PI_DISK, "nvd taskq");
 401
 402         disk = ndisk->disk = disk_alloc();
 403         disk->d_strategy = nvd_strategy;
 404         disk->d_ioctl = nvd_ioctl;
 405         disk->d_dump = nvd_dump;
 406         disk->d_gone = nvd_gonecb;
 407         disk->d_name = NVD_STR;
 408         disk->d_unit = ndisk->unit;
 409         disk->d_drv1 = ndisk;
 410
 411         disk->d_sectorsize = nvme_ns_get_sector_size(ns);
 412         disk->d_mediasize = (off_t)nvme_ns_get_size(ns);
 413         disk->d_maxsize = nvme_ns_get_max_io_xfer_size(ns);
 414         disk->d_delmaxsize = (off_t)nvme_ns_get_size(ns);
 415         if (disk->d_delmaxsize > nvd_delete_max)
 416                 disk->d_delmaxsize = nvd_delete_max;
 417         disk->d_stripesize = nvme_ns_get_stripesize(ns);
 418         disk->d_flags = DISKFLAG_UNMAPPED_BIO | DISKFLAG_DIRECT_COMPLETION;
 419         if (nvme_ns_get_flags(ns) & NVME_NS_DEALLOCATE_SUPPORTED)
 420                 disk->d_flags |= DISKFLAG_CANDELETE;
 421         if (nvme_ns_get_flags(ns) & NVME_NS_FLUSH_SUPPORTED)
 422                 disk->d_flags |= DISKFLAG_CANFLUSHCACHE;
 423
 424         /*
 425          * d_ident and d_descr are both far bigger than the length of either
 426          *  the serial or model number strings.
 427          */
 428         nvme_strvis(disk->d_ident, nvme_ns_get_serial_number(ns),
 429             sizeof(disk->d_ident), NVME_SERIAL_NUMBER_LENGTH);
 430         nvme_strvis(descr, nvme_ns_get_model_number(ns), sizeof(descr),
 431             NVME_MODEL_NUMBER_LENGTH);
 432         strlcpy(disk->d_descr, descr, sizeof(descr));
 433
 434         disk->d_rotation_rate = DISK_RR_NON_ROTATING;
 435
 436         disk_create(disk, DISK_VERSION);
 437
 438         printf(NVD_STR"%u: <%s> NVMe namespace\n", disk->d_unit, descr);
 439         printf(NVD_STR"%u: %juMB (%ju %u byte sectors)\n", disk->d_unit,
 440                 (uintmax_t)disk->d_mediasize / (1024*1024),
 441                 (uintmax_t)disk->d_mediasize / disk->d_sectorsize,
 442                 disk->d_sectorsize);
 443
 444         return (ndisk);
 445 }
 446
 447 static void
 448 nvd_controller_fail(void *ctrlr_arg)
 449 {
 450         struct nvd_controller   *ctrlr = ctrlr_arg;
 451         struct nvd_disk         *ndisk;
 452
 453         mtx_lock(&nvd_lock);
 454         TAILQ_REMOVE(&ctrlr_head, ctrlr, tailq);
 455         TAILQ_FOREACH(ndisk, &ctrlr->disk_head, ctrlr_tailq)
 456                 nvd_gone(ndisk);
 457         while (!TAILQ_EMPTY(&ctrlr->disk_head))
 458                 msleep(&ctrlr->disk_head, &nvd_lock, 0, "nvd_fail", 0);
 459         mtx_unlock(&nvd_lock);
 460         free(ctrlr, M_NVD);
 461 }
 462