vfio-mediated-device.txt: standardize document format
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / vfio-mediated-device.txt
1 .. include:: <isonum.txt>
2
3 =====================
4 VFIO Mediated devices
5 =====================
6
7 :Copyright: |copy| 2016, NVIDIA CORPORATION. All rights reserved.
8 :Author: Neo Jia <cjia@nvidia.com>
9 :Author: Kirti Wankhede <kwankhede@nvidia.com>
10
11 This program is free software; you can redistribute it and/or modify
12 it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
13 published by the Free Software Foundation.
14
15
16 Virtual Function I/O (VFIO) Mediated devices[1]
17 ===============================================
18
19 The number of use cases for virtualizing DMA devices that do not have built-in
20 SR_IOV capability is increasing. Previously, to virtualize such devices,
21 developers had to create their own management interfaces and APIs, and then
22 integrate them with user space software. To simplify integration with user space
23 software, we have identified common requirements and a unified management
24 interface for such devices.
25
26 The VFIO driver framework provides unified APIs for direct device access. It is
27 an IOMMU/device-agnostic framework for exposing direct device access to user
28 space in a secure, IOMMU-protected environment. This framework is used for
29 multiple devices, such as GPUs, network adapters, and compute accelerators. With
30 direct device access, virtual machines or user space applications have direct
31 access to the physical device. This framework is reused for mediated devices.
32
33 The mediated core driver provides a common interface for mediated device
34 management that can be used by drivers of different devices. This module
35 provides a generic interface to perform these operations:
36
37 * Create and destroy a mediated device
38 * Add a mediated device to and remove it from a mediated bus driver
39 * Add a mediated device to and remove it from an IOMMU group
40
41 The mediated core driver also provides an interface to register a bus driver.
42 For example, the mediated VFIO mdev driver is designed for mediated devices and
43 supports VFIO APIs. The mediated bus driver adds a mediated device to and
44 removes it from a VFIO group.
45
46 The following high-level block diagram shows the main components and interfaces
47 in the VFIO mediated driver framework. The diagram shows NVIDIA, Intel, and IBM
48 devices as examples, as these devices are the first devices to use this module::
49
50      +---------------+
51      |               |
52      | +-----------+ |  mdev_register_driver() +--------------+
53      | |           | +<------------------------+              |
54      | |  mdev     | |                         |              |
55      | |  bus      | +------------------------>+ vfio_mdev.ko |<-> VFIO user
56      | |  driver   | |     probe()/remove()    |              |    APIs
57      | |           | |                         +--------------+
58      | +-----------+ |
59      |               |
60      |  MDEV CORE    |
61      |   MODULE      |
62      |   mdev.ko     |
63      | +-----------+ |  mdev_register_device() +--------------+
64      | |           | +<------------------------+              |
65      | |           | |                         |  nvidia.ko   |<-> physical
66      | |           | +------------------------>+              |    device
67      | |           | |        callbacks        +--------------+
68      | | Physical  | |
69      | |  device   | |  mdev_register_device() +--------------+
70      | | interface | |<------------------------+              |
71      | |           | |                         |  i915.ko     |<-> physical
72      | |           | +------------------------>+              |    device
73      | |           | |        callbacks        +--------------+
74      | |           | |
75      | |           | |  mdev_register_device() +--------------+
76      | |           | +<------------------------+              |
77      | |           | |                         | ccw_device.ko|<-> physical
78      | |           | +------------------------>+              |    device
79      | |           | |        callbacks        +--------------+
80      | +-----------+ |
81      +---------------+
82
83
84 Registration Interfaces
85 =======================
86
87 The mediated core driver provides the following types of registration
88 interfaces:
89
90 * Registration interface for a mediated bus driver
91 * Physical device driver interface
92
93 Registration Interface for a Mediated Bus Driver
94 ------------------------------------------------
95
96 The registration interface for a mediated bus driver provides the following
97 structure to represent a mediated device's driver::
98
99      /*
100       * struct mdev_driver [2] - Mediated device's driver
101       * @name: driver name
102       * @probe: called when new device created
103       * @remove: called when device removed
104       * @driver: device driver structure
105       */
106      struct mdev_driver {
107              const char *name;
108              int  (*probe)  (struct device *dev);
109              void (*remove) (struct device *dev);
110              struct device_driver    driver;
111      };
112
113 A mediated bus driver for mdev should use this structure in the function calls
114 to register and unregister itself with the core driver:
115
116 * Register::
117
118     extern int  mdev_register_driver(struct mdev_driver *drv,
119                                    struct module *owner);
120
121 * Unregister::
122
123     extern void mdev_unregister_driver(struct mdev_driver *drv);
124
125 The mediated bus driver is responsible for adding mediated devices to the VFIO
126 group when devices are bound to the driver and removing mediated devices from
127 the VFIO when devices are unbound from the driver.
128
129
130 Physical Device Driver Interface
131 --------------------------------
132
133 The physical device driver interface provides the mdev_parent_ops[3] structure
134 to define the APIs to manage work in the mediated core driver that is related
135 to the physical device.
136
137 The structures in the mdev_parent_ops structure are as follows:
138
139 * dev_attr_groups: attributes of the parent device
140 * mdev_attr_groups: attributes of the mediated device
141 * supported_config: attributes to define supported configurations
142
143 The functions in the mdev_parent_ops structure are as follows:
144
145 * create: allocate basic resources in a driver for a mediated device
146 * remove: free resources in a driver when a mediated device is destroyed
147
148 The callbacks in the mdev_parent_ops structure are as follows:
149
150 * open: open callback of mediated device
151 * close: close callback of mediated device
152 * ioctl: ioctl callback of mediated device
153 * read : read emulation callback
154 * write: write emulation callback
155 * mmap: mmap emulation callback
156
157 A driver should use the mdev_parent_ops structure in the function call to
158 register itself with the mdev core driver::
159
160         extern int  mdev_register_device(struct device *dev,
161                                          const struct mdev_parent_ops *ops);
162
163 However, the mdev_parent_ops structure is not required in the function call
164 that a driver should use to unregister itself with the mdev core driver::
165
166         extern void mdev_unregister_device(struct device *dev);
167
168
169 Mediated Device Management Interface Through sysfs
170 ==================================================
171
172 The management interface through sysfs enables user space software, such as
173 libvirt, to query and configure mediated devices in a hardware-agnostic fashion.
174 This management interface provides flexibility to the underlying physical
175 device's driver to support features such as:
176
177 * Mediated device hot plug
178 * Multiple mediated devices in a single virtual machine
179 * Multiple mediated devices from different physical devices
180
181 Links in the mdev_bus Class Directory
182 -------------------------------------
183 The /sys/class/mdev_bus/ directory contains links to devices that are registered
184 with the mdev core driver.
185
186 Directories and files under the sysfs for Each Physical Device
187 --------------------------------------------------------------
188
189 ::
190
191   |- [parent physical device]
192   |--- Vendor-specific-attributes [optional]
193   |--- [mdev_supported_types]
194   |     |--- [<type-id>]
195   |     |   |--- create
196   |     |   |--- name
197   |     |   |--- available_instances
198   |     |   |--- device_api
199   |     |   |--- description
200   |     |   |--- [devices]
201   |     |--- [<type-id>]
202   |     |   |--- create
203   |     |   |--- name
204   |     |   |--- available_instances
205   |     |   |--- device_api
206   |     |   |--- description
207   |     |   |--- [devices]
208   |     |--- [<type-id>]
209   |          |--- create
210   |          |--- name
211   |          |--- available_instances
212   |          |--- device_api
213   |          |--- description
214   |          |--- [devices]
215
216 * [mdev_supported_types]
217
218   The list of currently supported mediated device types and their details.
219
220   [<type-id>], device_api, and available_instances are mandatory attributes
221   that should be provided by vendor driver.
222
223 * [<type-id>]
224
225   The [<type-id>] name is created by adding the device driver string as a prefix
226   to the string provided by the vendor driver. This format of this name is as
227   follows::
228
229         sprintf(buf, "%s-%s", dev_driver_string(parent->dev), group->name);
230
231   (or using mdev_parent_dev(mdev) to arrive at the parent device outside
232   of the core mdev code)
233
234 * device_api
235
236   This attribute should show which device API is being created, for example,
237   "vfio-pci" for a PCI device.
238
239 * available_instances
240
241   This attribute should show the number of devices of type <type-id> that can be
242   created.
243
244 * [device]
245
246   This directory contains links to the devices of type <type-id> that have been
247   created.
248
249 * name
250
251   This attribute should show human readable name. This is optional attribute.
252
253 * description
254
255   This attribute should show brief features/description of the type. This is
256   optional attribute.
257
258 Directories and Files Under the sysfs for Each mdev Device
259 ----------------------------------------------------------
260
261 ::
262
263   |- [parent phy device]
264   |--- [$MDEV_UUID]
265          |--- remove
266          |--- mdev_type {link to its type}
267          |--- vendor-specific-attributes [optional]
268
269 * remove (write only)
270
271 Writing '1' to the 'remove' file destroys the mdev device. The vendor driver can
272 fail the remove() callback if that device is active and the vendor driver
273 doesn't support hot unplug.
274
275 Example::
276
277         # echo 1 > /sys/bus/mdev/devices/$mdev_UUID/remove
278
279 Mediated device Hot plug
280 ------------------------
281
282 Mediated devices can be created and assigned at runtime. The procedure to hot
283 plug a mediated device is the same as the procedure to hot plug a PCI device.
284
285 Translation APIs for Mediated Devices
286 =====================================
287
288 The following APIs are provided for translating user pfn to host pfn in a VFIO
289 driver::
290
291         extern int vfio_pin_pages(struct device *dev, unsigned long *user_pfn,
292                                   int npage, int prot, unsigned long *phys_pfn);
293
294         extern int vfio_unpin_pages(struct device *dev, unsigned long *user_pfn,
295                                     int npage);
296
297 These functions call back into the back-end IOMMU module by using the pin_pages
298 and unpin_pages callbacks of the struct vfio_iommu_driver_ops[4]. Currently
299 these callbacks are supported in the TYPE1 IOMMU module. To enable them for
300 other IOMMU backend modules, such as PPC64 sPAPR module, they need to provide
301 these two callback functions.
302
303 Using the Sample Code
304 =====================
305
306 mtty.c in samples/vfio-mdev/ directory is a sample driver program to
307 demonstrate how to use the mediated device framework.
308
309 The sample driver creates an mdev device that simulates a serial port over a PCI
310 card.
311
312 1. Build and load the mtty.ko module.
313
314    This step creates a dummy device, /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
315
316    Files in this device directory in sysfs are similar to the following::
317
318      # tree /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
319         /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
320         |-- mdev_supported_types
321         |   |-- mtty-1
322         |   |   |-- available_instances
323         |   |   |-- create
324         |   |   |-- device_api
325         |   |   |-- devices
326         |   |   `-- name
327         |   `-- mtty-2
328         |       |-- available_instances
329         |       |-- create
330         |       |-- device_api
331         |       |-- devices
332         |       `-- name
333         |-- mtty_dev
334         |   `-- sample_mtty_dev
335         |-- power
336         |   |-- autosuspend_delay_ms
337         |   |-- control
338         |   |-- runtime_active_time
339         |   |-- runtime_status
340         |   `-- runtime_suspended_time
341         |-- subsystem -> ../../../../class/mtty
342         `-- uevent
343
344 2. Create a mediated device by using the dummy device that you created in the
345    previous step::
346
347      # echo "83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001" >    \
348               /sys/devices/virtual/mtty/mtty/mdev_supported_types/mtty-2/create
349
350 3. Add parameters to qemu-kvm::
351
352      -device vfio-pci,\
353       sysfsdev=/sys/bus/mdev/devices/83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001
354
355 4. Boot the VM.
356
357    In the Linux guest VM, with no hardware on the host, the device appears
358    as  follows::
359
360      # lspci -s 00:05.0 -xxvv
361      00:05.0 Serial controller: Device 4348:3253 (rev 10) (prog-if 02 [16550])
362              Subsystem: Device 4348:3253
363              Physical Slot: 5
364              Control: I/O+ Mem- BusMaster- SpecCycle- MemWINV- VGASnoop- ParErr-
365      Stepping- SERR- FastB2B- DisINTx-
366              Status: Cap- 66MHz- UDF- FastB2B- ParErr- DEVSEL=medium >TAbort-
367      <TAbort- <MAbort- >SERR- <PERR- INTx-
368              Interrupt: pin A routed to IRQ 10
369              Region 0: I/O ports at c150 [size=8]
370              Region 1: I/O ports at c158 [size=8]
371              Kernel driver in use: serial
372      00: 48 43 53 32 01 00 00 02 10 02 00 07 00 00 00 00
373      10: 51 c1 00 00 59 c1 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
374      20: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 48 43 53 32
375      30: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0a 01 00 00
376
377      In the Linux guest VM, dmesg output for the device is as follows:
378
379      serial 0000:00:05.0: PCI INT A -> Link[LNKA] -> GSI 10 (level, high) -> IRQ 10
380      0000:00:05.0: ttyS1 at I/O 0xc150 (irq = 10) is a 16550A
381      0000:00:05.0: ttyS2 at I/O 0xc158 (irq = 10) is a 16550A
382
383
384 5. In the Linux guest VM, check the serial ports::
385
386      # setserial -g /dev/ttyS*
387      /dev/ttyS0, UART: 16550A, Port: 0x03f8, IRQ: 4
388      /dev/ttyS1, UART: 16550A, Port: 0xc150, IRQ: 10
389      /dev/ttyS2, UART: 16550A, Port: 0xc158, IRQ: 10
390
391 6. Using minicom or any terminal emulation program, open port /dev/ttyS1 or
392    /dev/ttyS2 with hardware flow control disabled.
393
394 7. Type data on the minicom terminal or send data to the terminal emulation
395    program and read the data.
396
397    Data is loop backed from hosts mtty driver.
398
399 8. Destroy the mediated device that you created::
400
401      # echo 1 > /sys/bus/mdev/devices/83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001/remove
402
403 References
404 ==========
405
406 1. See Documentation/vfio.txt for more information on VFIO.
407 2. struct mdev_driver in include/linux/mdev.h
408 3. struct mdev_parent_ops in include/linux/mdev.h
409 4. struct vfio_iommu_driver_ops in include/linux/vfio.h