Documentation/arch/s390/cds.rst

   1 ===========================
   2 Linux for S/390 and zSeries
   3 ===========================
   4
   5 Common Device Support (CDS)
   6 Device Driver I/O Support Routines
   7
   8 Authors:
   9         - Ingo Adlung
  10         - Cornelia Huck
  11
  12 Copyright, IBM Corp. 1999-2002
  13
  14 Introduction
  15 ============
  16
  17 This document describes the common device support routines for Linux/390.
  18 Different than other hardware architectures, ESA/390 has defined a unified
  19 I/O access method. This gives relief to the device drivers as they don't
  20 have to deal with different bus types, polling versus interrupt
  21 processing, shared versus non-shared interrupt processing, DMA versus port
  22 I/O (PIO), and other hardware features more. However, this implies that
  23 either every single device driver needs to implement the hardware I/O
  24 attachment functionality itself, or the operating system provides for a
  25 unified method to access the hardware, providing all the functionality that
  26 every single device driver would have to provide itself.
  27
  28 The document does not intend to explain the ESA/390 hardware architecture in
  29 every detail.This information can be obtained from the ESA/390 Principles of
  30 Operation manual (IBM Form. No. SA22-7201).
  31
  32 In order to build common device support for ESA/390 I/O interfaces, a
  33 functional layer was introduced that provides generic I/O access methods to
  34 the hardware.
  35
  36 The common device support layer comprises the I/O support routines defined
  37 below. Some of them implement common Linux device driver interfaces, while
  38 some of them are ESA/390 platform specific.
  39
  40 Note:
  41   In order to write a driver for S/390, you also need to look into the interface
  42   described in Documentation/arch/s390/driver-model.rst.
  43
  44 Note for porting drivers from 2.4:
  45
  46 The major changes are:
  47
  48 * The functions use a ccw_device instead of an irq (subchannel).
  49 * All drivers must define a ccw_driver (see driver-model.txt) and the associated
  50   functions.
  51 * request_irq() and free_irq() are no longer done by the driver.
  52 * The oper_handler is (kindof) replaced by the probe() and set_online() functions
  53   of the ccw_driver.
  54 * The not_oper_handler is (kindof) replaced by the remove() and set_offline()
  55   functions of the ccw_driver.
  56 * The channel device layer is gone.
  57 * The interrupt handlers must be adapted to use a ccw_device as argument.
  58   Moreover, they don't return a devstat, but an irb.
  59 * Before initiating an io, the options must be set via ccw_device_set_options().
  60 * Instead of calling read_dev_chars()/read_conf_data(), the driver issues
  61   the channel program and handles the interrupt itself.
  62
  63 ccw_device_get_ciw()
  64    get commands from extended sense data.
  65
  66 ccw_device_start(), ccw_device_start_timeout(), ccw_device_start_key(), ccw_device_start_key_timeout()
  67    initiate an I/O request.
  68
  69 ccw_device_resume()
  70    resume channel program execution.
  71
  72 ccw_device_halt()
  73    terminate the current I/O request processed on the device.
  74
  75 do_IRQ()
  76    generic interrupt routine. This function is called by the interrupt entry
  77    routine whenever an I/O interrupt is presented to the system. The do_IRQ()
  78    routine determines the interrupt status and calls the device specific
  79    interrupt handler according to the rules (flags) defined during I/O request
  80    initiation with do_IO().
  81
  82 The next chapters describe the functions other than do_IRQ() in more details.
  83 The do_IRQ() interface is not described, as it is called from the Linux/390
  84 first level interrupt handler only and does not comprise a device driver
  85 callable interface. Instead, the functional description of do_IO() also
  86 describes the input to the device specific interrupt handler.
  87
  88 Note:
  89         All explanations apply also to the 64 bit architecture s390x.
  90
  91
  92 Common Device Support (CDS) for Linux/390 Device Drivers
  93 ========================================================
  94
  95 General Information
  96 -------------------
  97
  98 The following chapters describe the I/O related interface routines the
  99 Linux/390 common device support (CDS) provides to allow for device specific
 100 driver implementations on the IBM ESA/390 hardware platform. Those interfaces
 101 intend to provide the functionality required by every device driver
 102 implementation to allow to drive a specific hardware device on the ESA/390
 103 platform. Some of the interface routines are specific to Linux/390 and some
 104 of them can be found on other Linux platforms implementations too.
 105 Miscellaneous function prototypes, data declarations, and macro definitions
 106 can be found in the architecture specific C header file
 107 linux/arch/s390/include/asm/irq.h.
 108
 109 Overview of CDS interface concepts
 110 ----------------------------------
 111
 112 Different to other hardware platforms, the ESA/390 architecture doesn't define
 113 interrupt lines managed by a specific interrupt controller and bus systems
 114 that may or may not allow for shared interrupts, DMA processing, etc.. Instead,
 115 the ESA/390 architecture has implemented a so called channel subsystem, that
 116 provides a unified view of the devices physically attached to the systems.
 117 Though the ESA/390 hardware platform knows about a huge variety of different
 118 peripheral attachments like disk devices (aka. DASDs), tapes, communication
 119 controllers, etc. they can all be accessed by a well defined access method and
 120 they are presenting I/O completion a unified way : I/O interruptions. Every
 121 single device is uniquely identified to the system by a so called subchannel,
 122 where the ESA/390 architecture allows for 64k devices be attached.
 123
 124 Linux, however, was first built on the Intel PC architecture, with its two
 125 cascaded 8259 programmable interrupt controllers (PICs), that allow for a
 126 maximum of 15 different interrupt lines. All devices attached to such a system
 127 share those 15 interrupt levels. Devices attached to the ISA bus system must
 128 not share interrupt levels (aka. IRQs), as the ISA bus bases on edge triggered
 129 interrupts. MCA, EISA, PCI and other bus systems base on level triggered
 130 interrupts, and therewith allow for shared IRQs. However, if multiple devices
 131 present their hardware status by the same (shared) IRQ, the operating system
 132 has to call every single device driver registered on this IRQ in order to
 133 determine the device driver owning the device that raised the interrupt.
 134
 135 Up to kernel 2.4, Linux/390 used to provide interfaces via the IRQ (subchannel).
 136 For internal use of the common I/O layer, these are still there. However,
 137 device drivers should use the new calling interface via the ccw_device only.
 138
 139 During its startup the Linux/390 system checks for peripheral devices. Each
 140 of those devices is uniquely defined by a so called subchannel by the ESA/390
 141 channel subsystem. While the subchannel numbers are system generated, each
 142 subchannel also takes a user defined attribute, the so called device number.
 143 Both subchannel number and device number cannot exceed 65535. During sysfs
 144 initialisation, the information about control unit type and device types that
 145 imply specific I/O commands (channel command words - CCWs) in order to operate
 146 the device are gathered. Device drivers can retrieve this set of hardware
 147 information during their initialization step to recognize the devices they
 148 support using the information saved in the struct ccw_device given to them.
 149 This methods implies that Linux/390 doesn't require to probe for free (not
 150 armed) interrupt request lines (IRQs) to drive its devices with. Where
 151 applicable, the device drivers can use issue the READ DEVICE CHARACTERISTICS
 152 ccw to retrieve device characteristics in its online routine.
 153
 154 In order to allow for easy I/O initiation the CDS layer provides a
 155 ccw_device_start() interface that takes a device specific channel program (one
 156 or more CCWs) as input sets up the required architecture specific control blocks
 157 and initiates an I/O request on behalf of the device driver. The
 158 ccw_device_start() routine allows to specify whether it expects the CDS layer
 159 to notify the device driver for every interrupt it observes, or with final status
 160 only. See ccw_device_start() for more details. A device driver must never issue
 161 ESA/390 I/O commands itself, but must use the Linux/390 CDS interfaces instead.
 162
 163 For long running I/O request to be canceled, the CDS layer provides the
 164 ccw_device_halt() function. Some devices require to initially issue a HALT
 165 SUBCHANNEL (HSCH) command without having pending I/O requests. This function is
 166 also covered by ccw_device_halt().
 167
 168
 169 get_ciw() - get command information word
 170
 171 This call enables a device driver to get information about supported commands
 172 from the extended SenseID data.
 173
 174 ::
 175
 176   struct ciw *
 177   ccw_device_get_ciw(struct ccw_device *cdev, __u32 cmd);
 178
 179 ====  ========================================================
 180 cdev  The ccw_device for which the command is to be retrieved.
 181 cmd   The command type to be retrieved.
 182 ====  ========================================================
 183
 184 ccw_device_get_ciw() returns:
 185
 186 =====  ================================================================
 187  NULL  No extended data available, invalid device or command not found.
 188 !NULL  The command requested.
 189 =====  ================================================================
 190
 191 ::
 192
 193   ccw_device_start() - Initiate I/O Request
 194
 195 The ccw_device_start() routines is the I/O request front-end processor. All
 196 device driver I/O requests must be issued using this routine. A device driver
 197 must not issue ESA/390 I/O commands itself. Instead the ccw_device_start()
 198 routine provides all interfaces required to drive arbitrary devices.
 199
 200 This description also covers the status information passed to the device
 201 driver's interrupt handler as this is related to the rules (flags) defined
 202 with the associated I/O request when calling ccw_device_start().
 203
 204 ::
 205
 206   int ccw_device_start(struct ccw_device *cdev,
 207                        struct ccw1 *cpa,
 208                        unsigned long intparm,
 209                        __u8 lpm,
 210                        unsigned long flags);
 211   int ccw_device_start_timeout(struct ccw_device *cdev,
 212                                struct ccw1 *cpa,
 213                                unsigned long intparm,
 214                                __u8 lpm,
 215                                unsigned long flags,
 216                                int expires);
 217   int ccw_device_start_key(struct ccw_device *cdev,
 218                            struct ccw1 *cpa,
 219                            unsigned long intparm,
 220                            __u8 lpm,
 221                            __u8 key,
 222                            unsigned long flags);
 223   int ccw_device_start_key_timeout(struct ccw_device *cdev,
 224                                    struct ccw1 *cpa,
 225                                    unsigned long intparm,
 226                                    __u8 lpm,
 227                                    __u8 key,
 228                                    unsigned long flags,
 229                                    int expires);
 230
 231 ============= =============================================================
 232 cdev          ccw_device the I/O is destined for
 233 cpa           logical start address of channel program
 234 user_intparm  user specific interrupt information; will be presented
 235               back to the device driver's interrupt handler. Allows a
 236               device driver to associate the interrupt with a
 237               particular I/O request.
 238 lpm           defines the channel path to be used for a specific I/O
 239               request. A value of 0 will make cio use the opm.
 240 key           the storage key to use for the I/O (useful for operating on a
 241               storage with a storage key != default key)
 242 flag          defines the action to be performed for I/O processing
 243 expires       timeout value in jiffies. The common I/O layer will terminate
 244               the running program after this and call the interrupt handler
 245               with ERR_PTR(-ETIMEDOUT) as irb.
 246 ============= =============================================================
 247
 248 Possible flag values are:
 249
 250 ========================= =============================================
 251 DOIO_ALLOW_SUSPEND        channel program may become suspended
 252 DOIO_DENY_PREFETCH        don't allow for CCW prefetch; usually
 253                           this implies the channel program might
 254                           become modified
 255 DOIO_SUPPRESS_INTER       don't call the handler on intermediate status
 256 ========================= =============================================
 257
 258 The cpa parameter points to the first format 1 CCW of a channel program::
 259
 260   struct ccw1 {
 261         __u8  cmd_code;/* command code */
 262         __u8  flags;   /* flags, like IDA addressing, etc. */
 263         __u16 count;   /* byte count */
 264         __u32 cda;     /* data address */
 265   } __attribute__ ((packed,aligned(8)));
 266
 267 with the following CCW flags values defined:
 268
 269 =================== =========================
 270 CCW_FLAG_DC         data chaining
 271 CCW_FLAG_CC         command chaining
 272 CCW_FLAG_SLI        suppress incorrect length
 273 CCW_FLAG_SKIP       skip
 274 CCW_FLAG_PCI        PCI
 275 CCW_FLAG_IDA        indirect addressing
 276 CCW_FLAG_SUSPEND    suspend
 277 =================== =========================
 278
 279
 280 Via ccw_device_set_options(), the device driver may specify the following
 281 options for the device:
 282
 283 ========================= ======================================
 284 DOIO_EARLY_NOTIFICATION   allow for early interrupt notification
 285 DOIO_REPORT_ALL           report all interrupt conditions
 286 ========================= ======================================
 287
 288
 289 The ccw_device_start() function returns:
 290
 291 ======== ======================================================================
 292       0  successful completion or request successfully initiated
 293  -EBUSY  The device is currently processing a previous I/O request, or there is
 294          a status pending at the device.
 295 -ENODEV  cdev is invalid, the device is not operational or the ccw_device is
 296          not online.
 297 ======== ======================================================================
 298
 299 When the I/O request completes, the CDS first level interrupt handler will
 300 accumulate the status in a struct irb and then call the device interrupt handler.
 301 The intparm field will contain the value the device driver has associated with a
 302 particular I/O request. If a pending device status was recognized,
 303 intparm will be set to 0 (zero). This may happen during I/O initiation or delayed
 304 by an alert status notification. In any case this status is not related to the
 305 current (last) I/O request. In case of a delayed status notification no special
 306 interrupt will be presented to indicate I/O completion as the I/O request was
 307 never started, even though ccw_device_start() returned with successful completion.
 308
 309 The irb may contain an error value, and the device driver should check for this
 310 first:
 311
 312 ========== =================================================================
 313 -ETIMEDOUT the common I/O layer terminated the request after the specified
 314            timeout value
 315 -EIO       the common I/O layer terminated the request due to an error state
 316 ========== =================================================================
 317
 318 If the concurrent sense flag in the extended status word (esw) in the irb is
 319 set, the field erw.scnt in the esw describes the number of device specific
 320 sense bytes available in the extended control word irb->scsw.ecw[]. No device
 321 sensing by the device driver itself is required.
 322
 323 The device interrupt handler can use the following definitions to investigate
 324 the primary unit check source coded in sense byte 0 :
 325
 326 ======================= ====
 327 SNS0_CMD_REJECT         0x80
 328 SNS0_INTERVENTION_REQ   0x40
 329 SNS0_BUS_OUT_CHECK      0x20
 330 SNS0_EQUIPMENT_CHECK    0x10
 331 SNS0_DATA_CHECK         0x08
 332 SNS0_OVERRUN            0x04
 333 SNS0_INCOMPL_DOMAIN     0x01
 334 ======================= ====
 335
 336 Depending on the device status, multiple of those values may be set together.
 337 Please refer to the device specific documentation for details.
 338
 339 The irb->scsw.cstat field provides the (accumulated) subchannel status :
 340
 341 ========================= ============================
 342 SCHN_STAT_PCI             program controlled interrupt
 343 SCHN_STAT_INCORR_LEN      incorrect length
 344 SCHN_STAT_PROG_CHECK      program check
 345 SCHN_STAT_PROT_CHECK      protection check
 346 SCHN_STAT_CHN_DATA_CHK    channel data check
 347 SCHN_STAT_CHN_CTRL_CHK    channel control check
 348 SCHN_STAT_INTF_CTRL_CHK   interface control check
 349 SCHN_STAT_CHAIN_CHECK     chaining check
 350 ========================= ============================
 351
 352 The irb->scsw.dstat field provides the (accumulated) device status :
 353
 354 ===================== =================
 355 DEV_STAT_ATTENTION    attention
 356 DEV_STAT_STAT_MOD     status modifier
 357 DEV_STAT_CU_END       control unit end
 358 DEV_STAT_BUSY         busy
 359 DEV_STAT_CHN_END      channel end
 360 DEV_STAT_DEV_END      device end
 361 DEV_STAT_UNIT_CHECK   unit check
 362 DEV_STAT_UNIT_EXCEP   unit exception
 363 ===================== =================
 364
 365 Please see the ESA/390 Principles of Operation manual for details on the
 366 individual flag meanings.
 367
 368 Usage Notes:
 369
 370 ccw_device_start() must be called disabled and with the ccw device lock held.
 371
 372 The device driver is allowed to issue the next ccw_device_start() call from
 373 within its interrupt handler already. It is not required to schedule a
 374 bottom-half, unless a non deterministically long running error recovery procedure
 375 or similar needs to be scheduled. During I/O processing the Linux/390 generic
 376 I/O device driver support has already obtained the IRQ lock, i.e. the handler
 377 must not try to obtain it again when calling ccw_device_start() or we end in a
 378 deadlock situation!
 379
 380 If a device driver relies on an I/O request to be completed prior to start the
 381 next it can reduce I/O processing overhead by chaining a NoOp I/O command
 382 CCW_CMD_NOOP to the end of the submitted CCW chain. This will force Channel-End
 383 and Device-End status to be presented together, with a single interrupt.
 384 However, this should be used with care as it implies the channel will remain
 385 busy, not being able to process I/O requests for other devices on the same
 386 channel. Therefore e.g. read commands should never use this technique, as the
 387 result will be presented by a single interrupt anyway.
 388
 389 In order to minimize I/O overhead, a device driver should use the
 390 DOIO_REPORT_ALL  only if the device can report intermediate interrupt
 391 information prior to device-end the device driver urgently relies on. In this
 392 case all I/O interruptions are presented to the device driver until final
 393 status is recognized.
 394
 395 If a device is able to recover from asynchronously presented I/O errors, it can
 396 perform overlapping I/O using the DOIO_EARLY_NOTIFICATION flag. While some
 397 devices always report channel-end and device-end together, with a single
 398 interrupt, others present primary status (channel-end) when the channel is
 399 ready for the next I/O request and secondary status (device-end) when the data
 400 transmission has been completed at the device.
 401
 402 Above flag allows to exploit this feature, e.g. for communication devices that
 403 can handle lost data on the network to allow for enhanced I/O processing.
 404
 405 Unless the channel subsystem at any time presents a secondary status interrupt,
 406 exploiting this feature will cause only primary status interrupts to be
 407 presented to the device driver while overlapping I/O is performed. When a
 408 secondary status without error (alert status) is presented, this indicates
 409 successful completion for all overlapping ccw_device_start() requests that have
 410 been issued since the last secondary (final) status.
 411
 412 Channel programs that intend to set the suspend flag on a channel command word
 413 (CCW)  must start the I/O operation with the DOIO_ALLOW_SUSPEND option or the
 414 suspend flag will cause a channel program check. At the time the channel program
 415 becomes suspended an intermediate interrupt will be generated by the channel
 416 subsystem.
 417
 418 ccw_device_resume() - Resume Channel Program Execution
 419
 420 If a device driver chooses to suspend the current channel program execution by
 421 setting the CCW suspend flag on a particular CCW, the channel program execution
 422 is suspended. In order to resume channel program execution the CIO layer
 423 provides the ccw_device_resume() routine.
 424
 425 ::
 426
 427   int ccw_device_resume(struct ccw_device *cdev);
 428
 429 ====  ================================================
 430 cdev  ccw_device the resume operation is requested for
 431 ====  ================================================
 432
 433 The ccw_device_resume() function returns:
 434
 435 =========   ==============================================
 436         0   suspended channel program is resumed
 437    -EBUSY   status pending
 438   -ENODEV   cdev invalid or not-operational subchannel
 439   -EINVAL   resume function not applicable
 440 -ENOTCONN   there is no I/O request pending for completion
 441 =========   ==============================================
 442
 443 Usage Notes:
 444
 445 Please have a look at the ccw_device_start() usage notes for more details on
 446 suspended channel programs.
 447
 448 ccw_device_halt() - Halt I/O Request Processing
 449
 450 Sometimes a device driver might need a possibility to stop the processing of
 451 a long-running channel program or the device might require to initially issue
 452 a halt subchannel (HSCH) I/O command. For those purposes the ccw_device_halt()
 453 command is provided.
 454
 455 ccw_device_halt() must be called disabled and with the ccw device lock held.
 456
 457 ::
 458
 459   int ccw_device_halt(struct ccw_device *cdev,
 460                       unsigned long intparm);
 461
 462 =======  =====================================================
 463 cdev     ccw_device the halt operation is requested for
 464 intparm  interruption parameter; value is only used if no I/O
 465          is outstanding, otherwise the intparm associated with
 466          the I/O request is returned
 467 =======  =====================================================
 468
 469 The ccw_device_halt() function returns:
 470
 471 =======  ==============================================================
 472       0  request successfully initiated
 473 -EBUSY   the device is currently busy, or status pending.
 474 -ENODEV  cdev invalid.
 475 -EINVAL  The device is not operational or the ccw device is not online.
 476 =======  ==============================================================
 477
 478 Usage Notes:
 479
 480 A device driver may write a never-ending channel program by writing a channel
 481 program that at its end loops back to its beginning by means of a transfer in
 482 channel (TIC)   command (CCW_CMD_TIC). Usually this is performed by network
 483 device drivers by setting the PCI CCW flag (CCW_FLAG_PCI). Once this CCW is
 484 executed a program controlled interrupt (PCI) is generated. The device driver
 485 can then perform an appropriate action. Prior to interrupt of an outstanding
 486 read to a network device (with or without PCI flag) a ccw_device_halt()
 487 is required to end the pending operation.
 488
 489 ::
 490
 491   ccw_device_clear() - Terminage I/O Request Processing
 492
 493 In order to terminate all I/O processing at the subchannel, the clear subchannel
 494 (CSCH) command is used. It can be issued via ccw_device_clear().
 495
 496 ccw_device_clear() must be called disabled and with the ccw device lock held.
 497
 498 ::
 499
 500   int ccw_device_clear(struct ccw_device *cdev, unsigned long intparm);
 501
 502 ======= ===============================================
 503 cdev    ccw_device the clear operation is requested for
 504 intparm interruption parameter (see ccw_device_halt())
 505 ======= ===============================================
 506
 507 The ccw_device_clear() function returns:
 508
 509 =======  ==============================================================
 510       0  request successfully initiated
 511 -ENODEV  cdev invalid
 512 -EINVAL  The device is not operational or the ccw device is not online.
 513 =======  ==============================================================
 514
 515 Miscellaneous Support Routines
 516 ------------------------------
 517
 518 This chapter describes various routines to be used in a Linux/390 device
 519 driver programming environment.
 520
 521 get_ccwdev_lock()
 522
 523 Get the address of the device specific lock. This is then used in
 524 spin_lock() / spin_unlock() calls.
 525
 526 ::
 527
 528   __u8 ccw_device_get_path_mask(struct ccw_device *cdev);
 529
 530 Get the mask of the path currently available for cdev.