GNU Linux-libre 4.19.264-gnu1
[releases.git] / Documentation / s390 / vfio-ccw.txt
1 vfio-ccw: the basic infrastructure
2 ==================================
3
4 Introduction
5 ------------
6
7 Here we describe the vfio support for I/O subchannel devices for
8 Linux/s390. Motivation for vfio-ccw is to passthrough subchannels to a
9 virtual machine, while vfio is the means.
10
11 Different than other hardware architectures, s390 has defined a unified
12 I/O access method, which is so called Channel I/O. It has its own access
13 patterns:
14 - Channel programs run asynchronously on a separate (co)processor.
15 - The channel subsystem will access any memory designated by the caller
16   in the channel program directly, i.e. there is no iommu involved.
17 Thus when we introduce vfio support for these devices, we realize it
18 with a mediated device (mdev) implementation. The vfio mdev will be
19 added to an iommu group, so as to make itself able to be managed by the
20 vfio framework. And we add read/write callbacks for special vfio I/O
21 regions to pass the channel programs from the mdev to its parent device
22 (the real I/O subchannel device) to do further address translation and
23 to perform I/O instructions.
24
25 This document does not intend to explain the s390 I/O architecture in
26 every detail. More information/reference could be found here:
27 - A good start to know Channel I/O in general:
28   https://en.wikipedia.org/wiki/Channel_I/O
29 - s390 architecture:
30   s390 Principles of Operation manual (IBM Form. No. SA22-7832)
31 - The existing QEMU code which implements a simple emulated channel
32   subsystem could also be a good reference. It makes it easier to follow
33   the flow.
34   qemu/hw/s390x/css.c
35
36 For vfio mediated device framework:
37 - Documentation/vfio-mediated-device.txt
38
39 Motivation of vfio-ccw
40 ----------------------
41
42 Typically, a guest virtualized via QEMU/KVM on s390 only sees
43 paravirtualized virtio devices via the "Virtio Over Channel I/O
44 (virtio-ccw)" transport. This makes virtio devices discoverable via
45 standard operating system algorithms for handling channel devices.
46
47 However this is not enough. On s390 for the majority of devices, which
48 use the standard Channel I/O based mechanism, we also need to provide
49 the functionality of passing through them to a QEMU virtual machine.
50 This includes devices that don't have a virtio counterpart (e.g. tape
51 drives) or that have specific characteristics which guests want to
52 exploit.
53
54 For passing a device to a guest, we want to use the same interface as
55 everybody else, namely vfio. We implement this vfio support for channel
56 devices via the vfio mediated device framework and the subchannel device
57 driver "vfio_ccw".
58
59 Access patterns of CCW devices
60 ------------------------------
61
62 s390 architecture has implemented a so called channel subsystem, that
63 provides a unified view of the devices physically attached to the
64 systems. Though the s390 hardware platform knows about a huge variety of
65 different peripheral attachments like disk devices (aka. DASDs), tapes,
66 communication controllers, etc. They can all be accessed by a well
67 defined access method and they are presenting I/O completion a unified
68 way: I/O interruptions.
69
70 All I/O requires the use of channel command words (CCWs). A CCW is an
71 instruction to a specialized I/O channel processor. A channel program is
72 a sequence of CCWs which are executed by the I/O channel subsystem.  To
73 issue a channel program to the channel subsystem, it is required to
74 build an operation request block (ORB), which can be used to point out
75 the format of the CCW and other control information to the system. The
76 operating system signals the I/O channel subsystem to begin executing
77 the channel program with a SSCH (start sub-channel) instruction. The
78 central processor is then free to proceed with non-I/O instructions
79 until interrupted. The I/O completion result is received by the
80 interrupt handler in the form of interrupt response block (IRB).
81
82 Back to vfio-ccw, in short:
83 - ORBs and channel programs are built in guest kernel (with guest
84   physical addresses).
85 - ORBs and channel programs are passed to the host kernel.
86 - Host kernel translates the guest physical addresses to real addresses
87   and starts the I/O with issuing a privileged Channel I/O instruction
88   (e.g SSCH).
89 - channel programs run asynchronously on a separate processor.
90 - I/O completion will be signaled to the host with I/O interruptions.
91   And it will be copied as IRB to user space to pass it back to the
92   guest.
93
94 Physical vfio ccw device and its child mdev
95 -------------------------------------------
96
97 As mentioned above, we realize vfio-ccw with a mdev implementation.
98
99 Channel I/O does not have IOMMU hardware support, so the physical
100 vfio-ccw device does not have an IOMMU level translation or isolation.
101
102 Subchannel I/O instructions are all privileged instructions. When
103 handling the I/O instruction interception, vfio-ccw has the software
104 policing and translation how the channel program is programmed before
105 it gets sent to hardware.
106
107 Within this implementation, we have two drivers for two types of
108 devices:
109 - The vfio_ccw driver for the physical subchannel device.
110   This is an I/O subchannel driver for the real subchannel device.  It
111   realizes a group of callbacks and registers to the mdev framework as a
112   parent (physical) device. As a consequence, mdev provides vfio_ccw a
113   generic interface (sysfs) to create mdev devices. A vfio mdev could be
114   created by vfio_ccw then and added to the mediated bus. It is the vfio
115   device that added to an IOMMU group and a vfio group.
116   vfio_ccw also provides an I/O region to accept channel program
117   request from user space and store I/O interrupt result for user
118   space to retrieve. To notify user space an I/O completion, it offers
119   an interface to setup an eventfd fd for asynchronous signaling.
120
121 - The vfio_mdev driver for the mediated vfio ccw device.
122   This is provided by the mdev framework. It is a vfio device driver for
123   the mdev that created by vfio_ccw.
124   It realizes a group of vfio device driver callbacks, adds itself to a
125   vfio group, and registers itself to the mdev framework as a mdev
126   driver.
127   It uses a vfio iommu backend that uses the existing map and unmap
128   ioctls, but rather than programming them into an IOMMU for a device,
129   it simply stores the translations for use by later requests. This
130   means that a device programmed in a VM with guest physical addresses
131   can have the vfio kernel convert that address to process virtual
132   address, pin the page and program the hardware with the host physical
133   address in one step.
134   For a mdev, the vfio iommu backend will not pin the pages during the
135   VFIO_IOMMU_MAP_DMA ioctl. Mdev framework will only maintain a database
136   of the iova<->vaddr mappings in this operation. And they export a
137   vfio_pin_pages and a vfio_unpin_pages interfaces from the vfio iommu
138   backend for the physical devices to pin and unpin pages by demand.
139
140 Below is a high Level block diagram.
141
142  +-------------+
143  |             |
144  | +---------+ | mdev_register_driver() +--------------+
145  | |  Mdev   | +<-----------------------+              |
146  | |  bus    | |                        | vfio_mdev.ko |
147  | | driver  | +----------------------->+              |<-> VFIO user
148  | +---------+ |    probe()/remove()    +--------------+    APIs
149  |             |
150  |  MDEV CORE  |
151  |   MODULE    |
152  |   mdev.ko   |
153  | +---------+ | mdev_register_device() +--------------+
154  | |Physical | +<-----------------------+              |
155  | | device  | |                        |  vfio_ccw.ko |<-> subchannel
156  | |interface| +----------------------->+              |     device
157  | +---------+ |       callback         +--------------+
158  +-------------+
159
160 The process of how these work together.
161 1. vfio_ccw.ko drives the physical I/O subchannel, and registers the
162    physical device (with callbacks) to mdev framework.
163    When vfio_ccw probing the subchannel device, it registers device
164    pointer and callbacks to the mdev framework. Mdev related file nodes
165    under the device node in sysfs would be created for the subchannel
166    device, namely 'mdev_create', 'mdev_destroy' and
167    'mdev_supported_types'.
168 2. Create a mediated vfio ccw device.
169    Use the 'mdev_create' sysfs file, we need to manually create one (and
170    only one for our case) mediated device.
171 3. vfio_mdev.ko drives the mediated ccw device.
172    vfio_mdev is also the vfio device drvier. It will probe the mdev and
173    add it to an iommu_group and a vfio_group. Then we could pass through
174    the mdev to a guest.
175
176 vfio-ccw I/O region
177 -------------------
178
179 An I/O region is used to accept channel program request from user
180 space and store I/O interrupt result for user space to retrieve. The
181 definition of the region is:
182
183 struct ccw_io_region {
184 #define ORB_AREA_SIZE 12
185         __u8    orb_area[ORB_AREA_SIZE];
186 #define SCSW_AREA_SIZE 12
187         __u8    scsw_area[SCSW_AREA_SIZE];
188 #define IRB_AREA_SIZE 96
189         __u8    irb_area[IRB_AREA_SIZE];
190         __u32   ret_code;
191 } __packed;
192
193 While starting an I/O request, orb_area should be filled with the
194 guest ORB, and scsw_area should be filled with the SCSW of the Virtual
195 Subchannel.
196
197 irb_area stores the I/O result.
198
199 ret_code stores a return code for each access of the region.
200
201 vfio-ccw operation details
202 --------------------------
203
204 vfio-ccw follows what vfio-pci did on the s390 platform and uses
205 vfio-iommu-type1 as the vfio iommu backend.
206
207 * CCW translation APIs
208   A group of APIs (start with 'cp_') to do CCW translation. The CCWs
209   passed in by a user space program are organized with their guest
210   physical memory addresses. These APIs will copy the CCWs into kernel
211   space, and assemble a runnable kernel channel program by updating the
212   guest physical addresses with their corresponding host physical addresses.
213   Note that we have to use IDALs even for direct-access CCWs, as the
214   referenced memory can be located anywhere, including above 2G.
215
216 * vfio_ccw device driver
217   This driver utilizes the CCW translation APIs and introduces
218   vfio_ccw, which is the driver for the I/O subchannel devices you want
219   to pass through.
220   vfio_ccw implements the following vfio ioctls:
221     VFIO_DEVICE_GET_INFO
222     VFIO_DEVICE_GET_IRQ_INFO
223     VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO
224     VFIO_DEVICE_RESET
225     VFIO_DEVICE_SET_IRQS
226   This provides an I/O region, so that the user space program can pass a
227   channel program to the kernel, to do further CCW translation before
228   issuing them to a real device.
229   This also provides the SET_IRQ ioctl to setup an event notifier to
230   notify the user space program the I/O completion in an asynchronous
231   way.
232
233 The use of vfio-ccw is not limited to QEMU, while QEMU is definitely a
234 good example to get understand how these patches work. Here is a little
235 bit more detail how an I/O request triggered by the QEMU guest will be
236 handled (without error handling).
237
238 Explanation:
239 Q1-Q7: QEMU side process.
240 K1-K5: Kernel side process.
241
242 Q1. Get I/O region info during initialization.
243 Q2. Setup event notifier and handler to handle I/O completion.
244
245 ... ...
246
247 Q3. Intercept a ssch instruction.
248 Q4. Write the guest channel program and ORB to the I/O region.
249     K1. Copy from guest to kernel.
250     K2. Translate the guest channel program to a host kernel space
251         channel program, which becomes runnable for a real device.
252     K3. With the necessary information contained in the orb passed in
253         by QEMU, issue the ccwchain to the device.
254     K4. Return the ssch CC code.
255 Q5. Return the CC code to the guest.
256
257 ... ...
258
259     K5. Interrupt handler gets the I/O result and write the result to
260         the I/O region.
261     K6. Signal QEMU to retrieve the result.
262 Q6. Get the signal and event handler reads out the result from the I/O
263     region.
264 Q7. Update the irb for the guest.
265
266 Limitations
267 -----------
268
269 The current vfio-ccw implementation focuses on supporting basic commands
270 needed to implement block device functionality (read/write) of DASD/ECKD
271 device only. Some commands may need special handling in the future, for
272 example, anything related to path grouping.
273
274 DASD is a kind of storage device. While ECKD is a data recording format.
275 More information for DASD and ECKD could be found here:
276 https://en.wikipedia.org/wiki/Direct-access_storage_device
277 https://en.wikipedia.org/wiki/Count_key_data
278
279 Together with the corresponding work in QEMU, we can bring the passed
280 through DASD/ECKD device online in a guest now and use it as a block
281 device.
282
283 While the current code allows the guest to start channel programs via
284 START SUBCHANNEL, support for HALT SUBCHANNEL or CLEAR SUBCHANNEL is
285 not yet implemented.
286
287 vfio-ccw supports classic (command mode) channel I/O only. Transport
288 mode (HPF) is not supported.
289
290 QDIO subchannels are currently not supported. Classic devices other than
291 DASD/ECKD might work, but have not been tested.
292
293 Reference
294 ---------
295 1. ESA/s390 Principles of Operation manual (IBM Form. No. SA22-7832)
296 2. ESA/390 Common I/O Device Commands manual (IBM Form. No. SA22-7204)
297 3. https://en.wikipedia.org/wiki/Channel_I/O
298 4. Documentation/s390/cds.txt
299 5. Documentation/vfio.txt
300 6. Documentation/vfio-mediated-device.txt