Merge tag 'sh-for-5.9' of git://git.libc.org/linux-sh
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / powerpc / cxlflash.rst
blobcea67931b3b9b1558501ad672a9dbc4f3d4733ee
1 ================================
2 Coherent Accelerator (CXL) Flash
3 ================================
5 Introduction
6 ============
8     The IBM Power architecture provides support for CAPI (Coherent
9     Accelerator Power Interface), which is available to certain PCIe slots
10     on Power 8 systems. CAPI can be thought of as a special tunneling
11     protocol through PCIe that allow PCIe adapters to look like special
12     purpose co-processors which can read or write an application's
13     memory and generate page faults. As a result, the host interface to
14     an adapter running in CAPI mode does not require the data buffers to
15     be mapped to the device's memory (IOMMU bypass) nor does it require
16     memory to be pinned.
18     On Linux, Coherent Accelerator (CXL) kernel services present CAPI
19     devices as a PCI device by implementing a virtual PCI host bridge.
20     This abstraction simplifies the infrastructure and programming
21     model, allowing for drivers to look similar to other native PCI
22     device drivers.
24     CXL provides a mechanism by which user space applications can
25     directly talk to a device (network or storage) bypassing the typical
26     kernel/device driver stack. The CXL Flash Adapter Driver enables a
27     user space application direct access to Flash storage.
29     The CXL Flash Adapter Driver is a kernel module that sits in the
30     SCSI stack as a low level device driver (below the SCSI disk and
31     protocol drivers) for the IBM CXL Flash Adapter. This driver is
32     responsible for the initialization of the adapter, setting up the
33     special path for user space access, and performing error recovery. It
34     communicates directly the Flash Accelerator Functional Unit (AFU)
35     as described in Documentation/powerpc/cxl.rst.
37     The cxlflash driver supports two, mutually exclusive, modes of
38     operation at the device (LUN) level:
40         - Any flash device (LUN) can be configured to be accessed as a
41           regular disk device (i.e.: /dev/sdc). This is the default mode.
43         - Any flash device (LUN) can be configured to be accessed from
44           user space with a special block library. This mode further
45           specifies the means of accessing the device and provides for
46           either raw access to the entire LUN (referred to as direct
47           or physical LUN access) or access to a kernel/AFU-mediated
48           partition of the LUN (referred to as virtual LUN access). The
49           segmentation of a disk device into virtual LUNs is assisted
50           by special translation services provided by the Flash AFU.
52 Overview
53 ========
55     The Coherent Accelerator Interface Architecture (CAIA) introduces a
56     concept of a master context. A master typically has special privileges
57     granted to it by the kernel or hypervisor allowing it to perform AFU
58     wide management and control. The master may or may not be involved
59     directly in each user I/O, but at the minimum is involved in the
60     initial setup before the user application is allowed to send requests
61     directly to the AFU.
63     The CXL Flash Adapter Driver establishes a master context with the
64     AFU. It uses memory mapped I/O (MMIO) for this control and setup. The
65     Adapter Problem Space Memory Map looks like this::
67                      +-------------------------------+
68                      |    512 * 64 KB User MMIO      |
69                      |        (per context)          |
70                      |       User Accessible         |
71                      +-------------------------------+
72                      |    512 * 128 B per context    |
73                      |    Provisioning and Control   |
74                      |   Trusted Process accessible  |
75                      +-------------------------------+
76                      |         64 KB Global          |
77                      |   Trusted Process accessible  |
78                      +-------------------------------+
80     This driver configures itself into the SCSI software stack as an
81     adapter driver. The driver is the only entity that is considered a
82     Trusted Process to program the Provisioning and Control and Global
83     areas in the MMIO Space shown above.  The master context driver
84     discovers all LUNs attached to the CXL Flash adapter and instantiates
85     scsi block devices (/dev/sdb, /dev/sdc etc.) for each unique LUN
86     seen from each path.
88     Once these scsi block devices are instantiated, an application
89     written to a specification provided by the block library may get
90     access to the Flash from user space (without requiring a system call).
92     This master context driver also provides a series of ioctls for this
93     block library to enable this user space access.  The driver supports
94     two modes for accessing the block device.
96     The first mode is called a virtual mode. In this mode a single scsi
97     block device (/dev/sdb) may be carved up into any number of distinct
98     virtual LUNs. The virtual LUNs may be resized as long as the sum of
99     the sizes of all the virtual LUNs, along with the meta-data associated
100     with it does not exceed the physical capacity.
102     The second mode is called the physical mode. In this mode a single
103     block device (/dev/sdb) may be opened directly by the block library
104     and the entire space for the LUN is available to the application.
106     Only the physical mode provides persistence of the data.  i.e. The
107     data written to the block device will survive application exit and
108     restart and also reboot. The virtual LUNs do not persist (i.e. do
109     not survive after the application terminates or the system reboots).
112 Block library API
113 =================
115     Applications intending to get access to the CXL Flash from user
116     space should use the block library, as it abstracts the details of
117     interfacing directly with the cxlflash driver that are necessary for
118     performing administrative actions (i.e.: setup, tear down, resize).
119     The block library can be thought of as a 'user' of services,
120     implemented as IOCTLs, that are provided by the cxlflash driver
121     specifically for devices (LUNs) operating in user space access
122     mode. While it is not a requirement that applications understand
123     the interface between the block library and the cxlflash driver,
124     a high-level overview of each supported service (IOCTL) is provided
125     below.
127     The block library can be found on GitHub:
128     http://github.com/open-power/capiflash
131 CXL Flash Driver LUN IOCTLs
132 ===========================
134     Users, such as the block library, that wish to interface with a flash
135     device (LUN) via user space access need to use the services provided
136     by the cxlflash driver. As these services are implemented as ioctls,
137     a file descriptor handle must first be obtained in order to establish
138     the communication channel between a user and the kernel.  This file
139     descriptor is obtained by opening the device special file associated
140     with the scsi disk device (/dev/sdb) that was created during LUN
141     discovery. As per the location of the cxlflash driver within the
142     SCSI protocol stack, this open is actually not seen by the cxlflash
143     driver. Upon successful open, the user receives a file descriptor
144     (herein referred to as fd1) that should be used for issuing the
145     subsequent ioctls listed below.
147     The structure definitions for these IOCTLs are available in:
148     uapi/scsi/cxlflash_ioctl.h
150 DK_CXLFLASH_ATTACH
151 ------------------
153     This ioctl obtains, initializes, and starts a context using the CXL
154     kernel services. These services specify a context id (u16) by which
155     to uniquely identify the context and its allocated resources. The
156     services additionally provide a second file descriptor (herein
157     referred to as fd2) that is used by the block library to initiate
158     memory mapped I/O (via mmap()) to the CXL flash device and poll for
159     completion events. This file descriptor is intentionally installed by
160     this driver and not the CXL kernel services to allow for intermediary
161     notification and access in the event of a non-user-initiated close(),
162     such as a killed process. This design point is described in further
163     detail in the description for the DK_CXLFLASH_DETACH ioctl.
165     There are a few important aspects regarding the "tokens" (context id
166     and fd2) that are provided back to the user:
168         - These tokens are only valid for the process under which they
169           were created. The child of a forked process cannot continue
170           to use the context id or file descriptor created by its parent
171           (see DK_CXLFLASH_VLUN_CLONE for further details).
173         - These tokens are only valid for the lifetime of the context and
174           the process under which they were created. Once either is
175           destroyed, the tokens are to be considered stale and subsequent
176           usage will result in errors.
178         - A valid adapter file descriptor (fd2 >= 0) is only returned on
179           the initial attach for a context. Subsequent attaches to an
180           existing context (DK_CXLFLASH_ATTACH_REUSE_CONTEXT flag present)
181           do not provide the adapter file descriptor as it was previously
182           made known to the application.
184         - When a context is no longer needed, the user shall detach from
185           the context via the DK_CXLFLASH_DETACH ioctl. When this ioctl
186           returns with a valid adapter file descriptor and the return flag
187           DK_CXLFLASH_APP_CLOSE_ADAP_FD is present, the application _must_
188           close the adapter file descriptor following a successful detach.
190         - When this ioctl returns with a valid fd2 and the return flag
191           DK_CXLFLASH_APP_CLOSE_ADAP_FD is present, the application _must_
192           close fd2 in the following circumstances:
194                 + Following a successful detach of the last user of the context
195                 + Following a successful recovery on the context's original fd2
196                 + In the child process of a fork(), following a clone ioctl,
197                   on the fd2 associated with the source context
199         - At any time, a close on fd2 will invalidate the tokens. Applications
200           should exercise caution to only close fd2 when appropriate (outlined
201           in the previous bullet) to avoid premature loss of I/O.
203 DK_CXLFLASH_USER_DIRECT
204 -----------------------
205     This ioctl is responsible for transitioning the LUN to direct
206     (physical) mode access and configuring the AFU for direct access from
207     user space on a per-context basis. Additionally, the block size and
208     last logical block address (LBA) are returned to the user.
210     As mentioned previously, when operating in user space access mode,
211     LUNs may be accessed in whole or in part. Only one mode is allowed
212     at a time and if one mode is active (outstanding references exist),
213     requests to use the LUN in a different mode are denied.
215     The AFU is configured for direct access from user space by adding an
216     entry to the AFU's resource handle table. The index of the entry is
217     treated as a resource handle that is returned to the user. The user
218     is then able to use the handle to reference the LUN during I/O.
220 DK_CXLFLASH_USER_VIRTUAL
221 ------------------------
222     This ioctl is responsible for transitioning the LUN to virtual mode
223     of access and configuring the AFU for virtual access from user space
224     on a per-context basis. Additionally, the block size and last logical
225     block address (LBA) are returned to the user.
227     As mentioned previously, when operating in user space access mode,
228     LUNs may be accessed in whole or in part. Only one mode is allowed
229     at a time and if one mode is active (outstanding references exist),
230     requests to use the LUN in a different mode are denied.
232     The AFU is configured for virtual access from user space by adding
233     an entry to the AFU's resource handle table. The index of the entry
234     is treated as a resource handle that is returned to the user. The
235     user is then able to use the handle to reference the LUN during I/O.
237     By default, the virtual LUN is created with a size of 0. The user
238     would need to use the DK_CXLFLASH_VLUN_RESIZE ioctl to adjust the grow
239     the virtual LUN to a desired size. To avoid having to perform this
240     resize for the initial creation of the virtual LUN, the user has the
241     option of specifying a size as part of the DK_CXLFLASH_USER_VIRTUAL
242     ioctl, such that when success is returned to the user, the
243     resource handle that is provided is already referencing provisioned
244     storage. This is reflected by the last LBA being a non-zero value.
246     When a LUN is accessible from more than one port, this ioctl will
247     return with the DK_CXLFLASH_ALL_PORTS_ACTIVE return flag set. This
248     provides the user with a hint that I/O can be retried in the event
249     of an I/O error as the LUN can be reached over multiple paths.
251 DK_CXLFLASH_VLUN_RESIZE
252 -----------------------
253     This ioctl is responsible for resizing a previously created virtual
254     LUN and will fail if invoked upon a LUN that is not in virtual
255     mode. Upon success, an updated last LBA is returned to the user
256     indicating the new size of the virtual LUN associated with the
257     resource handle.
259     The partitioning of virtual LUNs is jointly mediated by the cxlflash
260     driver and the AFU. An allocation table is kept for each LUN that is
261     operating in the virtual mode and used to program a LUN translation
262     table that the AFU references when provided with a resource handle.
264     This ioctl can return -EAGAIN if an AFU sync operation takes too long.
265     In addition to returning a failure to user, cxlflash will also schedule
266     an asynchronous AFU reset. Should the user choose to retry the operation,
267     it is expected to succeed. If this ioctl fails with -EAGAIN, the user
268     can either retry the operation or treat it as a failure.
270 DK_CXLFLASH_RELEASE
271 -------------------
272     This ioctl is responsible for releasing a previously obtained
273     reference to either a physical or virtual LUN. This can be
274     thought of as the inverse of the DK_CXLFLASH_USER_DIRECT or
275     DK_CXLFLASH_USER_VIRTUAL ioctls. Upon success, the resource handle
276     is no longer valid and the entry in the resource handle table is
277     made available to be used again.
279     As part of the release process for virtual LUNs, the virtual LUN
280     is first resized to 0 to clear out and free the translation tables
281     associated with the virtual LUN reference.
283 DK_CXLFLASH_DETACH
284 ------------------
285     This ioctl is responsible for unregistering a context with the
286     cxlflash driver and release outstanding resources that were
287     not explicitly released via the DK_CXLFLASH_RELEASE ioctl. Upon
288     success, all "tokens" which had been provided to the user from the
289     DK_CXLFLASH_ATTACH onward are no longer valid.
291     When the DK_CXLFLASH_APP_CLOSE_ADAP_FD flag was returned on a successful
292     attach, the application _must_ close the fd2 associated with the context
293     following the detach of the final user of the context.
295 DK_CXLFLASH_VLUN_CLONE
296 ----------------------
297     This ioctl is responsible for cloning a previously created
298     context to a more recently created context. It exists solely to
299     support maintaining user space access to storage after a process
300     forks. Upon success, the child process (which invoked the ioctl)
301     will have access to the same LUNs via the same resource handle(s)
302     as the parent, but under a different context.
304     Context sharing across processes is not supported with CXL and
305     therefore each fork must be met with establishing a new context
306     for the child process. This ioctl simplifies the state management
307     and playback required by a user in such a scenario. When a process
308     forks, child process can clone the parents context by first creating
309     a context (via DK_CXLFLASH_ATTACH) and then using this ioctl to
310     perform the clone from the parent to the child.
312     The clone itself is fairly simple. The resource handle and lun
313     translation tables are copied from the parent context to the child's
314     and then synced with the AFU.
316     When the DK_CXLFLASH_APP_CLOSE_ADAP_FD flag was returned on a successful
317     attach, the application _must_ close the fd2 associated with the source
318     context (still resident/accessible in the parent process) following the
319     clone. This is to avoid a stale entry in the file descriptor table of the
320     child process.
322     This ioctl can return -EAGAIN if an AFU sync operation takes too long.
323     In addition to returning a failure to user, cxlflash will also schedule
324     an asynchronous AFU reset. Should the user choose to retry the operation,
325     it is expected to succeed. If this ioctl fails with -EAGAIN, the user
326     can either retry the operation or treat it as a failure.
328 DK_CXLFLASH_VERIFY
329 ------------------
330     This ioctl is used to detect various changes such as the capacity of
331     the disk changing, the number of LUNs visible changing, etc. In cases
332     where the changes affect the application (such as a LUN resize), the
333     cxlflash driver will report the changed state to the application.
335     The user calls in when they want to validate that a LUN hasn't been
336     changed in response to a check condition. As the user is operating out
337     of band from the kernel, they will see these types of events without
338     the kernel's knowledge. When encountered, the user's architected
339     behavior is to call in to this ioctl, indicating what they want to
340     verify and passing along any appropriate information. For now, only
341     verifying a LUN change (ie: size different) with sense data is
342     supported.
344 DK_CXLFLASH_RECOVER_AFU
345 -----------------------
346     This ioctl is used to drive recovery (if such an action is warranted)
347     of a specified user context. Any state associated with the user context
348     is re-established upon successful recovery.
350     User contexts are put into an error condition when the device needs to
351     be reset or is terminating. Users are notified of this error condition
352     by seeing all 0xF's on an MMIO read. Upon encountering this, the
353     architected behavior for a user is to call into this ioctl to recover
354     their context. A user may also call into this ioctl at any time to
355     check if the device is operating normally. If a failure is returned
356     from this ioctl, the user is expected to gracefully clean up their
357     context via release/detach ioctls. Until they do, the context they
358     hold is not relinquished. The user may also optionally exit the process
359     at which time the context/resources they held will be freed as part of
360     the release fop.
362     When the DK_CXLFLASH_APP_CLOSE_ADAP_FD flag was returned on a successful
363     attach, the application _must_ unmap and close the fd2 associated with the
364     original context following this ioctl returning success and indicating that
365     the context was recovered (DK_CXLFLASH_RECOVER_AFU_CONTEXT_RESET).
367 DK_CXLFLASH_MANAGE_LUN
368 ----------------------
369     This ioctl is used to switch a LUN from a mode where it is available
370     for file-system access (legacy), to a mode where it is set aside for
371     exclusive user space access (superpipe). In case a LUN is visible
372     across multiple ports and adapters, this ioctl is used to uniquely
373     identify each LUN by its World Wide Node Name (WWNN).
376 CXL Flash Driver Host IOCTLs
377 ============================
379     Each host adapter instance that is supported by the cxlflash driver
380     has a special character device associated with it to enable a set of
381     host management function. These character devices are hosted in a
382     class dedicated for cxlflash and can be accessed via `/dev/cxlflash/*`.
384     Applications can be written to perform various functions using the
385     host ioctl APIs below.
387     The structure definitions for these IOCTLs are available in:
388     uapi/scsi/cxlflash_ioctl.h
390 HT_CXLFLASH_LUN_PROVISION
391 -------------------------
392     This ioctl is used to create and delete persistent LUNs on cxlflash
393     devices that lack an external LUN management interface. It is only
394     valid when used with AFUs that support the LUN provision capability.
396     When sufficient space is available, LUNs can be created by specifying
397     the target port to host the LUN and a desired size in 4K blocks. Upon
398     success, the LUN ID and WWID of the created LUN will be returned and
399     the SCSI bus can be scanned to detect the change in LUN topology. Note
400     that partial allocations are not supported. Should a creation fail due
401     to a space issue, the target port can be queried for its current LUN
402     geometry.
404     To remove a LUN, the device must first be disassociated from the Linux
405     SCSI subsystem. The LUN deletion can then be initiated by specifying a
406     target port and LUN ID. Upon success, the LUN geometry associated with
407     the port will be updated to reflect new number of provisioned LUNs and
408     available capacity.
410     To query the LUN geometry of a port, the target port is specified and
411     upon success, the following information is presented:
413         - Maximum number of provisioned LUNs allowed for the port
414         - Current number of provisioned LUNs for the port
415         - Maximum total capacity of provisioned LUNs for the port (4K blocks)
416         - Current total capacity of provisioned LUNs for the port (4K blocks)
418     With this information, the number of available LUNs and capacity can be
419     can be calculated.
421 HT_CXLFLASH_AFU_DEBUG
422 ---------------------
423     This ioctl is used to debug AFUs by supporting a command pass-through
424     interface. It is only valid when used with AFUs that support the AFU
425     debug capability.
427     With exception of buffer management, AFU debug commands are opaque to
428     cxlflash and treated as pass-through. For debug commands that do require
429     data transfer, the user supplies an adequately sized data buffer and must
430     specify the data transfer direction with respect to the host. There is a
431     maximum transfer size of 256K imposed. Note that partial read completions
432     are not supported - when errors are experienced with a host read data
433     transfer, the data buffer is not copied back to the user.