Merge tag 'for-6.1-rc3-tag' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/kdave...
[platform/kernel/linux-starfive.git] / Documentation / driver-api / vfio-mediated-device.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
2 .. include:: <isonum.txt>
3
4 =====================
5 VFIO Mediated devices
6 =====================
7
8 :Copyright: |copy| 2016, NVIDIA CORPORATION. All rights reserved.
9 :Author: Neo Jia <cjia@nvidia.com>
10 :Author: Kirti Wankhede <kwankhede@nvidia.com>
11
12
13
14 Virtual Function I/O (VFIO) Mediated devices[1]
15 ===============================================
16
17 The number of use cases for virtualizing DMA devices that do not have built-in
18 SR_IOV capability is increasing. Previously, to virtualize such devices,
19 developers had to create their own management interfaces and APIs, and then
20 integrate them with user space software. To simplify integration with user space
21 software, we have identified common requirements and a unified management
22 interface for such devices.
23
24 The VFIO driver framework provides unified APIs for direct device access. It is
25 an IOMMU/device-agnostic framework for exposing direct device access to user
26 space in a secure, IOMMU-protected environment. This framework is used for
27 multiple devices, such as GPUs, network adapters, and compute accelerators. With
28 direct device access, virtual machines or user space applications have direct
29 access to the physical device. This framework is reused for mediated devices.
30
31 The mediated core driver provides a common interface for mediated device
32 management that can be used by drivers of different devices. This module
33 provides a generic interface to perform these operations:
34
35 * Create and destroy a mediated device
36 * Add a mediated device to and remove it from a mediated bus driver
37 * Add a mediated device to and remove it from an IOMMU group
38
39 The mediated core driver also provides an interface to register a bus driver.
40 For example, the mediated VFIO mdev driver is designed for mediated devices and
41 supports VFIO APIs. The mediated bus driver adds a mediated device to and
42 removes it from a VFIO group.
43
44 The following high-level block diagram shows the main components and interfaces
45 in the VFIO mediated driver framework. The diagram shows NVIDIA, Intel, and IBM
46 devices as examples, as these devices are the first devices to use this module::
47
48      +---------------+
49      |               |
50      | +-----------+ |  mdev_register_driver() +--------------+
51      | |           | +<------------------------+              |
52      | |  mdev     | |                         |              |
53      | |  bus      | +------------------------>+ vfio_mdev.ko |<-> VFIO user
54      | |  driver   | |     probe()/remove()    |              |    APIs
55      | |           | |                         +--------------+
56      | +-----------+ |
57      |               |
58      |  MDEV CORE    |
59      |   MODULE      |
60      |   mdev.ko     |
61      | +-----------+ |  mdev_register_parent() +--------------+
62      | |           | +<------------------------+              |
63      | |           | |                         |  nvidia.ko   |<-> physical
64      | |           | +------------------------>+              |    device
65      | |           | |        callbacks        +--------------+
66      | | Physical  | |
67      | |  device   | |  mdev_register_parent() +--------------+
68      | | interface | |<------------------------+              |
69      | |           | |                         |  i915.ko     |<-> physical
70      | |           | +------------------------>+              |    device
71      | |           | |        callbacks        +--------------+
72      | |           | |
73      | |           | |  mdev_register_parent() +--------------+
74      | |           | +<------------------------+              |
75      | |           | |                         | ccw_device.ko|<-> physical
76      | |           | +------------------------>+              |    device
77      | |           | |        callbacks        +--------------+
78      | +-----------+ |
79      +---------------+
80
81
82 Registration Interfaces
83 =======================
84
85 The mediated core driver provides the following types of registration
86 interfaces:
87
88 * Registration interface for a mediated bus driver
89 * Physical device driver interface
90
91 Registration Interface for a Mediated Bus Driver
92 ------------------------------------------------
93
94 The registration interface for a mediated device driver provides the following
95 structure to represent a mediated device's driver::
96
97      /*
98       * struct mdev_driver [2] - Mediated device's driver
99       * @probe: called when new device created
100       * @remove: called when device removed
101       * @driver: device driver structure
102       */
103      struct mdev_driver {
104              int  (*probe)  (struct mdev_device *dev);
105              void (*remove) (struct mdev_device *dev);
106              unsigned int (*get_available)(struct mdev_type *mtype);
107              ssize_t (*show_description)(struct mdev_type *mtype, char *buf);
108              struct device_driver    driver;
109      };
110
111 A mediated bus driver for mdev should use this structure in the function calls
112 to register and unregister itself with the core driver:
113
114 * Register::
115
116     int mdev_register_driver(struct mdev_driver *drv);
117
118 * Unregister::
119
120     void mdev_unregister_driver(struct mdev_driver *drv);
121
122 The mediated bus driver's probe function should create a vfio_device on top of
123 the mdev_device and connect it to an appropriate implementation of
124 vfio_device_ops.
125
126 When a driver wants to add the GUID creation sysfs to an existing device it has
127 probe'd to then it should call::
128
129     int mdev_register_parent(struct mdev_parent *parent, struct device *dev,
130                         struct mdev_driver *mdev_driver);
131
132 This will provide the 'mdev_supported_types/XX/create' files which can then be
133 used to trigger the creation of a mdev_device. The created mdev_device will be
134 attached to the specified driver.
135
136 When the driver needs to remove itself it calls::
137
138     void mdev_unregister_parent(struct mdev_parent *parent);
139
140 Which will unbind and destroy all the created mdevs and remove the sysfs files.
141
142 Mediated Device Management Interface Through sysfs
143 ==================================================
144
145 The management interface through sysfs enables user space software, such as
146 libvirt, to query and configure mediated devices in a hardware-agnostic fashion.
147 This management interface provides flexibility to the underlying physical
148 device's driver to support features such as:
149
150 * Mediated device hot plug
151 * Multiple mediated devices in a single virtual machine
152 * Multiple mediated devices from different physical devices
153
154 Links in the mdev_bus Class Directory
155 -------------------------------------
156 The /sys/class/mdev_bus/ directory contains links to devices that are registered
157 with the mdev core driver.
158
159 Directories and files under the sysfs for Each Physical Device
160 --------------------------------------------------------------
161
162 ::
163
164   |- [parent physical device]
165   |--- Vendor-specific-attributes [optional]
166   |--- [mdev_supported_types]
167   |     |--- [<type-id>]
168   |     |   |--- create
169   |     |   |--- name
170   |     |   |--- available_instances
171   |     |   |--- device_api
172   |     |   |--- description
173   |     |   |--- [devices]
174   |     |--- [<type-id>]
175   |     |   |--- create
176   |     |   |--- name
177   |     |   |--- available_instances
178   |     |   |--- device_api
179   |     |   |--- description
180   |     |   |--- [devices]
181   |     |--- [<type-id>]
182   |          |--- create
183   |          |--- name
184   |          |--- available_instances
185   |          |--- device_api
186   |          |--- description
187   |          |--- [devices]
188
189 * [mdev_supported_types]
190
191   The list of currently supported mediated device types and their details.
192
193   [<type-id>], device_api, and available_instances are mandatory attributes
194   that should be provided by vendor driver.
195
196 * [<type-id>]
197
198   The [<type-id>] name is created by adding the device driver string as a prefix
199   to the string provided by the vendor driver. This format of this name is as
200   follows::
201
202         sprintf(buf, "%s-%s", dev_driver_string(parent->dev), group->name);
203
204 * device_api
205
206   This attribute shows which device API is being created, for example,
207   "vfio-pci" for a PCI device.
208
209 * available_instances
210
211   This attribute shows the number of devices of type <type-id> that can be
212   created.
213
214 * [device]
215
216   This directory contains links to the devices of type <type-id> that have been
217   created.
218
219 * name
220
221   This attribute shows a human readable name.
222
223 * description
224
225   This attribute can show brief features/description of the type. This is an
226   optional attribute.
227
228 Directories and Files Under the sysfs for Each mdev Device
229 ----------------------------------------------------------
230
231 ::
232
233   |- [parent phy device]
234   |--- [$MDEV_UUID]
235          |--- remove
236          |--- mdev_type {link to its type}
237          |--- vendor-specific-attributes [optional]
238
239 * remove (write only)
240
241 Writing '1' to the 'remove' file destroys the mdev device. The vendor driver can
242 fail the remove() callback if that device is active and the vendor driver
243 doesn't support hot unplug.
244
245 Example::
246
247         # echo 1 > /sys/bus/mdev/devices/$mdev_UUID/remove
248
249 Mediated device Hot plug
250 ------------------------
251
252 Mediated devices can be created and assigned at runtime. The procedure to hot
253 plug a mediated device is the same as the procedure to hot plug a PCI device.
254
255 Translation APIs for Mediated Devices
256 =====================================
257
258 The following APIs are provided for translating user pfn to host pfn in a VFIO
259 driver::
260
261         int vfio_pin_pages(struct vfio_device *device, dma_addr_t iova,
262                                   int npage, int prot, struct page **pages);
263
264         void vfio_unpin_pages(struct vfio_device *device, dma_addr_t iova,
265                                     int npage);
266
267 These functions call back into the back-end IOMMU module by using the pin_pages
268 and unpin_pages callbacks of the struct vfio_iommu_driver_ops[4]. Currently
269 these callbacks are supported in the TYPE1 IOMMU module. To enable them for
270 other IOMMU backend modules, such as PPC64 sPAPR module, they need to provide
271 these two callback functions.
272
273 Using the Sample Code
274 =====================
275
276 mtty.c in samples/vfio-mdev/ directory is a sample driver program to
277 demonstrate how to use the mediated device framework.
278
279 The sample driver creates an mdev device that simulates a serial port over a PCI
280 card.
281
282 1. Build and load the mtty.ko module.
283
284    This step creates a dummy device, /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
285
286    Files in this device directory in sysfs are similar to the following::
287
288      # tree /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
289         /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
290         |-- mdev_supported_types
291         |   |-- mtty-1
292         |   |   |-- available_instances
293         |   |   |-- create
294         |   |   |-- device_api
295         |   |   |-- devices
296         |   |   `-- name
297         |   `-- mtty-2
298         |       |-- available_instances
299         |       |-- create
300         |       |-- device_api
301         |       |-- devices
302         |       `-- name
303         |-- mtty_dev
304         |   `-- sample_mtty_dev
305         |-- power
306         |   |-- autosuspend_delay_ms
307         |   |-- control
308         |   |-- runtime_active_time
309         |   |-- runtime_status
310         |   `-- runtime_suspended_time
311         |-- subsystem -> ../../../../class/mtty
312         `-- uevent
313
314 2. Create a mediated device by using the dummy device that you created in the
315    previous step::
316
317      # echo "83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001" >    \
318               /sys/devices/virtual/mtty/mtty/mdev_supported_types/mtty-2/create
319
320 3. Add parameters to qemu-kvm::
321
322      -device vfio-pci,\
323       sysfsdev=/sys/bus/mdev/devices/83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001
324
325 4. Boot the VM.
326
327    In the Linux guest VM, with no hardware on the host, the device appears
328    as  follows::
329
330      # lspci -s 00:05.0 -xxvv
331      00:05.0 Serial controller: Device 4348:3253 (rev 10) (prog-if 02 [16550])
332              Subsystem: Device 4348:3253
333              Physical Slot: 5
334              Control: I/O+ Mem- BusMaster- SpecCycle- MemWINV- VGASnoop- ParErr-
335      Stepping- SERR- FastB2B- DisINTx-
336              Status: Cap- 66MHz- UDF- FastB2B- ParErr- DEVSEL=medium >TAbort-
337      <TAbort- <MAbort- >SERR- <PERR- INTx-
338              Interrupt: pin A routed to IRQ 10
339              Region 0: I/O ports at c150 [size=8]
340              Region 1: I/O ports at c158 [size=8]
341              Kernel driver in use: serial
342      00: 48 43 53 32 01 00 00 02 10 02 00 07 00 00 00 00
343      10: 51 c1 00 00 59 c1 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
344      20: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 48 43 53 32
345      30: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0a 01 00 00
346
347      In the Linux guest VM, dmesg output for the device is as follows:
348
349      serial 0000:00:05.0: PCI INT A -> Link[LNKA] -> GSI 10 (level, high) -> IRQ 10
350      0000:00:05.0: ttyS1 at I/O 0xc150 (irq = 10) is a 16550A
351      0000:00:05.0: ttyS2 at I/O 0xc158 (irq = 10) is a 16550A
352
353
354 5. In the Linux guest VM, check the serial ports::
355
356      # setserial -g /dev/ttyS*
357      /dev/ttyS0, UART: 16550A, Port: 0x03f8, IRQ: 4
358      /dev/ttyS1, UART: 16550A, Port: 0xc150, IRQ: 10
359      /dev/ttyS2, UART: 16550A, Port: 0xc158, IRQ: 10
360
361 6. Using minicom or any terminal emulation program, open port /dev/ttyS1 or
362    /dev/ttyS2 with hardware flow control disabled.
363
364 7. Type data on the minicom terminal or send data to the terminal emulation
365    program and read the data.
366
367    Data is loop backed from hosts mtty driver.
368
369 8. Destroy the mediated device that you created::
370
371      # echo 1 > /sys/bus/mdev/devices/83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001/remove
372
373 References
374 ==========
375
376 1. See Documentation/driver-api/vfio.rst for more information on VFIO.
377 2. struct mdev_driver in include/linux/mdev.h
378 3. struct mdev_parent_ops in include/linux/mdev.h
379 4. struct vfio_iommu_driver_ops in include/linux/vfio.h