Documentation/vfio.txt

   1 VFIO - "Virtual Function I/O"[1]
   2 -------------------------------------------------------------------------------
   3 Many modern system now provide DMA and interrupt remapping facilities
   4 to help ensure I/O devices behave within the boundaries they've been
   5 allotted.  This includes x86 hardware with AMD-Vi and Intel VT-d,
   6 POWER systems with Partitionable Endpoints (PEs) and embedded PowerPC
   7 systems such as Freescale PAMU.  The VFIO driver is an IOMMU/device
   8 agnostic framework for exposing direct device access to userspace, in
   9 a secure, IOMMU protected environment.  In other words, this allows
  10 safe[2], non-privileged, userspace drivers.
  11
  12 Why do we want that?  Virtual machines often make use of direct device
  13 access ("device assignment") when configured for the highest possible
  14 I/O performance.  From a device and host perspective, this simply
  15 turns the VM into a userspace driver, with the benefits of
  16 significantly reduced latency, higher bandwidth, and direct use of
  17 bare-metal device drivers[3].
  18
  19 Some applications, particularly in the high performance computing
  20 field, also benefit from low-overhead, direct device access from
  21 userspace.  Examples include network adapters (often non-TCP/IP based)
  22 and compute accelerators.  Prior to VFIO, these drivers had to either
  23 go through the full development cycle to become proper upstream
  24 driver, be maintained out of tree, or make use of the UIO framework,
  25 which has no notion of IOMMU protection, limited interrupt support,
  26 and requires root privileges to access things like PCI configuration
  27 space.
  28
  29 The VFIO driver framework intends to unify these, replacing both the
  30 KVM PCI specific device assignment code as well as provide a more
  31 secure, more featureful userspace driver environment than UIO.
  32
  33 Groups, Devices, and IOMMUs
  34 -------------------------------------------------------------------------------
  35
  36 Devices are the main target of any I/O driver.  Devices typically
  37 create a programming interface made up of I/O access, interrupts,
  38 and DMA.  Without going into the details of each of these, DMA is
  39 by far the most critical aspect for maintaining a secure environment
  40 as allowing a device read-write access to system memory imposes the
  41 greatest risk to the overall system integrity.
  42
  43 To help mitigate this risk, many modern IOMMUs now incorporate
  44 isolation properties into what was, in many cases, an interface only
  45 meant for translation (ie. solving the addressing problems of devices
  46 with limited address spaces).  With this, devices can now be isolated
  47 from each other and from arbitrary memory access, thus allowing
  48 things like secure direct assignment of devices into virtual machines.
  49
  50 This isolation is not always at the granularity of a single device
  51 though.  Even when an IOMMU is capable of this, properties of devices,
  52 interconnects, and IOMMU topologies can each reduce this isolation.
  53 For instance, an individual device may be part of a larger multi-
  54 function enclosure.  While the IOMMU may be able to distinguish
  55 between devices within the enclosure, the enclosure may not require
  56 transactions between devices to reach the IOMMU.  Examples of this
  57 could be anything from a multi-function PCI device with backdoors
  58 between functions to a non-PCI-ACS (Access Control Services) capable
  59 bridge allowing redirection without reaching the IOMMU.  Topology
  60 can also play a factor in terms of hiding devices.  A PCIe-to-PCI
  61 bridge masks the devices behind it, making transaction appear as if
  62 from the bridge itself.  Obviously IOMMU design plays a major factor
  63 as well.
  64
  65 Therefore, while for the most part an IOMMU may have device level
  66 granularity, any system is susceptible to reduced granularity.  The
  67 IOMMU API therefore supports a notion of IOMMU groups.  A group is
  68 a set of devices which is isolatable from all other devices in the
  69 system.  Groups are therefore the unit of ownership used by VFIO.
  70
  71 While the group is the minimum granularity that must be used to
  72 ensure secure user access, it's not necessarily the preferred
  73 granularity.  In IOMMUs which make use of page tables, it may be
  74 possible to share a set of page tables between different groups,
  75 reducing the overhead both to the platform (reduced TLB thrashing,
  76 reduced duplicate page tables), and to the user (programming only
  77 a single set of translations).  For this reason, VFIO makes use of
  78 a container class, which may hold one or more groups.  A container
  79 is created by simply opening the /dev/vfio/vfio character device.
  80
  81 On its own, the container provides little functionality, with all
  82 but a couple version and extension query interfaces locked away.
  83 The user needs to add a group into the container for the next level
  84 of functionality.  To do this, the user first needs to identify the
  85 group associated with the desired device.  This can be done using
  86 the sysfs links described in the example below.  By unbinding the
  87 device from the host driver and binding it to a VFIO driver, a new
  88 VFIO group will appear for the group as /dev/vfio/$GROUP, where
  89 $GROUP is the IOMMU group number of which the device is a member.
  90 If the IOMMU group contains multiple devices, each will need to
  91 be bound to a VFIO driver before operations on the VFIO group
  92 are allowed (it's also sufficient to only unbind the device from
  93 host drivers if a VFIO driver is unavailable; this will make the
  94 group available, but not that particular device).  TBD - interface
  95 for disabling driver probing/locking a device.
  96
  97 Once the group is ready, it may be added to the container by opening
  98 the VFIO group character device (/dev/vfio/$GROUP) and using the
  99 VFIO_GROUP_SET_CONTAINER ioctl, passing the file descriptor of the
 100 previously opened container file.  If desired and if the IOMMU driver
 101 supports sharing the IOMMU context between groups, multiple groups may
 102 be set to the same container.  If a group fails to set to a container
 103 with existing groups, a new empty container will need to be used
 104 instead.
 105
 106 With a group (or groups) attached to a container, the remaining
 107 ioctls become available, enabling access to the VFIO IOMMU interfaces.
 108 Additionally, it now becomes possible to get file descriptors for each
 109 device within a group using an ioctl on the VFIO group file descriptor.
 110
 111 The VFIO device API includes ioctls for describing the device, the I/O
 112 regions and their read/write/mmap offsets on the device descriptor, as
 113 well as mechanisms for describing and registering interrupt
 114 notifications.
 115
 116 VFIO Usage Example
 117 -------------------------------------------------------------------------------
 118
 119 Assume user wants to access PCI device 0000:06:0d.0
 120
 121 $ readlink /sys/bus/pci/devices/0000:06:0d.0/iommu_group
 122 ../../../../kernel/iommu_groups/26
 123
 124 This device is therefore in IOMMU group 26.  This device is on the
 125 pci bus, therefore the user will make use of vfio-pci to manage the
 126 group:
 127
 128 # modprobe vfio-pci
 129
 130 Binding this device to the vfio-pci driver creates the VFIO group
 131 character devices for this group:
 132
 133 $ lspci -n -s 0000:06:0d.0
 134 06:0d.0 0401: 1102:0002 (rev 08)
 135 # echo 0000:06:0d.0 > /sys/bus/pci/devices/0000:06:0d.0/driver/unbind
 136 # echo 1102 0002 > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
 137
 138 Now we need to look at what other devices are in the group to free
 139 it for use by VFIO:
 140
 141 $ ls -l /sys/bus/pci/devices/0000:06:0d.0/iommu_group/devices
 142 total 0
 143 lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Apr 23 16:13 0000:00:1e.0 ->
 144         ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0
 145 lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Apr 23 16:13 0000:06:0d.0 ->
 146         ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0/0000:06:0d.0
 147 lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Apr 23 16:13 0000:06:0d.1 ->
 148         ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0/0000:06:0d.1
 149
 150 This device is behind a PCIe-to-PCI bridge[4], therefore we also
 151 need to add device 0000:06:0d.1 to the group following the same
 152 procedure as above.  Device 0000:00:1e.0 is a bridge that does
 153 not currently have a host driver, therefore it's not required to
 154 bind this device to the vfio-pci driver (vfio-pci does not currently
 155 support PCI bridges).
 156
 157 The final step is to provide the user with access to the group if
 158 unprivileged operation is desired (note that /dev/vfio/vfio provides
 159 no capabilities on its own and is therefore expected to be set to
 160 mode 0666 by the system).
 161
 162 # chown user:user /dev/vfio/26
 163
 164 The user now has full access to all the devices and the iommu for this
 165 group and can access them as follows:
 166
 167         int container, group, device, i;
 168         struct vfio_group_status group_status =
 169                                         { .argsz = sizeof(group_status) };
 170         struct vfio_iommu_x86_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) };
 171         struct vfio_iommu_x86_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) };
 172         struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) };
 173
 174         /* Create a new container */
 175         container = open("/dev/vfio/vfio, O_RDWR);
 176
 177         if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION)
 178                 /* Unknown API version */
 179
 180         if (!ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_X86_IOMMU))
 181                 /* Doesn't support the IOMMU driver we want. */
 182
 183         /* Open the group */
 184         group = open("/dev/vfio/26", O_RDWR);
 185
 186         /* Test the group is viable and available */
 187         ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status);
 188
 189         if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE))
 190                 /* Group is not viable (ie, not all devices bound for vfio) */
 191
 192         /* Add the group to the container */
 193         ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container);
 194
 195         /* Enable the IOMMU model we want */
 196         ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_X86_IOMMU)
 197
 198         /* Get addition IOMMU info */
 199         ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, &iommu_info);
 200
 201         /* Allocate some space and setup a DMA mapping */
 202         dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,
 203                              MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);
 204         dma_map.size = 1024 * 1024;
 205         dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */
 206         dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE;
 207
 208         ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map);
 209
 210         /* Get a file descriptor for the device */
 211         device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:06:0d.0");
 212
 213         /* Test and setup the device */
 214         ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);
 215
 216         for (i = 0; i < device_info.num_regions; i++) {
 217                 struct vfio_region_info reg = { .argsz = sizeof(reg) };
 218
 219                 reg.index = i;
 220
 221                 ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO, &reg);
 222
 223                 /* Setup mappings... read/write offsets, mmaps
 224                  * For PCI devices, config space is a region */
 225         }
 226
 227         for (i = 0; i < device_info.num_irqs; i++) {
 228                 struct vfio_irq_info irq = { .argsz = sizeof(irq) };
 229
 230                 irq.index = i;
 231
 232                 ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_IRQ_INFO, &reg);
 233
 234                 /* Setup IRQs... eventfds, VFIO_DEVICE_SET_IRQS */
 235         }
 236
 237         /* Gratuitous device reset and go... */
 238         ioctl(device, VFIO_DEVICE_RESET);
 239
 240 VFIO User API
 241 -------------------------------------------------------------------------------
 242
 243 Please see include/linux/vfio.h for complete API documentation.
 244
 245 VFIO bus driver API
 246 -------------------------------------------------------------------------------
 247
 248 VFIO bus drivers, such as vfio-pci make use of only a few interfaces
 249 into VFIO core.  When devices are bound and unbound to the driver,
 250 the driver should call vfio_add_group_dev() and vfio_del_group_dev()
 251 respectively:
 252
 253 extern int vfio_add_group_dev(struct iommu_group *iommu_group,
 254                               struct device *dev,
 255                               const struct vfio_device_ops *ops,
 256                               void *device_data);
 257
 258 extern void *vfio_del_group_dev(struct device *dev);
 259
 260 vfio_add_group_dev() indicates to the core to begin tracking the
 261 specified iommu_group and register the specified dev as owned by
 262 a VFIO bus driver.  The driver provides an ops structure for callbacks
 263 similar to a file operations structure:
 264
 265 struct vfio_device_ops {
 266         int     (*open)(void *device_data);
 267         void    (*release)(void *device_data);
 268         ssize_t (*read)(void *device_data, char __user *buf,
 269                         size_t count, loff_t *ppos);
 270         ssize_t (*write)(void *device_data, const char __user *buf,
 271                          size_t size, loff_t *ppos);
 272         long    (*ioctl)(void *device_data, unsigned int cmd,
 273                          unsigned long arg);
 274         int     (*mmap)(void *device_data, struct vm_area_struct *vma);
 275 };
 276
 277 Each function is passed the device_data that was originally registered
 278 in the vfio_add_group_dev() call above.  This allows the bus driver
 279 an easy place to store its opaque, private data.  The open/release
 280 callbacks are issued when a new file descriptor is created for a
 281 device (via VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD).  The ioctl interface provides
 282 a direct pass through for VFIO_DEVICE_* ioctls.  The read/write/mmap
 283 interfaces implement the device region access defined by the device's
 284 own VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO ioctl.
 285
 286 -------------------------------------------------------------------------------
 287
 288 [1] VFIO was originally an acronym for "Virtual Function I/O" in its
 289 initial implementation by Tom Lyon while as Cisco.  We've since
 290 outgrown the acronym, but it's catchy.
 291
 292 [2] "safe" also depends upon a device being "well behaved".  It's
 293 possible for multi-function devices to have backdoors between
 294 functions and even for single function devices to have alternative
 295 access to things like PCI config space through MMIO registers.  To
 296 guard against the former we can include additional precautions in the
 297 IOMMU driver to group multi-function PCI devices together
 298 (iommu=group_mf).  The latter we can't prevent, but the IOMMU should
 299 still provide isolation.  For PCI, SR-IOV Virtual Functions are the
 300 best indicator of "well behaved", as these are designed for
 301 virtualization usage models.
 302
 303 [3] As always there are trade-offs to virtual machine device
 304 assignment that are beyond the scope of VFIO.  It's expected that
 305 future IOMMU technologies will reduce some, but maybe not all, of
 306 these trade-offs.
 307
 308 [4] In this case the device is below a PCI bridge, so transactions
 309 from either function of the device are indistinguishable to the iommu:
 310
 311 -[0000:00]-+-1e.0-[06]--+-0d.0
 312                         \-0d.1
 313
 314 00:1e.0 PCI bridge: Intel Corporation 82801 PCI Bridge (rev 90)