Merge branch 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/dtor/input
[platform/kernel/linux-rpi.git] / Documentation / vfio.txt
1 ==================================
2 VFIO - "Virtual Function I/O" [1]_
3 ==================================
4
5 Many modern system now provide DMA and interrupt remapping facilities
6 to help ensure I/O devices behave within the boundaries they've been
7 allotted.  This includes x86 hardware with AMD-Vi and Intel VT-d,
8 POWER systems with Partitionable Endpoints (PEs) and embedded PowerPC
9 systems such as Freescale PAMU.  The VFIO driver is an IOMMU/device
10 agnostic framework for exposing direct device access to userspace, in
11 a secure, IOMMU protected environment.  In other words, this allows
12 safe [2]_, non-privileged, userspace drivers.
13
14 Why do we want that?  Virtual machines often make use of direct device
15 access ("device assignment") when configured for the highest possible
16 I/O performance.  From a device and host perspective, this simply
17 turns the VM into a userspace driver, with the benefits of
18 significantly reduced latency, higher bandwidth, and direct use of
19 bare-metal device drivers [3]_.
20
21 Some applications, particularly in the high performance computing
22 field, also benefit from low-overhead, direct device access from
23 userspace.  Examples include network adapters (often non-TCP/IP based)
24 and compute accelerators.  Prior to VFIO, these drivers had to either
25 go through the full development cycle to become proper upstream
26 driver, be maintained out of tree, or make use of the UIO framework,
27 which has no notion of IOMMU protection, limited interrupt support,
28 and requires root privileges to access things like PCI configuration
29 space.
30
31 The VFIO driver framework intends to unify these, replacing both the
32 KVM PCI specific device assignment code as well as provide a more
33 secure, more featureful userspace driver environment than UIO.
34
35 Groups, Devices, and IOMMUs
36 ---------------------------
37
38 Devices are the main target of any I/O driver.  Devices typically
39 create a programming interface made up of I/O access, interrupts,
40 and DMA.  Without going into the details of each of these, DMA is
41 by far the most critical aspect for maintaining a secure environment
42 as allowing a device read-write access to system memory imposes the
43 greatest risk to the overall system integrity.
44
45 To help mitigate this risk, many modern IOMMUs now incorporate
46 isolation properties into what was, in many cases, an interface only
47 meant for translation (ie. solving the addressing problems of devices
48 with limited address spaces).  With this, devices can now be isolated
49 from each other and from arbitrary memory access, thus allowing
50 things like secure direct assignment of devices into virtual machines.
51
52 This isolation is not always at the granularity of a single device
53 though.  Even when an IOMMU is capable of this, properties of devices,
54 interconnects, and IOMMU topologies can each reduce this isolation.
55 For instance, an individual device may be part of a larger multi-
56 function enclosure.  While the IOMMU may be able to distinguish
57 between devices within the enclosure, the enclosure may not require
58 transactions between devices to reach the IOMMU.  Examples of this
59 could be anything from a multi-function PCI device with backdoors
60 between functions to a non-PCI-ACS (Access Control Services) capable
61 bridge allowing redirection without reaching the IOMMU.  Topology
62 can also play a factor in terms of hiding devices.  A PCIe-to-PCI
63 bridge masks the devices behind it, making transaction appear as if
64 from the bridge itself.  Obviously IOMMU design plays a major factor
65 as well.
66
67 Therefore, while for the most part an IOMMU may have device level
68 granularity, any system is susceptible to reduced granularity.  The
69 IOMMU API therefore supports a notion of IOMMU groups.  A group is
70 a set of devices which is isolatable from all other devices in the
71 system.  Groups are therefore the unit of ownership used by VFIO.
72
73 While the group is the minimum granularity that must be used to
74 ensure secure user access, it's not necessarily the preferred
75 granularity.  In IOMMUs which make use of page tables, it may be
76 possible to share a set of page tables between different groups,
77 reducing the overhead both to the platform (reduced TLB thrashing,
78 reduced duplicate page tables), and to the user (programming only
79 a single set of translations).  For this reason, VFIO makes use of
80 a container class, which may hold one or more groups.  A container
81 is created by simply opening the /dev/vfio/vfio character device.
82
83 On its own, the container provides little functionality, with all
84 but a couple version and extension query interfaces locked away.
85 The user needs to add a group into the container for the next level
86 of functionality.  To do this, the user first needs to identify the
87 group associated with the desired device.  This can be done using
88 the sysfs links described in the example below.  By unbinding the
89 device from the host driver and binding it to a VFIO driver, a new
90 VFIO group will appear for the group as /dev/vfio/$GROUP, where
91 $GROUP is the IOMMU group number of which the device is a member.
92 If the IOMMU group contains multiple devices, each will need to
93 be bound to a VFIO driver before operations on the VFIO group
94 are allowed (it's also sufficient to only unbind the device from
95 host drivers if a VFIO driver is unavailable; this will make the
96 group available, but not that particular device).  TBD - interface
97 for disabling driver probing/locking a device.
98
99 Once the group is ready, it may be added to the container by opening
100 the VFIO group character device (/dev/vfio/$GROUP) and using the
101 VFIO_GROUP_SET_CONTAINER ioctl, passing the file descriptor of the
102 previously opened container file.  If desired and if the IOMMU driver
103 supports sharing the IOMMU context between groups, multiple groups may
104 be set to the same container.  If a group fails to set to a container
105 with existing groups, a new empty container will need to be used
106 instead.
107
108 With a group (or groups) attached to a container, the remaining
109 ioctls become available, enabling access to the VFIO IOMMU interfaces.
110 Additionally, it now becomes possible to get file descriptors for each
111 device within a group using an ioctl on the VFIO group file descriptor.
112
113 The VFIO device API includes ioctls for describing the device, the I/O
114 regions and their read/write/mmap offsets on the device descriptor, as
115 well as mechanisms for describing and registering interrupt
116 notifications.
117
118 VFIO Usage Example
119 ------------------
120
121 Assume user wants to access PCI device 0000:06:0d.0::
122
123         $ readlink /sys/bus/pci/devices/0000:06:0d.0/iommu_group
124         ../../../../kernel/iommu_groups/26
125
126 This device is therefore in IOMMU group 26.  This device is on the
127 pci bus, therefore the user will make use of vfio-pci to manage the
128 group::
129
130         # modprobe vfio-pci
131
132 Binding this device to the vfio-pci driver creates the VFIO group
133 character devices for this group::
134
135         $ lspci -n -s 0000:06:0d.0
136         06:0d.0 0401: 1102:0002 (rev 08)
137         # echo 0000:06:0d.0 > /sys/bus/pci/devices/0000:06:0d.0/driver/unbind
138         # echo 1102 0002 > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
139
140 Now we need to look at what other devices are in the group to free
141 it for use by VFIO::
142
143         $ ls -l /sys/bus/pci/devices/0000:06:0d.0/iommu_group/devices
144         total 0
145         lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Apr 23 16:13 0000:00:1e.0 ->
146                 ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0
147         lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Apr 23 16:13 0000:06:0d.0 ->
148                 ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0/0000:06:0d.0
149         lrwxrwxrwx. 1 root root 0 Apr 23 16:13 0000:06:0d.1 ->
150                 ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0/0000:06:0d.1
151
152 This device is behind a PCIe-to-PCI bridge [4]_, therefore we also
153 need to add device 0000:06:0d.1 to the group following the same
154 procedure as above.  Device 0000:00:1e.0 is a bridge that does
155 not currently have a host driver, therefore it's not required to
156 bind this device to the vfio-pci driver (vfio-pci does not currently
157 support PCI bridges).
158
159 The final step is to provide the user with access to the group if
160 unprivileged operation is desired (note that /dev/vfio/vfio provides
161 no capabilities on its own and is therefore expected to be set to
162 mode 0666 by the system)::
163
164         # chown user:user /dev/vfio/26
165
166 The user now has full access to all the devices and the iommu for this
167 group and can access them as follows::
168
169         int container, group, device, i;
170         struct vfio_group_status group_status =
171                                         { .argsz = sizeof(group_status) };
172         struct vfio_iommu_type1_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) };
173         struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) };
174         struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) };
175
176         /* Create a new container */
177         container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR);
178
179         if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION)
180                 /* Unknown API version */
181
182         if (!ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_TYPE1_IOMMU))
183                 /* Doesn't support the IOMMU driver we want. */
184
185         /* Open the group */
186         group = open("/dev/vfio/26", O_RDWR);
187
188         /* Test the group is viable and available */
189         ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status);
190
191         if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE))
192                 /* Group is not viable (ie, not all devices bound for vfio) */
193
194         /* Add the group to the container */
195         ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container);
196
197         /* Enable the IOMMU model we want */
198         ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_TYPE1_IOMMU);
199
200         /* Get addition IOMMU info */
201         ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, &iommu_info);
202
203         /* Allocate some space and setup a DMA mapping */
204         dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,
205                              MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);
206         dma_map.size = 1024 * 1024;
207         dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */
208         dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE;
209
210         ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map);
211
212         /* Get a file descriptor for the device */
213         device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:06:0d.0");
214
215         /* Test and setup the device */
216         ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);
217
218         for (i = 0; i < device_info.num_regions; i++) {
219                 struct vfio_region_info reg = { .argsz = sizeof(reg) };
220
221                 reg.index = i;
222
223                 ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO, &reg);
224
225                 /* Setup mappings... read/write offsets, mmaps
226                  * For PCI devices, config space is a region */
227         }
228
229         for (i = 0; i < device_info.num_irqs; i++) {
230                 struct vfio_irq_info irq = { .argsz = sizeof(irq) };
231
232                 irq.index = i;
233
234                 ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_IRQ_INFO, &irq);
235
236                 /* Setup IRQs... eventfds, VFIO_DEVICE_SET_IRQS */
237         }
238
239         /* Gratuitous device reset and go... */
240         ioctl(device, VFIO_DEVICE_RESET);
241
242 VFIO User API
243 -------------------------------------------------------------------------------
244
245 Please see include/linux/vfio.h for complete API documentation.
246
247 VFIO bus driver API
248 -------------------------------------------------------------------------------
249
250 VFIO bus drivers, such as vfio-pci make use of only a few interfaces
251 into VFIO core.  When devices are bound and unbound to the driver,
252 the driver should call vfio_add_group_dev() and vfio_del_group_dev()
253 respectively::
254
255         extern int vfio_add_group_dev(struct iommu_group *iommu_group,
256                                       struct device *dev,
257                                       const struct vfio_device_ops *ops,
258                                       void *device_data);
259
260         extern void *vfio_del_group_dev(struct device *dev);
261
262 vfio_add_group_dev() indicates to the core to begin tracking the
263 specified iommu_group and register the specified dev as owned by
264 a VFIO bus driver.  The driver provides an ops structure for callbacks
265 similar to a file operations structure::
266
267         struct vfio_device_ops {
268                 int     (*open)(void *device_data);
269                 void    (*release)(void *device_data);
270                 ssize_t (*read)(void *device_data, char __user *buf,
271                                 size_t count, loff_t *ppos);
272                 ssize_t (*write)(void *device_data, const char __user *buf,
273                                  size_t size, loff_t *ppos);
274                 long    (*ioctl)(void *device_data, unsigned int cmd,
275                                  unsigned long arg);
276                 int     (*mmap)(void *device_data, struct vm_area_struct *vma);
277         };
278
279 Each function is passed the device_data that was originally registered
280 in the vfio_add_group_dev() call above.  This allows the bus driver
281 an easy place to store its opaque, private data.  The open/release
282 callbacks are issued when a new file descriptor is created for a
283 device (via VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD).  The ioctl interface provides
284 a direct pass through for VFIO_DEVICE_* ioctls.  The read/write/mmap
285 interfaces implement the device region access defined by the device's
286 own VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO ioctl.
287
288
289 PPC64 sPAPR implementation note
290 -------------------------------
291
292 This implementation has some specifics:
293
294 1) On older systems (POWER7 with P5IOC2/IODA1) only one IOMMU group per
295    container is supported as an IOMMU table is allocated at the boot time,
296    one table per a IOMMU group which is a Partitionable Endpoint (PE)
297    (PE is often a PCI domain but not always).
298
299    Newer systems (POWER8 with IODA2) have improved hardware design which allows
300    to remove this limitation and have multiple IOMMU groups per a VFIO
301    container.
302
303 2) The hardware supports so called DMA windows - the PCI address range
304    within which DMA transfer is allowed, any attempt to access address space
305    out of the window leads to the whole PE isolation.
306
307 3) PPC64 guests are paravirtualized but not fully emulated. There is an API
308    to map/unmap pages for DMA, and it normally maps 1..32 pages per call and
309    currently there is no way to reduce the number of calls. In order to make
310    things faster, the map/unmap handling has been implemented in real mode
311    which provides an excellent performance which has limitations such as
312    inability to do locked pages accounting in real time.
313
314 4) According to sPAPR specification, A Partitionable Endpoint (PE) is an I/O
315    subtree that can be treated as a unit for the purposes of partitioning and
316    error recovery. A PE may be a single or multi-function IOA (IO Adapter), a
317    function of a multi-function IOA, or multiple IOAs (possibly including
318    switch and bridge structures above the multiple IOAs). PPC64 guests detect
319    PCI errors and recover from them via EEH RTAS services, which works on the
320    basis of additional ioctl commands.
321
322    So 4 additional ioctls have been added:
323
324         VFIO_IOMMU_SPAPR_TCE_GET_INFO
325                 returns the size and the start of the DMA window on the PCI bus.
326
327         VFIO_IOMMU_ENABLE
328                 enables the container. The locked pages accounting
329                 is done at this point. This lets user first to know what
330                 the DMA window is and adjust rlimit before doing any real job.
331
332         VFIO_IOMMU_DISABLE
333                 disables the container.
334
335         VFIO_EEH_PE_OP
336                 provides an API for EEH setup, error detection and recovery.
337
338    The code flow from the example above should be slightly changed::
339
340         struct vfio_eeh_pe_op pe_op = { .argsz = sizeof(pe_op), .flags = 0 };
341
342         .....
343         /* Add the group to the container */
344         ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container);
345
346         /* Enable the IOMMU model we want */
347         ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_SPAPR_TCE_IOMMU)
348
349         /* Get addition sPAPR IOMMU info */
350         vfio_iommu_spapr_tce_info spapr_iommu_info;
351         ioctl(container, VFIO_IOMMU_SPAPR_TCE_GET_INFO, &spapr_iommu_info);
352
353         if (ioctl(container, VFIO_IOMMU_ENABLE))
354                 /* Cannot enable container, may be low rlimit */
355
356         /* Allocate some space and setup a DMA mapping */
357         dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,
358                              MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);
359
360         dma_map.size = 1024 * 1024;
361         dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */
362         dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE;
363
364         /* Check here is .iova/.size are within DMA window from spapr_iommu_info */
365         ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map);
366
367         /* Get a file descriptor for the device */
368         device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:06:0d.0");
369
370         ....
371
372         /* Gratuitous device reset and go... */
373         ioctl(device, VFIO_DEVICE_RESET);
374
375         /* Make sure EEH is supported */
376         ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_EEH);
377
378         /* Enable the EEH functionality on the device */
379         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_ENABLE;
380         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
381
382         /* You're suggested to create additional data struct to represent
383          * PE, and put child devices belonging to same IOMMU group to the
384          * PE instance for later reference.
385          */
386
387         /* Check the PE's state and make sure it's in functional state */
388         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_GET_STATE;
389         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
390
391         /* Save device state using pci_save_state().
392          * EEH should be enabled on the specified device.
393          */
394
395         ....
396
397         /* Inject EEH error, which is expected to be caused by 32-bits
398          * config load.
399          */
400         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_INJECT_ERR;
401         pe_op.err.type = EEH_ERR_TYPE_32;
402         pe_op.err.func = EEH_ERR_FUNC_LD_CFG_ADDR;
403         pe_op.err.addr = 0ul;
404         pe_op.err.mask = 0ul;
405         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
406
407         ....
408
409         /* When 0xFF's returned from reading PCI config space or IO BARs
410          * of the PCI device. Check the PE's state to see if that has been
411          * frozen.
412          */
413         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
414
415         /* Waiting for pending PCI transactions to be completed and don't
416          * produce any more PCI traffic from/to the affected PE until
417          * recovery is finished.
418          */
419
420         /* Enable IO for the affected PE and collect logs. Usually, the
421          * standard part of PCI config space, AER registers are dumped
422          * as logs for further analysis.
423          */
424         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_UNFREEZE_IO;
425         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
426
427         /*
428          * Issue PE reset: hot or fundamental reset. Usually, hot reset
429          * is enough. However, the firmware of some PCI adapters would
430          * require fundamental reset.
431          */
432         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_RESET_HOT;
433         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
434         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_RESET_DEACTIVATE;
435         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
436
437         /* Configure the PCI bridges for the affected PE */
438         pe_op.op = VFIO_EEH_PE_CONFIGURE;
439         ioctl(container, VFIO_EEH_PE_OP, &pe_op);
440
441         /* Restored state we saved at initialization time. pci_restore_state()
442          * is good enough as an example.
443          */
444
445         /* Hopefully, error is recovered successfully. Now, you can resume to
446          * start PCI traffic to/from the affected PE.
447          */
448
449         ....
450
451 5) There is v2 of SPAPR TCE IOMMU. It deprecates VFIO_IOMMU_ENABLE/
452    VFIO_IOMMU_DISABLE and implements 2 new ioctls:
453    VFIO_IOMMU_SPAPR_REGISTER_MEMORY and VFIO_IOMMU_SPAPR_UNREGISTER_MEMORY
454    (which are unsupported in v1 IOMMU).
455
456    PPC64 paravirtualized guests generate a lot of map/unmap requests,
457    and the handling of those includes pinning/unpinning pages and updating
458    mm::locked_vm counter to make sure we do not exceed the rlimit.
459    The v2 IOMMU splits accounting and pinning into separate operations:
460
461    - VFIO_IOMMU_SPAPR_REGISTER_MEMORY/VFIO_IOMMU_SPAPR_UNREGISTER_MEMORY ioctls
462      receive a user space address and size of the block to be pinned.
463      Bisecting is not supported and VFIO_IOMMU_UNREGISTER_MEMORY is expected to
464      be called with the exact address and size used for registering
465      the memory block. The userspace is not expected to call these often.
466      The ranges are stored in a linked list in a VFIO container.
467
468    - VFIO_IOMMU_MAP_DMA/VFIO_IOMMU_UNMAP_DMA ioctls only update the actual
469      IOMMU table and do not do pinning; instead these check that the userspace
470      address is from pre-registered range.
471
472    This separation helps in optimizing DMA for guests.
473
474 6) sPAPR specification allows guests to have an additional DMA window(s) on
475    a PCI bus with a variable page size. Two ioctls have been added to support
476    this: VFIO_IOMMU_SPAPR_TCE_CREATE and VFIO_IOMMU_SPAPR_TCE_REMOVE.
477    The platform has to support the functionality or error will be returned to
478    the userspace. The existing hardware supports up to 2 DMA windows, one is
479    2GB long, uses 4K pages and called "default 32bit window"; the other can
480    be as big as entire RAM, use different page size, it is optional - guests
481    create those in run-time if the guest driver supports 64bit DMA.
482
483    VFIO_IOMMU_SPAPR_TCE_CREATE receives a page shift, a DMA window size and
484    a number of TCE table levels (if a TCE table is going to be big enough and
485    the kernel may not be able to allocate enough of physically contiguous
486    memory). It creates a new window in the available slot and returns the bus
487    address where the new window starts. Due to hardware limitation, the user
488    space cannot choose the location of DMA windows.
489
490    VFIO_IOMMU_SPAPR_TCE_REMOVE receives the bus start address of the window
491    and removes it.
492
493 -------------------------------------------------------------------------------
494
495 .. [1] VFIO was originally an acronym for "Virtual Function I/O" in its
496    initial implementation by Tom Lyon while as Cisco.  We've since
497    outgrown the acronym, but it's catchy.
498
499 .. [2] "safe" also depends upon a device being "well behaved".  It's
500    possible for multi-function devices to have backdoors between
501    functions and even for single function devices to have alternative
502    access to things like PCI config space through MMIO registers.  To
503    guard against the former we can include additional precautions in the
504    IOMMU driver to group multi-function PCI devices together
505    (iommu=group_mf).  The latter we can't prevent, but the IOMMU should
506    still provide isolation.  For PCI, SR-IOV Virtual Functions are the
507    best indicator of "well behaved", as these are designed for
508    virtualization usage models.
509
510 .. [3] As always there are trade-offs to virtual machine device
511    assignment that are beyond the scope of VFIO.  It's expected that
512    future IOMMU technologies will reduce some, but maybe not all, of
513    these trade-offs.
514
515 .. [4] In this case the device is below a PCI bridge, so transactions
516    from either function of the device are indistinguishable to the iommu::
517
518         -[0000:00]-+-1e.0-[06]--+-0d.0
519                                 \-0d.1
520
521         00:1e.0 PCI bridge: Intel Corporation 82801 PCI Bridge (rev 90)