ff7342d2e332d396d2ed02825a6f5025bedf2b2c
[linux-2.6-microblaze.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              const struct attribute * const *types_attrs;
107              struct device_driver    driver;
108      };
109
110 A mediated bus driver for mdev should use this structure in the function calls
111 to register and unregister itself with the core driver:
112
113 * Register::
114
115     int mdev_register_driver(struct mdev_driver *drv);
116
117 * Unregister::
118
119     void mdev_unregister_driver(struct mdev_driver *drv);
120
121 The mediated bus driver's probe function should create a vfio_device on top of
122 the mdev_device and connect it to an appropriate implementation of
123 vfio_device_ops.
124
125 When a driver wants to add the GUID creation sysfs to an existing device it has
126 probe'd to then it should call::
127
128     int mdev_register_parent(struct mdev_parent *parent, struct device *dev,
129                         struct mdev_driver *mdev_driver);
130
131 This will provide the 'mdev_supported_types/XX/create' files which can then be
132 used to trigger the creation of a mdev_device. The created mdev_device will be
133 attached to the specified driver.
134
135 When the driver needs to remove itself it calls::
136
137     void mdev_unregister_parent(struct mdev_parent *parent);
138
139 Which will unbind and destroy all the created mdevs and remove the sysfs files.
140
141 Mediated Device Management Interface Through sysfs
142 ==================================================
143
144 The management interface through sysfs enables user space software, such as
145 libvirt, to query and configure mediated devices in a hardware-agnostic fashion.
146 This management interface provides flexibility to the underlying physical
147 device's driver to support features such as:
148
149 * Mediated device hot plug
150 * Multiple mediated devices in a single virtual machine
151 * Multiple mediated devices from different physical devices
152
153 Links in the mdev_bus Class Directory
154 -------------------------------------
155 The /sys/class/mdev_bus/ directory contains links to devices that are registered
156 with the mdev core driver.
157
158 Directories and files under the sysfs for Each Physical Device
159 --------------------------------------------------------------
160
161 ::
162
163   |- [parent physical device]
164   |--- Vendor-specific-attributes [optional]
165   |--- [mdev_supported_types]
166   |     |--- [<type-id>]
167   |     |   |--- create
168   |     |   |--- name
169   |     |   |--- available_instances
170   |     |   |--- device_api
171   |     |   |--- description
172   |     |   |--- [devices]
173   |     |--- [<type-id>]
174   |     |   |--- create
175   |     |   |--- name
176   |     |   |--- available_instances
177   |     |   |--- device_api
178   |     |   |--- description
179   |     |   |--- [devices]
180   |     |--- [<type-id>]
181   |          |--- create
182   |          |--- name
183   |          |--- available_instances
184   |          |--- device_api
185   |          |--- description
186   |          |--- [devices]
187
188 * [mdev_supported_types]
189
190   The list of currently supported mediated device types and their details.
191
192   [<type-id>], device_api, and available_instances are mandatory attributes
193   that should be provided by vendor driver.
194
195 * [<type-id>]
196
197   The [<type-id>] name is created by adding the device driver string as a prefix
198   to the string provided by the vendor driver. This format of this name is as
199   follows::
200
201         sprintf(buf, "%s-%s", dev_driver_string(parent->dev), group->name);
202
203   (or using mdev_parent_dev(mdev) to arrive at the parent device outside
204   of the core mdev code)
205
206 * device_api
207
208   This attribute should show which device API is being created, for example,
209   "vfio-pci" for a PCI device.
210
211 * available_instances
212
213   This attribute should show the number of devices of type <type-id> that can be
214   created.
215
216 * [device]
217
218   This directory contains links to the devices of type <type-id> that have been
219   created.
220
221 * name
222
223   This attribute should show human readable name. This is optional attribute.
224
225 * description
226
227   This attribute should show brief features/description of the type. This is
228   optional attribute.
229
230 Directories and Files Under the sysfs for Each mdev Device
231 ----------------------------------------------------------
232
233 ::
234
235   |- [parent phy device]
236   |--- [$MDEV_UUID]
237          |--- remove
238          |--- mdev_type {link to its type}
239          |--- vendor-specific-attributes [optional]
240
241 * remove (write only)
242
243 Writing '1' to the 'remove' file destroys the mdev device. The vendor driver can
244 fail the remove() callback if that device is active and the vendor driver
245 doesn't support hot unplug.
246
247 Example::
248
249         # echo 1 > /sys/bus/mdev/devices/$mdev_UUID/remove
250
251 Mediated device Hot plug
252 ------------------------
253
254 Mediated devices can be created and assigned at runtime. The procedure to hot
255 plug a mediated device is the same as the procedure to hot plug a PCI device.
256
257 Translation APIs for Mediated Devices
258 =====================================
259
260 The following APIs are provided for translating user pfn to host pfn in a VFIO
261 driver::
262
263         int vfio_pin_pages(struct vfio_device *device, dma_addr_t iova,
264                                   int npage, int prot, struct page **pages);
265
266         void vfio_unpin_pages(struct vfio_device *device, dma_addr_t iova,
267                                     int npage);
268
269 These functions call back into the back-end IOMMU module by using the pin_pages
270 and unpin_pages callbacks of the struct vfio_iommu_driver_ops[4]. Currently
271 these callbacks are supported in the TYPE1 IOMMU module. To enable them for
272 other IOMMU backend modules, such as PPC64 sPAPR module, they need to provide
273 these two callback functions.
274
275 Using the Sample Code
276 =====================
277
278 mtty.c in samples/vfio-mdev/ directory is a sample driver program to
279 demonstrate how to use the mediated device framework.
280
281 The sample driver creates an mdev device that simulates a serial port over a PCI
282 card.
283
284 1. Build and load the mtty.ko module.
285
286    This step creates a dummy device, /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
287
288    Files in this device directory in sysfs are similar to the following::
289
290      # tree /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
291         /sys/devices/virtual/mtty/mtty/
292         |-- mdev_supported_types
293         |   |-- mtty-1
294         |   |   |-- available_instances
295         |   |   |-- create
296         |   |   |-- device_api
297         |   |   |-- devices
298         |   |   `-- name
299         |   `-- mtty-2
300         |       |-- available_instances
301         |       |-- create
302         |       |-- device_api
303         |       |-- devices
304         |       `-- name
305         |-- mtty_dev
306         |   `-- sample_mtty_dev
307         |-- power
308         |   |-- autosuspend_delay_ms
309         |   |-- control
310         |   |-- runtime_active_time
311         |   |-- runtime_status
312         |   `-- runtime_suspended_time
313         |-- subsystem -> ../../../../class/mtty
314         `-- uevent
315
316 2. Create a mediated device by using the dummy device that you created in the
317    previous step::
318
319      # echo "83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001" >    \
320               /sys/devices/virtual/mtty/mtty/mdev_supported_types/mtty-2/create
321
322 3. Add parameters to qemu-kvm::
323
324      -device vfio-pci,\
325       sysfsdev=/sys/bus/mdev/devices/83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001
326
327 4. Boot the VM.
328
329    In the Linux guest VM, with no hardware on the host, the device appears
330    as  follows::
331
332      # lspci -s 00:05.0 -xxvv
333      00:05.0 Serial controller: Device 4348:3253 (rev 10) (prog-if 02 [16550])
334              Subsystem: Device 4348:3253
335              Physical Slot: 5
336              Control: I/O+ Mem- BusMaster- SpecCycle- MemWINV- VGASnoop- ParErr-
337      Stepping- SERR- FastB2B- DisINTx-
338              Status: Cap- 66MHz- UDF- FastB2B- ParErr- DEVSEL=medium >TAbort-
339      <TAbort- <MAbort- >SERR- <PERR- INTx-
340              Interrupt: pin A routed to IRQ 10
341              Region 0: I/O ports at c150 [size=8]
342              Region 1: I/O ports at c158 [size=8]
343              Kernel driver in use: serial
344      00: 48 43 53 32 01 00 00 02 10 02 00 07 00 00 00 00
345      10: 51 c1 00 00 59 c1 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
346      20: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 48 43 53 32
347      30: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0a 01 00 00
348
349      In the Linux guest VM, dmesg output for the device is as follows:
350
351      serial 0000:00:05.0: PCI INT A -> Link[LNKA] -> GSI 10 (level, high) -> IRQ 10
352      0000:00:05.0: ttyS1 at I/O 0xc150 (irq = 10) is a 16550A
353      0000:00:05.0: ttyS2 at I/O 0xc158 (irq = 10) is a 16550A
354
355
356 5. In the Linux guest VM, check the serial ports::
357
358      # setserial -g /dev/ttyS*
359      /dev/ttyS0, UART: 16550A, Port: 0x03f8, IRQ: 4
360      /dev/ttyS1, UART: 16550A, Port: 0xc150, IRQ: 10
361      /dev/ttyS2, UART: 16550A, Port: 0xc158, IRQ: 10
362
363 6. Using minicom or any terminal emulation program, open port /dev/ttyS1 or
364    /dev/ttyS2 with hardware flow control disabled.
365
366 7. Type data on the minicom terminal or send data to the terminal emulation
367    program and read the data.
368
369    Data is loop backed from hosts mtty driver.
370
371 8. Destroy the mediated device that you created::
372
373      # echo 1 > /sys/bus/mdev/devices/83b8f4f2-509f-382f-3c1e-e6bfe0fa1001/remove
374
375 References
376 ==========
377
378 1. See Documentation/driver-api/vfio.rst for more information on VFIO.
379 2. struct mdev_driver in include/linux/mdev.h
380 3. struct mdev_parent_ops in include/linux/mdev.h
381 4. struct vfio_iommu_driver_ops in include/linux/vfio.h