doc: convert image extensions to wildcard
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / env_abstraction_layer.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation. All rights reserved.
3     All rights reserved.
4
5     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
9     * Redistributions of source code must retain the above copyright
10     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12     notice, this list of conditions and the following disclaimer in
13     the documentation and/or other materials provided with the
14     distribution.
15     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
16     contributors may be used to endorse or promote products derived
17     from this software without specific prior written permission.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20     "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21     LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22     A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
23     OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
24     SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
25     LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
26     DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
27     THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
28     (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 .. _Environment_Abstraction_Layer:
32
33 Environment Abstraction Layer
34 =============================
35
36 The Environment Abstraction Layer (EAL) is responsible for gaining access to low-level resources such as hardware and memory space.
37 It provides a generic interface that hides the environment specifics from the applications and libraries.
38 It is the responsibility of the initialization routine to decide how to allocate these resources
39 (that is, memory space, PCI devices, timers, consoles, and so on).
40
41 Typical services expected from the EAL are:
42
43 *   DPDK Loading and Launching:
44     The DPDK and its application are linked as a single application and must be loaded by some means.
45
46 *   Core Affinity/Assignment Procedures:
47     The EAL provides mechanisms for assigning execution units to specific cores as well as creating execution instances.
48
49 *   System Memory Reservation:
50     The EAL facilitates the reservation of different memory zones, for example, physical memory areas for device interactions.
51
52 *   PCI Address Abstraction: The EAL provides an interface to access PCI address space.
53
54 *   Trace and Debug Functions: Logs, dump_stack, panic and so on.
55
56 *   Utility Functions: Spinlocks and atomic counters that are not provided in libc.
57
58 *   CPU Feature Identification: Determine at runtime if a particular feature, for example, IntelĀ® AVX is supported.
59     Determine if the current CPU supports the feature set that the binary was compiled for.
60
61 *   Interrupt Handling: Interfaces to register/unregister callbacks to specific interrupt sources.
62
63 *   Alarm Functions: Interfaces to set/remove callbacks to be run at a specific time.
64
65 EAL in a Linux-userland Execution Environment
66 ---------------------------------------------
67
68 In a Linux user space environment, the DPDK application runs as a user-space application using the pthread library.
69 PCI information about devices and address space is discovered through the /sys kernel interface and through kernel modules such as uio_pci_generic, or igb_uio.
70 Refer to the UIO: User-space drivers documentation in the Linux kernel. This memory is mmap'd in the application.
71
72 The EAL performs physical memory allocation using mmap() in hugetlbfs (using huge page sizes to increase performance).
73 This memory is exposed to DPDK service layers such as the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
74
75 At this point, the DPDK services layer will be initialized, then through pthread setaffinity calls,
76 each execution unit will be assigned to a specific logical core to run as a user-level thread.
77
78 The time reference is provided by the CPU Time-Stamp Counter (TSC) or by the HPET kernel API through a mmap() call.
79
80 Initialization and Core Launching
81 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
82
83 Part of the initialization is done by the start function of glibc.
84 A check is also performed at initialization time to ensure that the micro architecture type chosen in the config file is supported by the CPU.
85 Then, the main() function is called. The core initialization and launch is done in rte_eal_init() (see the API documentation).
86 It consist of calls to the pthread library (more specifically, pthread_self(), pthread_create(), and pthread_setaffinity_np()).
87
88 .. _pg_figure_2:
89
90 **Figure 2. EAL Initialization in a Linux Application Environment**
91
92 .. image3_png has been replaced
93
94 |linuxapp_launch|
95
96 .. note::
97
98     Initialization of objects, such as memory zones, rings, memory pools, lpm tables and hash tables,
99     should be done as part of the overall application initialization on the master lcore.
100     The creation and initialization functions for these objects are not multi-thread safe.
101     However, once initialized, the objects themselves can safely be used in multiple threads simultaneously.
102
103 Multi-process Support
104 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
105
106 The Linuxapp EAL allows a multi-process as well as a multi-threaded (pthread) deployment model.
107 See chapter 2.20
108 :ref:`Multi-process Support <Multi-process_Support>` for more details.
109
110 Memory Mapping Discovery and Memory Reservation
111 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
112
113 The allocation of large contiguous physical memory is done using the hugetlbfs kernel filesystem.
114 The EAL provides an API to reserve named memory zones in this contiguous memory.
115 The physical address of the reserved memory for that memory zone is also returned to the user by the memory zone reservation API.
116
117 .. note::
118
119     Memory reservations done using the APIs provided by the rte_malloc library are also backed by pages from the hugetlbfs filesystem.
120     However, physical address information is not available for the blocks of memory allocated in this way.
121
122 Xen Dom0 support without hugetbls
123 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
124
125 The existing memory management implementation is based on the Linux kernel hugepage mechanism.
126 However, Xen Dom0 does not support hugepages, so a new Linux kernel module rte_dom0_mm is added to workaround this limitation.
127
128 The EAL uses IOCTL interface to notify the Linux kernel module rte_dom0_mm to allocate memory of specified size,
129 and get all memory segments information from the module,
130 and the EAL uses MMAP interface to map the allocated memory.
131 For each memory segment, the physical addresses are contiguous within it but actual hardware addresses are contiguous within 2MB.
132
133 PCI Access
134 ~~~~~~~~~~
135
136 The EAL uses the /sys/bus/pci utilities provided by the kernel to scan the content on the PCI bus.
137 To access PCI memory, a kernel module called uio_pci_generic provides a /dev/uioX device file
138 and resource files in /sys
139 that can be mmap'd to obtain access to PCI address space from the application.
140 The DPDK-specific igb_uio module can also be used for this. Both drivers use the uio kernel feature (userland driver).
141
142 Per-lcore and Shared Variables
143 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
144
145 .. note::
146
147     lcore refers to a logical execution unit of the processor, sometimes called a hardware *thread*.
148
149 Shared variables are the default behavior.
150 Per-lcore variables are implemented using *Thread Local Storage* (TLS) to provide per-thread local storage.
151
152 Logs
153 ~~~~
154
155 A logging API is provided by EAL.
156 By default, in a Linux application, logs are sent to syslog and also to the console.
157 However, the log function can be overridden by the user to use a different logging mechanism.
158
159 Trace and Debug Functions
160 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
161
162 There are some debug functions to dump the stack in glibc.
163 The rte_panic() function can voluntarily provoke a SIG_ABORT,
164 which can trigger the generation of a core file, readable by gdb.
165
166 CPU Feature Identification
167 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
168
169 The EAL can query the CPU at runtime (using the rte_cpu_get_feature() function) to determine which CPU features are available.
170
171 User Space Interrupt and Alarm Handling
172 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
173
174 The EAL creates a host thread to poll the UIO device file descriptors to detect the interrupts.
175 Callbacks can be registered or unregistered by the EAL functions for a specific interrupt event
176 and are called in the host thread asynchronously.
177 The EAL also allows timed callbacks to be used in the same way as for NIC interrupts.
178
179 .. note::
180
181     The only interrupts supported by the DPDK Poll-Mode Drivers are those for link status change,
182     i.e. link up and link down notification.
183
184 Blacklisting
185 ~~~~~~~~~~~~
186
187 The EAL PCI device blacklist functionality can be used to mark certain NIC ports as blacklisted,
188 so they are ignored by the DPDK.
189 The ports to be blacklisted are identified using the PCIe* description (Domain:Bus:Device.Function).
190
191 Misc Functions
192 ~~~~~~~~~~~~~~
193
194 Locks and atomic operations are per-architecture (i686 and x86_64).
195
196 Memory Segments and Memory Zones (memzone)
197 ------------------------------------------
198
199 The mapping of physical memory is provided by this feature in the EAL.
200 As physical memory can have gaps, the memory is described in a table of descriptors,
201 and each descriptor (called rte_memseg ) describes a contiguous portion of memory.
202
203 On top of this, the memzone allocator's role is to reserve contiguous portions of physical memory.
204 These zones are identified by a unique name when the memory is reserved.
205
206 The rte_memzone descriptors are also located in the configuration structure.
207 This structure is accessed using rte_eal_get_configuration().
208 The lookup (by name) of a memory zone returns a descriptor containing the physical address of the memory zone.
209
210 Memory zones can be reserved with specific start address alignment by supplying the align parameter
211 (by default, they are aligned to cache line size).
212 The alignment value should be a power of two and not less than the cache line size (64 bytes).
213 Memory zones can also be reserved from either 2 MB or 1 GB hugepages, provided that both are available on the system.
214
215
216 Multiple pthread
217 ----------------
218
219 DPDK usually pin one pthread per core to avoid task switch overhead. It gains
220 performance a lot, but it's not flexible and not always efficient.
221
222 Power management helps to improve the cpu efficient by limiting the cpu runtime frequency.
223 But there's more reasonable motivation to utilize the ineffective idle cycles under the full capability of cpu.
224
225 By OS scheduing and cgroup, to each pthread on specified cpu, it can simply assign the cpu quota.
226 It gives another way to improve the cpu efficiency. But the prerequisite is to run DPDK execution conext from multiple pthread on one core.
227
228 For flexibility, it's also useful to allow the pthread affinity not only to a cpu but to a cpu set.
229
230
231 EAL pthread and lcore Affinity
232 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
233
234 In terms of lcore, it stands for an EAL execution unit in the EAL pthread.
235 EAL pthread indicates all the pthreads created/managed by EAL, they execute the tasks issued by *remote_launch*.
236 In each EAL pthread, there's a TLS called *_lcore_id* for the unique identification.
237 As EAL pthreads usually 1:1 bind to the physical cpu, *_lcore_id* typically equals to the cpu id.
238
239 In multiple pthread case, EAL pthread is no longer always bind to one specific physical cpu.
240 It may affinity to a cpuset. Then the *_lcore_id* won't always be the same as cpu id.
241 So there's an EAL long option '--lcores' defined to assign the cpu affinity of lcores.
242 For a specified lcore id or id group, it allows to set the cpuset for that EAL pthread.
243
244 The format pattern:
245         --lcores='<lcore_set>[@cpu_set][,<lcore_set>[@cpu_set],...]'
246
247 'lcore_set' and 'cpu_set' can be a single number, range or a group.
248
249 A number is a "digit([0-9]+)"; a range is "<number>-<number>"; a group is "(<number|range>[,<number|range>,...])".
250
251 If not supply a '\@cpu_set', the value of 'cpu_set' uses the same value as 'lcore_set'.
252
253     ::
254
255         For example, "--lcores='1,2@(5-7),(3-5)@(0,2),(0,6),7-8'" which means start 9 EAL thread;
256             lcore 0 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
257             lcore 1 runs on cpuset 0x2 (cpu 1);
258             lcore 2 runs on cpuset 0xe0 (cpu 5,6,7);
259             lcore 3,4,5 runs on cpuset 0x5 (cpu 0,2);
260             lcore 6 runs on cpuset 0x41 (cpu 0,6);
261             lcore 7 runs on cpuset 0x80 (cpu 7);
262             lcore 8 runs on cpuset 0x100 (cpu 8).
263
264 By this option, for each given lcore id, the associated cpus can be assigned.
265 It's also compatible with the pattern of corelist('-l') option.
266
267 non-EAL pthread support
268 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
269
270 It allows to use DPDK execution context in any user pthread(aka. non-EAL pthread).
271
272 In a non-EAL pthread, the *_lcore_id* is always LCORE_ID_ANY which means it's not an EAL thread along with a valid *_lcore_id*.
273 Then the libraries won't take *_lcore_id* as unique id. Instead of it, some libraries use another alternative unique id(e.g. tid);
274 some are totaly no impact; and some work with some limitation(e.g. timer, mempool).
275
276 All these impacts are mentioned in :ref:`known_issue_label` section.
277
278 Public Thread API
279 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
280
281 There are two public API ``rte_thread_set_affinity()`` and ``rte_pthread_get_affinity()`` introduced for threads.
282 When they're used in any pthread context, the Thread Local Storage(TLS) will be set/get.
283
284 Those TLS include *_cpuset* and *_socket_id*:
285
286 *       *_cpuset* stores the cpus bitmap to which the pthread affinity.
287
288 *       *_socket_id* stores the NUMA node of the cpuset. If the cpus in cpuset belong to different NUMA node, the *_socket_id* set to SOCKTE_ID_ANY.
289
290
291 .. _known_issue_label:
292
293 Known Issues
294 ~~~~~~~~~~~~
295
296 + rte_mempool
297
298   The rte_mempool uses a per-lcore cache inside mempool.
299   For non-EAL pthread, ``rte_lcore_id()`` will not return a valid number.
300   So for now, when rte_mempool is used in non-EAL pthread, the put/get operations will bypass the mempool cache.
301   There's performance penalty if bypassing the mempool cache. The work for none-EAL mempool cache support is in progress.
302
303   However, there's another problem. The rte_mempool is not preemptable. This comes from rte_ring.
304
305 + rte_ring
306
307   rte_ring supports multi-producer enqueue and multi-consumer dequeue. But it's non-preemptive.
308
309   .. note::
310
311     The "non-preemptive" constraint means:
312
313     - a pthread doing multi-producers enqueues on a given ring must not
314       be preempted by another pthread doing a multi-producer enqueue on
315       the same ring.
316     - a pthread doing multi-consumers dequeues on a given ring must not
317       be preempted by another pthread doing a multi-consumer dequeue on
318       the same ring.
319
320     Bypassing this constraints may cause the 2nd pthread to spin until the 1st one is scheduled again.
321     Moreover, if the 1st pthread is preempted by a context that has an higher priority, it may even cause a dead lock.
322
323   But it doesn't means we can't use. Just need to narrow down the situation when it's used by multi-pthread on the same core.
324
325   1. It CAN be used for any single-producer or single-consumer situation.
326
327   2. It MAY be used by multi-producer/consumer pthread whose scheduling policy are all SCHED_OTHER(cfs). User SHOULD aware of the performance penalty before using it.
328
329   3. It MUST not be used by multi-producer/consumer pthread, while some of their scheduling policies is SCHED_FIFO or SCHED_RR.
330
331   ``RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT`` is defined for rte_ring to reduce contention. It's mainly for case 2, a yield is issued after number of times pause repeat.
332
333   It adds a sched_yield() syscall if the thread spins for too long, waiting other thread to finish its operations on the ring.
334   That gives pre-empted thread a chance to proceed and finish with ring enqnue/dequeue operation.
335
336 + rte_timer
337
338   It's not allowed to run ``rte_timer_manager()`` on a non-EAL pthread. But it's all right to reset/stop the timer from a non-EAL pthread.
339
340 + rte_log
341
342   In non-EAL pthread, there's no per thread loglevel and logtype. It uses the global loglevel.
343
344 + misc
345
346   The debug statistics of rte_ring, rte_mempool and rte_timer are not supported in a non-EAL pthread.
347
348 cgroup control
349 ~~~~~~~~~~~~~~
350
351 Here's a simple example, there's two pthreads(t0 and t1) doing packet IO on the same core($cpu).
352 We expect only 50% of CPU spend on packet IO.
353
354   .. code::
355
356     mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
357     mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io
358
359     echo $cpu > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.cpus
360
361     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
362     echo $t0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
363
364     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io/tasks
365     echo $t1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/pkt_io/tasks
366
367     cd /sys/fs/cgroup/cpu/pkt_io
368     echo 100000 > pkt_io/cpu.cfs_period_us
369     echo  50000 > pkt_io/cpu.cfs_quota_us
370
371
372 .. |linuxapp_launch| image:: img/linuxapp_launch.*