palacios/src/palacios/vmm_time.c

   1 /*
   2  * This file is part of the Palacios Virtual Machine Monitor developed
   3  * by the V3VEE Project with funding from the United States National
   4  * Science Foundation and the Department of Energy.
   5  *
   6  * The V3VEE Project is a joint project between Northwestern University
   7  * and the University of New Mexico.  You can find out more at
   8  * http://www.v3vee.org
   9  *
  10  * Copyright (c) 2008, Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  11  * Copyright (c) 2008, The V3VEE Project <http://www.v3vee.org>
  12  * All rights reserved.
  13  *
  14  * Author: Jack Lange <jarusl@cs.northwestern.edu>
  15  *         Patrick G. Bridges <bridges@cs.unm.edu>
  16  *
  17  * This is free software.  You are permitted to use,
  18  * redistribute, and modify it as specified in the file "V3VEE_LICENSE".
  19  */
  20
  21 #include <palacios/vmm.h>
  22 #include <palacios/vmm_time.h>
  23 #include <palacios/vm_guest.h>
  24
  25 #ifndef V3_CONFIG_DEBUG_TIME
  26 #undef PrintDebug
  27 #define PrintDebug(fmt, args...)
  28 #endif
  29
  30 /* Overview
  31  *
  32  * Time handling in VMMs is challenging, and Palacios uses the highest
  33  * resolution, lowest overhead timer on modern CPUs that it can - the
  34  * processor timestamp counter (TSC). Note that on somewhat old processors
  35  * this can be problematic; in particular, older AMD processors did not
  36  * have a constant rate timestamp counter in the face of power management
  37  * events. However, the latest Intel and AMD CPUs all do (should...) have a
  38  * constant rate TSC, and Palacios relies on this fact.
  39  *
  40  * Basically, Palacios keeps track of three quantities as it runs to manage
  41  * the passage of time:
  42  * (1) The host timestamp counter - read directly from HW and never written
  43  * (2) A monotonic guest timestamp counter used to measure the progression of
  44  *     time in the guest. This is stored as an absolute number of cycles elapsed
  45  *     and is updated on guest entry and exit; it can also be updated explicitly
  46  *     in the monitor at times
  47  * (3) The actual guest timestamp counter (which can be written by
  48  *     writing to the guest TSC MSR - MSR 0x10) from the monotonic guest TSC.
  49  *     This is also computed as an offset from (2) above when the TSC and
  50  *     this offset is updated when the TSC MSR is written.
  51  *
  52  * Because all other devices are slaved off of the passage of time in the guest,
  53  * it is (2) above that drives the firing of other timers in the guest,
  54  * including timer devices such as the Programmable Interrupt Timer (PIT).
  55  *
  56  * Future additions:
  57  * (1) Add support for temporarily skewing guest time off of where it should
  58  *     be to support slack simulation of guests. The idea is that simulators
  59  *     set this skew to be the difference between how much time passed for a
  60  *     simulated feature and a real implementation of that feature, making time
  61  *     pass at a different rate from real time on this core. The VMM will then
  62  *     attempt to move this skew back towards 0 subject to resolution/accuracy
  63  *     constraints from various system timers.
  64  *
  65  *     The main effort in doing this will be to get accuracy/resolution
  66  *     information from each local timer and to use this to bound how much skew
  67  *     is removed on each exit.
  68  *
  69  * (2) Look more into sychronizing the offsets *across* virtual and physical
  70  *     cores so that multicore guests stay mostly in sync.
  71  *
  72  * (3) Look into using the AMD TSC multiplier feature and adding explicit time
  73  *     dilation support to time handling.
  74  */
  75
  76
  77 static int handle_cpufreq_hcall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * priv_data) {
  78     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
  79
  80     info->vm_regs.rbx = time_state->guest_cpu_freq;
  81
  82     PrintDebug(info->vm_info, info, "Guest request cpu frequency: return %ld\n", (long)info->vm_regs.rbx);
  83
  84     return 0;
  85 }
  86
  87 static int handle_rdhtsc_hcall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * priv_data) {
  88     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
  89
  90     info->vm_regs.rbx = v3_get_host_time(time_state);
  91
  92     // PrintDebug(info->vm_info, info, "Guest request host TSC: return %ld\n", (long)info->vm_regs.rbx);
  93
  94     return 0;
  95 }
  96
  97
  98
  99 int v3_start_time(struct guest_info * info) {
 100     /* We start running with guest_time == host_time */
 101     uint64_t t = v3_get_host_time(&info->time_state);
 102
 103     info->time_state.initial_host_time = t;
 104     info->yield_start_cycle = t;
 105
 106     info->time_state.last_update = 0;
 107     info->time_state.guest_cycles = 0;
 108     PrintDebug(info->vm_info, info, "Starting time for core %d at host time %llu/guest time %llu.\n",
 109                info->vcpu_id, t, info->time_state.guest_cycles);
 110     v3_yield(info,-1);
 111     return 0;
 112 }
 113
 114 static sint64_t
 115 host_to_guest_cycles(struct guest_info * info, sint64_t host_cycles) {
 116     struct vm_core_time * core_time_state = &(info->time_state);
 117     uint32_t cl_num, cl_denom;
 118
 119     cl_num = core_time_state->clock_ratio_num;
 120     cl_denom = core_time_state->clock_ratio_denom;
 121
 122     return (host_cycles * cl_num) / cl_denom;
 123 }
 124
 125 /*
 126 static sint64_t
 127 guest_to_host_cycles(struct guest_info * info, sint64_t guest_cycles) {
 128     struct vm_core_time * core_time_state = &(info->time_state);
 129     uint32_t cl_num, cl_denom;
 130
 131     cl_num = core_time_state->clock_ratio_num;
 132     cl_denom = core_time_state->clock_ratio_denom;
 133
 134     return (guest_cycles * cl_denom) / cl_num;
 135 }
 136 */
 137
 138 int v3_advance_time(struct guest_info * info, uint64_t *host_cycles)
 139 {
 140     uint64_t guest_cycles;
 141
 142     if (info->time_state.flags & VM_TIME_SLAVE_HOST) {
 143         struct v3_time *vm_ts = &(info->vm_info->time_state);
 144         uint64_t ht = v3_get_host_time(&info->time_state);
 145         uint64_t host_elapsed = ht - info->time_state.initial_host_time;
 146         uint64_t dilated_elapsed = (host_elapsed * vm_ts->td_num) / vm_ts->td_denom;
 147         uint64_t guest_elapsed = host_to_guest_cycles(info, dilated_elapsed);
 148         guest_cycles = guest_elapsed - v3_get_guest_time(&info->time_state);
 149     } else if (host_cycles) {
 150         guest_cycles = host_to_guest_cycles(info, *host_cycles);
 151     } else {
 152         guest_cycles = 0;
 153     }
 154
 155     info->time_state.guest_cycles += guest_cycles;
 156
 157     return 0;
 158 }
 159
 160 struct v3_timer * v3_add_timer(struct guest_info * info,
 161                                struct v3_timer_ops * ops,
 162                                void * private_data) {
 163     struct v3_timer * timer = NULL;
 164     timer = (struct v3_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_timer));
 165
 166     if (!timer) {
 167         PrintError(info->vm_info, info, "Cannot allocate in adding a timer\n");
 168         return NULL;
 169     }
 170
 171     V3_ASSERT(info->vm_info, info,timer != NULL);
 172
 173     timer->ops = ops;
 174     timer->private_data = private_data;
 175
 176     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 177     info->time_state.num_timers++;
 178
 179     return timer;
 180 }
 181
 182 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct v3_timer * timer) {
 183     list_del(&(timer->timer_link));
 184     info->time_state.num_timers--;
 185
 186     V3_Free(timer);
 187     return 0;
 188 }
 189
 190 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 191     struct vm_core_time *time_state = &info->time_state;
 192     struct v3_timer * tmp_timer;
 193     sint64_t cycles;
 194     uint64_t old_time = time_state->last_update;
 195
 196     time_state->last_update = v3_get_guest_time(time_state);
 197     cycles = (sint64_t)(time_state->last_update - old_time);
 198     if (cycles < 0) {
 199         PrintError(info->vm_info, info, "Cycles appears to have rolled over - old time %lld, current time %lld.\n",
 200                    old_time, time_state->last_update);
 201         return;
 202     }
 203
 204     //PrintDebug(info->vm_info, info, "Updating timers with %lld elapsed cycles.\n", cycles);
 205     list_for_each_entry(tmp_timer, &(time_state->timers), timer_link) {
 206         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, time_state->guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 207     }
 208 }
 209
 210
 211 /*
 212  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 213  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 214  * offset from monotonic guest's time. If the guest writes to the TSC, we
 215  * handle this by changing that offset.
 216  *
 217  * Possible TODO: Proper hooking of TSC read/writes?
 218  */
 219
 220 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 221     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 222
 223     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 224     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 225
 226     return 0;
 227 }
 228
 229 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 230     PrintDebug(info->vm_info, info, "Handling virtual RDTSC call.\n");
 231     v3_rdtsc(info);
 232
 233     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 234     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 235
 236     info->rip += 2;
 237
 238     return 0;
 239 }
 240
 241 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 242     int ret;
 243     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 244      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 245     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 246     ret = v3_handle_msr_read(info);
 247
 248     if (ret != 0) {
 249         return ret;
 250     }
 251
 252     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 253
 254     /* Now do the TSC half of the instruction */
 255     ret = v3_rdtsc(info);
 256
 257     if (ret != 0) {
 258         return ret;
 259     }
 260
 261     return 0;
 262 }
 263
 264
 265 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 266     PrintDebug(info->vm_info, info, "Handling virtual RDTSCP call.\n");
 267
 268     v3_rdtscp(info);
 269
 270     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 271     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 272     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 273
 274     info->rip += 3;
 275
 276     return 0;
 277 }
 278
 279 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 280                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 281     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 282
 283     V3_ASSERT(info->vm_info, info,msr_num == TSC_AUX_MSR);
 284
 285     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 286     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 287
 288     return 0;
 289 }
 290
 291 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 292                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 293     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 294
 295     V3_ASSERT(info->vm_info, info,msr_num == TSC_AUX_MSR);
 296
 297     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 298     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 299
 300     return 0;
 301 }
 302
 303 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 304                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 305     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 306
 307     PrintDebug(info->vm_info, info, "Handling virtual TSC MSR read call.\n");
 308     V3_ASSERT(info->vm_info, info,msr_num == TSC_MSR);
 309
 310     msr_val->hi = time >> 32;
 311     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 312
 313     return 0;
 314 }
 315
 316 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 317                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 318     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 319     uint64_t guest_time, new_tsc;
 320
 321     PrintDebug(info->vm_info, info, "Handling virtual TSC MSR write call.\n");
 322     V3_ASSERT(info->vm_info, info,msr_num == TSC_MSR);
 323
 324     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 325     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 326     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)(new_tsc - guest_time);
 327
 328     return 0;
 329 }
 330
 331 static int
 332 handle_time_configuration(struct v3_vm_info * vm, v3_cfg_tree_t *cfg) {
 333     char *source, *dilation, *tsc;
 334
 335     vm->time_state.flags = V3_TIME_SLAVE_HOST;
 336     vm->time_state.td_num = vm->time_state.td_denom = 1;
 337
 338     if (!cfg) return 0;
 339
 340     source = v3_cfg_val(cfg, "source");
 341     if (source) {
 342         if (strcasecmp(source, "none") == 0) {
 343             vm->time_state.flags &= ~V3_TIME_SLAVE_HOST;
 344         } else if (strcasecmp(source, "host") != 0) {
 345             PrintError(vm, VCORE_NONE, "Unknown time source for VM core time management.\n");
 346         } else {
 347             PrintDebug(vm, VCORE_NONE,"VM time slaved to host TSC.\n");
 348         }
 349     }
 350
 351     // Should we make a separate TSC device that handles this sort of thing?
 352     tsc = v3_cfg_val(cfg, "tsc");
 353     if (tsc) {
 354         if (strcasecmp(tsc, "host") == 0) {
 355             if (!(vm->time_state.flags & V3_TIME_SLAVE_HOST)) {
 356                 PrintError(vm, VCORE_NONE, "WARNING: Guest TSC set to passthrough host TSC, but guest time not slaved to host time.");
 357             }
 358             vm->time_state.flags |= V3_TIME_TSC_PASSTHROUGH;
 359         } else if (strcasecmp(source, "guest") != 0) {
 360             PrintError(vm, VCORE_NONE, "ERROR: Unknown TSC configuration in time configuration.\n");
 361         }
 362     }
 363
 364     dilation = v3_cfg_val(cfg, "dilation");
 365     if (dilation) {
 366         if (!(vm->time_state.flags & VM_TIME_SLAVE_HOST)) {
 367             PrintError(vm, VCORE_NONE, "Time dilation only valid when slaved to host time.\n");
 368         } else {
 369             uint32_t num = 1, denom = 1;
 370             denom = atoi(dilation);
 371             if ((num > 0) && (denom > 0)) {
 372                 vm->time_state.td_num = num;
 373                 vm->time_state.td_denom = denom;
 374             }
 375         }
 376         if ((vm->time_state.td_num != 1)
 377             || (vm->time_state.td_denom != 1)) {
 378             V3_Print(vm, VCORE_NONE, "Time dilated from host time by a factor of %d/%d"
 379                      " in guest.\n", vm->time_state.td_denom,
 380                      vm->time_state.td_num);
 381         } else {
 382             PrintError(vm, VCORE_NONE,"Time dilation specifier in configuration did not"
 383                        " result in actual time dilation in VM.\n");
 384         }
 385     }
 386     return 0;
 387 }
 388
 389 int v3_init_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 390     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = vm->cfg_data->cfg;
 391     int ret;
 392
 393     PrintDebug(vm, VCORE_NONE, "Installing TSC MSR hook.\n");
 394     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_MSR,
 395                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 396
 397     if (ret != 0) {
 398         return ret;
 399     }
 400
 401     PrintDebug(vm, VCORE_NONE, "Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 402     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 403                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 404
 405     if (ret != 0) {
 406         return ret;
 407     }
 408
 409     PrintDebug(vm, VCORE_NONE, "Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 410     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 411                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 412     PrintDebug(vm, VCORE_NONE, "Registering TIME_RDHTSC hypercall.\n");
 413     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_RDHTSC_HCALL,
 414                                 handle_rdhtsc_hcall, NULL);
 415
 416     handle_time_configuration(vm, v3_cfg_subtree(cfg_tree, "time"));
 417
 418     return ret;
 419 }
 420
 421 void v3_deinit_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 422     v3_unhook_msr(vm, TSC_MSR);
 423     v3_unhook_msr(vm, TSC_AUX_MSR);
 424
 425     v3_remove_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL);
 426 }
 427
 428 static uint32_t
 429 gcd ( uint32_t a, uint32_t b )
 430 {
 431     uint32_t c;
 432     while ( a != 0 ) {
 433         c = a; a = b%a;  b = c;
 434     }
 435     return b;
 436 }
 437
 438 static int compute_core_ratios(struct guest_info * info,
 439                                uint32_t hostKhz, uint32_t guestKhz)
 440 {
 441     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 442     uint32_t khzGCD;
 443
 444     /* Compute these using the GCD() of the guest and host CPU freq.
 445      * If the GCD is too small, make it "big enough" */
 446     khzGCD = gcd(hostKhz, guestKhz);
 447     if (khzGCD < 1024)
 448         khzGCD = 1024;
 449
 450     time_state->clock_ratio_num = guestKhz / khzGCD;
 451     time_state->clock_ratio_denom = hostKhz / khzGCD;
 452
 453     time_state->ipc_ratio_num = 1;
 454     time_state->ipc_ratio_denom = 1;
 455
 456     return 0;
 457 }
 458
 459 void v3_init_time_core(struct guest_info * info) {
 460     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 461     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 462     char * khz = NULL;
 463
 464     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 465     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 466
 467     if (khz) {
 468         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 469         PrintDebug(info->vm_info, info, "Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency requested at %d khz.\n",
 470                    info->pcpu_id, info->vcpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 471     }
 472
 473     if ( (khz == NULL) ||
 474          (time_state->guest_cpu_freq <= 0)) {
 475 /*  || (time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq) ) { */
 476         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 477     }
 478     compute_core_ratios(info, time_state->host_cpu_freq,
 479                         time_state->guest_cpu_freq);
 480
 481     time_state->flags = 0;
 482     if (info->vm_info->time_state.flags & V3_TIME_SLAVE_HOST) {
 483         time_state->flags |= VM_TIME_SLAVE_HOST;
 484     }
 485     if (info->vm_info->time_state.flags & V3_TIME_TSC_PASSTHROUGH) {
 486         time_state->flags |= VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH;
 487     }
 488
 489     if ((time_state->clock_ratio_denom != 1) ||
 490         (time_state->clock_ratio_num != 1) ||
 491         (info->vm_info->time_state.td_num != 1) ||
 492         (info->vm_info->time_state.td_denom != 1)) {
 493         if (time_state->flags | VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH) {
 494             PrintError(info->vm_info, info, "WARNING: Cannot use reqested passthrough TSC with clock or time modification also requested.\n");
 495             time_state->flags &= ~VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH;
 496         }
 497         time_state->flags |= VM_TIME_TRAP_RDTSC;
 498     }
 499
 500     PrintDebug(info->vm_info, info, "Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n",
 501                info->pcpu_id, info->vcpu_id,
 502                time_state->guest_cpu_freq,
 503                time_state->host_cpu_freq);
 504     PrintDebug(info->vm_info, info, "    td_mult = %d/%d, cl_mult = %u/%u, ipc_mult = %u/%u.\n",
 505                info->vm_info->time_state.td_num,
 506                info->vm_info->time_state.td_denom,
 507                time_state->clock_ratio_num, time_state->clock_ratio_denom,
 508                time_state->ipc_ratio_num, time_state->ipc_ratio_denom);
 509     PrintDebug(info->vm_info, info, "    time source = %s, tsc handling =  %s\n",
 510                (time_state->flags & VM_TIME_SLAVE_HOST) ? "host" : "none",
 511                (time_state->flags & VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH) ? "passthrough"
 512                    : (time_state->flags & VM_TIME_TRAP_RDTSC) ? "trapping"
 513                        : "offsettting");
 514
 515     time_state->guest_cycles = 0;
 516     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 517     time_state->last_update = 0;
 518     time_state->initial_host_time = 0;
 519
 520     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 521     time_state->num_timers = 0;
 522
 523     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 524     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 525 }
 526
 527
 528 void v3_deinit_time_core(struct guest_info * core) {
 529     struct vm_core_time * time_state = &(core->time_state);
 530     struct v3_timer * tmr = NULL;
 531     struct v3_timer * tmp = NULL;
 532
 533     if (*(void**)&time_state->timers) {
 534         list_for_each_entry_safe(tmr, tmp, &(time_state->timers), timer_link) {
 535         v3_remove_timer(core, tmr);
 536         }
 537     }
 538 }