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_time.h>
  22 #include <palacios/vmm.h>
  23 #include <palacios/vm_guest.h>
  24
  25 #ifndef 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 computed as a multipler/offset from (1) above
  45  * (3) The actual guest timestamp counter (which can be written by
  46  *     writing to the guest TSC MSR - MSR 0x10) from the monotonic guest TSC.
  47  *     This is also computed as an offset from (2) above when the TSC and
  48  *     this offset is updated when the TSC MSR is written.
  49  *
  50  * Because all other devices are slaved off of the passage of time in the guest,
  51  * it is (2) above that drives the firing of other timers in the guest,
  52  * including timer devices such as the Programmable Interrupt Timer (PIT).
  53  *
  54  *
  55  *
  56  */
  57
  58
  59 static int handle_cpufreq_hcall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * priv_data) {
  60     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
  61
  62     info->vm_regs.rbx = time_state->guest_cpu_freq;
  63
  64     PrintDebug("Guest request cpu frequency: return %ld\n", (long)info->vm_regs.rbx);
  65
  66     return 0;
  67 }
  68
  69
  70
  71 int v3_start_time(struct guest_info * info) {
  72     /* We start running with guest_time == host_time */
  73     uint64_t t = v3_get_host_time(&info->time_state);
  74
  75     PrintDebug("Starting initial guest time as %llu\n", t);
  76     info->time_state.last_update = t;
  77     info->time_state.initial_time = t;
  78     info->yield_start_cycle = t;
  79     return 0;
  80 }
  81
  82 // If the guest is supposed to run slower than the host, yield out until
  83 // the host time is appropriately far along;
  84 int v3_adjust_time(struct guest_info * info) {
  85     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
  86
  87     if (time_state->host_cpu_freq == time_state->guest_cpu_freq) {
  88         time_state->guest_host_offset = 0;
  89     } else {
  90         uint64_t guest_time, guest_elapsed, desired_elapsed;
  91         uint64_t host_time, target_host_time;
  92         guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
  93         guest_elapsed = (guest_time - time_state->initial_time);
  94         desired_elapsed = (guest_elapsed * time_state->host_cpu_freq) / time_state->guest_cpu_freq;
  95
  96         target_host_time = time_state->initial_time + desired_elapsed;
  97         host_time = v3_get_host_time(time_state);
  98         PrintDebug("Core %d: Yielding %Lu cycles for guest frequency mismatch "
  99                    "(%Lu cycles elapsed in guest, %Lu in host).\n",
 100                    info->cpu_id, target_host_time - host_time,
 101                    guest_elapsed, host_time - time_state->initial_time);
 102
 103         host_time = v3_get_host_time(time_state);
 104         while (host_time < target_host_time) {
 105             v3_yield(info);
 106             host_time = v3_get_host_time(time_state);
 107         }
 108
 109         PrintDebug("Core %d: done adjusting time at host time %Lu.\n",
 110                    info->cpu_id, host_time);
 111         time_state->guest_host_offset = guest_time - host_time;
 112
 113     }
 114     return 0;
 115 }
 116
 117 int v3_add_timer(struct guest_info * info, struct vm_timer_ops * ops,
 118              void * private_data) {
 119     struct vm_timer * timer = NULL;
 120     timer = (struct vm_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct vm_timer));
 121     V3_ASSERT(timer != NULL);
 122
 123     timer->ops = ops;
 124     timer->private_data = private_data;
 125
 126     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 127     info->time_state.num_timers++;
 128
 129     return 0;
 130 }
 131
 132 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct vm_timer * timer) {
 133     list_del(&(timer->timer_link));
 134     info->time_state.num_timers--;
 135
 136     V3_Free(timer);
 137     return 0;
 138 }
 139
 140 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 141     struct vm_timer * tmp_timer;
 142     uint64_t old_time = info->time_state.last_update;
 143     uint64_t cycles;
 144
 145     info->time_state.last_update = v3_get_guest_time(&info->time_state);
 146     cycles = info->time_state.last_update - old_time;
 147
 148     list_for_each_entry(tmp_timer, &(info->time_state.timers), timer_link) {
 149         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, info->time_state.guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 150     }
 151 }
 152
 153 /*
 154  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 155  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 156  * offset from the host TSC. If the guest write's the to TSC, we handle
 157  * this by changing that offset.
 158  */
 159
 160 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 161     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 162     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 163     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 164     return 0;
 165 }
 166
 167 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 168     v3_rdtsc(info);
 169
 170     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 171     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 172
 173     info->rip += 2;
 174
 175     return 0;
 176 }
 177
 178 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 179     int ret;
 180     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 181      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 182     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 183     ret = v3_handle_msr_read(info);
 184     if (ret) return ret;
 185     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 186
 187     /* Now do the TSC half of the instruction, which may hit the normal
 188      * TSC hook if it exists */
 189     ret = v3_rdtsc(info);
 190     if (ret) return ret;
 191
 192     return 0;
 193 }
 194
 195
 196 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 197
 198     v3_rdtscp(info);
 199
 200     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 201     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 202     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 203
 204     info->rip += 3;
 205
 206     return 0;
 207 }
 208
 209 #if 0
 210 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 211                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 212     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 213
 214     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 215     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 216     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 217
 218     return 0;
 219 }
 220
 221 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 222                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 223     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 224
 225     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 226     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 227     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 228
 229     return 0;
 230 }
 231
 232 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 233                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 234     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 235
 236     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 237     msr_val->hi = time >> 32;
 238     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 239
 240     return 0;
 241 }
 242
 243 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 244                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 245     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 246     uint64_t guest_time, new_tsc;
 247     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 248     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 249     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 250     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)new_tsc - (sint64_t)guest_time;
 251
 252     return 0;
 253 }
 254
 255 #endif
 256
 257 static int init_vm_time(struct v3_vm_info *vm_info) {
 258     int ret;
 259
 260 #if 0
 261     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 262     ret = v3_hook_msr(vm_info, TSC_MSR,
 263                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 264
 265     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 266     if (ret) return ret;
 267     ret = v3_hook_msr(vm_info, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 268                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 269     if (ret) return ret;
 270 #endif
 271
 272     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 273     ret = v3_register_hypercall(vm_info, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 274                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 275     return ret;
 276 }
 277
 278 void v3_init_time(struct guest_info * info) {
 279     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 280     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 281     static int one_time = 0;
 282     char *khz;
 283
 284     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 285     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 286     if (khz) {
 287         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 288         PrintDebug("Core %d CPU frequency requested at %d khz.\n",
 289                    info->cpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 290     }
 291
 292     if (!khz || time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq) {
 293         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 294     }
 295     PrintDebug("Core %d CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n", info->cpu_id, time_state->guest_cpu_freq, time_state->host_cpu_freq);
 296
 297     time_state->initial_time = 0;
 298     time_state->last_update = 0;
 299     time_state->guest_host_offset = 0;
 300     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 301
 302     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 303     time_state->num_timers = 0;
 304
 305     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 306     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 307
 308     if (!one_time) {
 309         init_vm_time(info->vm_info);
 310         one_time = 1;
 311     }
 312 }
 313
 314
 315
 316
 317
 318