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     if (time_state->host_cpu_freq == time_state->guest_cpu_freq) {
  87         time_state->guest_host_offset = 0;
  88     } else {
  89         uint64_t guest_time, host_time, target_host_time;
  90         guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
  91         host_time = v3_get_host_time(time_state);
  92         target_host_time = (host_time - time_state->initial_time) *
  93             time_state->host_cpu_freq / time_state->guest_cpu_freq;
  94         while (host_time < target_host_time) {
  95             v3_yield(info);
  96             host_time = v3_get_host_time(time_state);
  97         }
  98         time_state->guest_host_offset = guest_time - host_time;
  99
 100     }
 101     return 0;
 102 }
 103
 104 int v3_add_timer(struct guest_info * info, struct vm_timer_ops * ops,
 105              void * private_data) {
 106     struct vm_timer * timer = NULL;
 107     timer = (struct vm_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct vm_timer));
 108     V3_ASSERT(timer != NULL);
 109
 110     timer->ops = ops;
 111     timer->private_data = private_data;
 112
 113     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 114     info->time_state.num_timers++;
 115
 116     return 0;
 117 }
 118
 119 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct vm_timer * timer) {
 120     list_del(&(timer->timer_link));
 121     info->time_state.num_timers--;
 122
 123     V3_Free(timer);
 124     return 0;
 125 }
 126
 127 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 128     struct vm_timer * tmp_timer;
 129     uint64_t old_time = info->time_state.last_update;
 130     uint64_t cycles;
 131
 132     info->time_state.last_update = v3_get_guest_time(&info->time_state);
 133     cycles = info->time_state.last_update - old_time;
 134
 135     list_for_each_entry(tmp_timer, &(info->time_state.timers), timer_link) {
 136         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, info->time_state.guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 137     }
 138 }
 139
 140 /*
 141  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 142  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 143  * offset from the host TSC. If the guest write's the to TSC, we handle
 144  * this by changing that offset.
 145  */
 146
 147 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 148     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 149     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 150     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 151     return 0;
 152 }
 153
 154 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 155     v3_rdtsc(info);
 156
 157     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 158     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 159
 160     info->rip += 2;
 161
 162     return 0;
 163 }
 164
 165 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 166     int ret;
 167     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 168      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 169     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 170     ret = v3_handle_msr_read(info);
 171     if (ret) return ret;
 172     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 173
 174     /* Now do the TSC half of the instruction, which may hit the normal
 175      * TSC hook if it exists */
 176     ret = v3_rdtsc(info);
 177     if (ret) return ret;
 178
 179     return 0;
 180 }
 181
 182
 183 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 184
 185     v3_rdtscp(info);
 186
 187     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 188     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 189     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 190
 191     info->rip += 3;
 192
 193     return 0;
 194 }
 195
 196 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 197                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 198     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 199
 200     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 201     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 202     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 203
 204     return 0;
 205 }
 206
 207 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 208                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 209     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 210
 211     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 212     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 213     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 214
 215     return 0;
 216 }
 217
 218 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 219                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 220     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 221
 222     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 223     msr_val->hi = time >> 32;
 224     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 225
 226     return 0;
 227 }
 228
 229 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 230                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 231     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 232     uint64_t guest_time, new_tsc;
 233     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 234     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 235     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 236     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)new_tsc - (sint64_t)guest_time;
 237
 238     return 0;
 239 }
 240
 241 static int init_vm_time(struct v3_vm_info *vm_info) {
 242     int ret;
 243
 244     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 245     ret = v3_hook_msr(vm_info, TSC_MSR,
 246                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 247
 248     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 249     if (ret) return ret;
 250     ret = v3_hook_msr(vm_info, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 251                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 252     if (ret) return ret;
 253
 254     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 255     ret = v3_register_hypercall(vm_info, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 256                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 257     return ret;
 258 }
 259
 260 void v3_init_time(struct guest_info * info) {
 261     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 262     static int one_time = 0;
 263
 264     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 265     time_state->guest_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 266
 267     time_state->initial_time = 0;
 268     time_state->last_update = 0;
 269     time_state->guest_host_offset = 0;
 270     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 271
 272     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 273     time_state->num_timers = 0;
 274
 275     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 276     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 277
 278     if (!one_time) {
 279         init_vm_time(info->vm_info);
 280         one_time = 1;
 281     }
 282 }
 283
 284
 285
 286
 287
 288