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("Guest request cpu frequency: return %ld\n", (long)info->vm_regs.rbx);
  83
  84     return 0;
  85 }
  86
  87
  88
  89 int v3_start_time(struct guest_info * info) {
  90     /* We start running with guest_time == host_time */
  91     uint64_t t = v3_get_host_time(&info->time_state);
  92
  93     info->time_state.initial_host_time = t;
  94     info->yield_start_cycle = t;
  95
  96     info->time_state.last_update = 0;
  97     info->time_state.guest_cycles = 0;
  98     PrintDebug("Starting time for core %d at host time %llu/guest time %llu.\n",
  99                info->vcpu_id, t, info->time_state.guest_cycles);
 100     v3_yield(info);
 101     return 0;
 102 }
 103
 104 static sint64_t
 105 host_to_guest_cycles(struct guest_info * info, sint64_t host_cycles) {
 106     struct vm_core_time * core_time_state = &(info->time_state);
 107     uint32_t cl_num, cl_denom;
 108
 109     cl_num = core_time_state->clock_ratio_num;
 110     cl_denom = core_time_state->clock_ratio_denom;
 111
 112     return (host_cycles * cl_num) / cl_denom;
 113 }
 114
 115 /*
 116 static sint64_t
 117 guest_to_host_cycles(struct guest_info * info, sint64_t guest_cycles) {
 118     struct vm_core_time * core_time_state = &(info->time_state);
 119     uint32_t cl_num, cl_denom;
 120
 121     cl_num = core_time_state->clock_ratio_num;
 122     cl_denom = core_time_state->clock_ratio_denom;
 123
 124     return (guest_cycles * cl_denom) / cl_num;
 125 }
 126 */
 127
 128 int v3_advance_time(struct guest_info * info, uint64_t *host_cycles)
 129 {
 130     uint64_t guest_cycles;
 131
 132     if (info->time_state.flags & VM_TIME_SLAVE_HOST) {
 133         struct v3_time *vm_ts = &(info->vm_info->time_state);
 134         uint64_t ht = v3_get_host_time(&info->time_state);
 135         uint64_t host_elapsed = ht - info->time_state.initial_host_time;
 136         uint64_t dilated_elapsed = (host_elapsed * vm_ts->td_num) / vm_ts->td_denom;
 137         uint64_t guest_elapsed = host_to_guest_cycles(info, dilated_elapsed);
 138         guest_cycles = guest_elapsed - v3_get_guest_time(&info->time_state);
 139     } else if (host_cycles) {
 140         guest_cycles = host_to_guest_cycles(info, *host_cycles);
 141     } else {
 142         guest_cycles = 0;
 143     }
 144
 145     info->time_state.guest_cycles += guest_cycles;
 146
 147     return 0;
 148 }
 149
 150 struct v3_timer * v3_add_timer(struct guest_info * info,
 151                                struct v3_timer_ops * ops,
 152                                void * private_data) {
 153     struct v3_timer * timer = NULL;
 154     timer = (struct v3_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_timer));
 155     V3_ASSERT(timer != NULL);
 156
 157     timer->ops = ops;
 158     timer->private_data = private_data;
 159
 160     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 161     info->time_state.num_timers++;
 162
 163     return timer;
 164 }
 165
 166 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct v3_timer * timer) {
 167     list_del(&(timer->timer_link));
 168     info->time_state.num_timers--;
 169
 170     V3_Free(timer);
 171     return 0;
 172 }
 173
 174 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 175     struct vm_core_time *time_state = &info->time_state;
 176     struct v3_timer * tmp_timer;
 177     sint64_t cycles;
 178     uint64_t old_time = time_state->last_update;
 179
 180     time_state->last_update = v3_get_guest_time(time_state);
 181     cycles = (sint64_t)(time_state->last_update - old_time);
 182     if (cycles < 0) {
 183         PrintError("Cycles appears to have rolled over - old time %lld, current time %lld.\n",
 184                    old_time, time_state->last_update);
 185         return;
 186     }
 187
 188     //PrintDebug("Updating timers with %lld elapsed cycles.\n", cycles);
 189     list_for_each_entry(tmp_timer, &(time_state->timers), timer_link) {
 190         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, time_state->guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 191     }
 192 }
 193
 194
 195 /*
 196  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 197  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 198  * offset from monotonic guest's time. If the guest writes to the TSC, we
 199  * handle this by changing that offset.
 200  *
 201  * Possible TODO: Proper hooking of TSC read/writes?
 202  */
 203
 204 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 205     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 206
 207     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 208     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 209
 210     return 0;
 211 }
 212
 213 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 214     PrintDebug("Handling virtual RDTSC call.\n");
 215     v3_rdtsc(info);
 216
 217     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 218     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 219
 220     info->rip += 2;
 221
 222     return 0;
 223 }
 224
 225 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 226     int ret;
 227     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 228      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 229     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 230     ret = v3_handle_msr_read(info);
 231
 232     if (ret != 0) {
 233         return ret;
 234     }
 235
 236     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 237
 238     /* Now do the TSC half of the instruction */
 239     ret = v3_rdtsc(info);
 240
 241     if (ret != 0) {
 242         return ret;
 243     }
 244
 245     return 0;
 246 }
 247
 248
 249 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 250     PrintDebug("Handling virtual RDTSCP call.\n");
 251
 252     v3_rdtscp(info);
 253
 254     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 255     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 256     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 257
 258     info->rip += 3;
 259
 260     return 0;
 261 }
 262
 263 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 264                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 265     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 266
 267     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 268
 269     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 270     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 271
 272     return 0;
 273 }
 274
 275 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 276                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 277     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 278
 279     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 280
 281     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 282     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 283
 284     return 0;
 285 }
 286
 287 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 288                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 289     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 290
 291     PrintDebug("Handling virtual TSC MSR read call.\n");
 292     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 293
 294     msr_val->hi = time >> 32;
 295     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 296
 297     return 0;
 298 }
 299
 300 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 301                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 302     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 303     uint64_t guest_time, new_tsc;
 304
 305     PrintDebug("Handling virtual TSC MSR write call.\n");
 306     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 307
 308     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 309     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 310     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)(new_tsc - guest_time);
 311
 312     return 0;
 313 }
 314
 315 static int
 316 handle_time_configuration(struct v3_vm_info * vm, v3_cfg_tree_t *cfg) {
 317     char *source, *dilation, *tsc;
 318
 319     vm->time_state.flags = V3_TIME_SLAVE_HOST;
 320     vm->time_state.td_num = vm->time_state.td_denom = 1;
 321
 322     if (!cfg) return 0;
 323
 324     source = v3_cfg_val(cfg, "source");
 325     if (source) {
 326         if (strcasecmp(source, "none") == 0) {
 327             vm->time_state.flags &= ~V3_TIME_SLAVE_HOST;
 328         } else if (strcasecmp(source, "host") != 0) {
 329             PrintError("Unknown time source for VM core time management.\n");
 330         } else {
 331             PrintDebug("VM time slaved to host TSC.\n");
 332         }
 333     }
 334
 335     // Should we make a separate TSC device that handles this sort of thing?
 336     tsc = v3_cfg_val(cfg, "tsc");
 337     if (tsc) {
 338         if (strcasecmp(tsc, "host") == 0) {
 339             if (!(vm->time_state.flags & V3_TIME_SLAVE_HOST)) {
 340                 PrintError("WARNING: Guest TSC set to passthrough host TSC, but guest time not slaved to host time.");
 341             }
 342             vm->time_state.flags |= V3_TIME_TSC_PASSTHROUGH;
 343         } else if (strcasecmp(source, "guest") != 0) {
 344             PrintError("ERROR: Unknown TSC configuration in time configuration.\n");
 345         }
 346     }
 347
 348     dilation = v3_cfg_val(cfg, "dilation");
 349     if (dilation) {
 350         if (!(vm->time_state.flags & VM_TIME_SLAVE_HOST)) {
 351             PrintError("Time dilation only valid when slaved to host time.\n");
 352         } else {
 353             uint32_t num = 1, denom = 1;
 354             denom = atoi(dilation);
 355             if ((num > 0) && (denom > 0)) {
 356                 vm->time_state.td_num = num;
 357                 vm->time_state.td_denom = denom;
 358             }
 359         }
 360         if ((vm->time_state.td_num != 1)
 361             || (vm->time_state.td_denom != 1)) {
 362             V3_Print("Time dilated from host time by a factor of %d/%d"
 363                      " in guest.\n", vm->time_state.td_denom,
 364                      vm->time_state.td_num);
 365         } else {
 366             PrintError("Time dilation specifier in configuration did not"
 367                        " result in actual time dilation in VM.\n");
 368         }
 369     }
 370     return 0;
 371 }
 372
 373 int v3_init_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 374     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = vm->cfg_data->cfg;
 375     int ret;
 376
 377     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 378     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_MSR,
 379                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 380
 381     if (ret != 0) {
 382         return ret;
 383     }
 384
 385     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 386     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 387                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 388
 389     if (ret != 0) {
 390         return ret;
 391     }
 392
 393     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 394     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 395                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 396
 397     handle_time_configuration(vm, v3_cfg_subtree(cfg_tree, "time"));
 398
 399     return ret;
 400 }
 401
 402 void v3_deinit_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 403     v3_unhook_msr(vm, TSC_MSR);
 404     v3_unhook_msr(vm, TSC_AUX_MSR);
 405
 406     v3_remove_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL);
 407 }
 408
 409 static uint32_t
 410 gcd ( uint32_t a, uint32_t b )
 411 {
 412     uint32_t c;
 413     while ( a != 0 ) {
 414         c = a; a = b%a;  b = c;
 415     }
 416     return b;
 417 }
 418
 419 static int compute_core_ratios(struct guest_info * info,
 420                                uint32_t hostKhz, uint32_t guestKhz)
 421 {
 422     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 423     uint32_t khzGCD;
 424
 425     /* Compute these using the GCD() of the guest and host CPU freq.
 426      * If the GCD is too small, make it "big enough" */
 427     khzGCD = gcd(hostKhz, guestKhz);
 428     if (khzGCD < 1024)
 429         khzGCD = 1024;
 430
 431     time_state->clock_ratio_num = guestKhz / khzGCD;
 432     time_state->clock_ratio_denom = hostKhz / khzGCD;
 433
 434     time_state->ipc_ratio_num = 1;
 435     time_state->ipc_ratio_denom = 1;
 436
 437     return 0;
 438 }
 439
 440 void v3_init_time_core(struct guest_info * info) {
 441     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 442     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 443     char * khz = NULL;
 444
 445     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 446     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 447
 448     if (khz) {
 449         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 450         PrintDebug("Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency requested at %d khz.\n",
 451                    info->pcpu_id, info->vcpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 452     }
 453
 454     if ( (khz == NULL) ||
 455          (time_state->guest_cpu_freq <= 0)) {
 456 /*  || (time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq) ) { */
 457         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 458     }
 459     compute_core_ratios(info, time_state->host_cpu_freq,
 460                         time_state->guest_cpu_freq);
 461
 462     time_state->flags = 0;
 463     if (info->vm_info->time_state.flags & V3_TIME_SLAVE_HOST) {
 464         time_state->flags |= VM_TIME_SLAVE_HOST;
 465     }
 466     if (info->vm_info->time_state.flags & V3_TIME_TSC_PASSTHROUGH) {
 467         time_state->flags |= VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH;
 468     }
 469
 470     if ((time_state->clock_ratio_denom != 1) ||
 471         (time_state->clock_ratio_num != 1) ||
 472         (info->vm_info->time_state.td_num != 1) ||
 473         (info->vm_info->time_state.td_denom != 1)) {
 474         if (time_state->flags | VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH) {
 475             PrintError("WARNING: Cannot use reqested passthrough TSC with clock or time modification also requested.\n");
 476             time_state->flags &= ~VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH;
 477         }
 478         time_state->flags |= VM_TIME_TRAP_RDTSC;
 479     }
 480
 481     PrintDebug("Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n",
 482                info->pcpu_id, info->vcpu_id,
 483                time_state->guest_cpu_freq,
 484                time_state->host_cpu_freq);
 485     PrintDebug("    td_mult = %d/%d, cl_mult = %u/%u, ipc_mult = %u/%u.\n",
 486                info->vm_info->time_state.td_num,
 487                info->vm_info->time_state.td_denom,
 488                time_state->clock_ratio_num, time_state->clock_ratio_denom,
 489                time_state->ipc_ratio_num, time_state->ipc_ratio_denom);
 490     PrintDebug("    time source = %s, tsc handling =  %s\n",
 491                (time_state->flags & VM_TIME_SLAVE_HOST) ? "host" : "none",
 492                (time_state->flags & VM_TIME_TSC_PASSTHROUGH) ? "passthrough"
 493                    : (time_state->flags & VM_TIME_TRAP_RDTSC) ? "trapping"
 494                        : "offsettting");
 495
 496     time_state->guest_cycles = 0;
 497     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 498     time_state->last_update = 0;
 499     time_state->initial_host_time = 0;
 500
 501     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 502     time_state->num_timers = 0;
 503
 504     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 505     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 506 }
 507
 508
 509 void v3_deinit_time_core(struct guest_info * core) {
 510     struct vm_core_time * time_state = &(core->time_state);
 511     struct v3_timer * tmr = NULL;
 512     struct v3_timer * tmp = NULL;
 513
 514     list_for_each_entry_safe(tmr, tmp, &(time_state->timers), timer_link) {
 515         v3_remove_timer(core, tmr);
 516     }
 517 }