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 using an offsets 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  * The value used to offset the guest TSC from the host TSC is the *sum* of all
  51  * of these offsets (2 and 3) above
  52  *
  53  * Because all other devices are slaved off of the passage of time in the guest,
  54  * it is (2) above that drives the firing of other timers in the guest,
  55  * including timer devices such as the Programmable Interrupt Timer (PIT).
  56  *
  57  * Future additions:
  58  * (1) Add support for temporarily skewing guest time off of where it should
  59  *     be to support slack simulation of guests. The idea is that simulators
  60  *     set this skew to be the difference between how much time passed for a
  61  *     simulated feature and a real implementation of that feature, making
  62  *     pass at a different rate from real time on this core. The VMM will then
  63  *     attempt to move this skew back towards 0 subject to resolution/accuracy
  64  *     constraints from various system timers.
  65  *
  66  *     The main effort in doing this will be to get accuracy/resolution
  67  *     information from each local timer and to use this to bound how much skew
  68  *     is removed on each exit.
  69  */
  70
  71
  72 static int handle_cpufreq_hcall(struct guest_info * info, uint_t hcall_id, void * priv_data) {
  73     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
  74
  75     info->vm_regs.rbx = time_state->guest_cpu_freq;
  76
  77     PrintDebug("Guest request cpu frequency: return %ld\n", (long)info->vm_regs.rbx);
  78
  79     return 0;
  80 }
  81
  82
  83
  84 int v3_start_time(struct guest_info * info) {
  85     /* We start running with guest_time == host_time */
  86     uint64_t t = v3_get_host_time(&info->time_state);
  87
  88     PrintDebug("Starting initial guest time as %llu\n", t);
  89     info->time_state.last_update = t;
  90     info->time_state.initial_time = t;
  91     info->yield_start_cycle = t;
  92     return 0;
  93 }
  94
  95 // If the guest is supposed to run slower than the host, yield out until
  96 // the host time is appropriately far along;
  97 int v3_adjust_time(struct guest_info * info) {
  98     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
  99
 100     if (time_state->host_cpu_freq == time_state->guest_cpu_freq) {
 101         time_state->guest_host_offset = 0;
 102     } else {
 103         uint64_t guest_time, guest_elapsed, desired_elapsed;
 104         uint64_t host_time, target_host_time;
 105
 106         guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 107
 108         /* Compute what host time this guest time should correspond to. */
 109         guest_elapsed = (guest_time - time_state->initial_time);
 110         desired_elapsed = (guest_elapsed * time_state->host_cpu_freq) / time_state->guest_cpu_freq;
 111         target_host_time = time_state->initial_time + desired_elapsed;
 112
 113         /* Yield until that host time is reached */
 114         host_time = v3_get_host_time(time_state);
 115
 116         while (host_time < target_host_time) {
 117             v3_yield(info);
 118             host_time = v3_get_host_time(time_state);
 119         }
 120
 121         time_state->guest_host_offset = (sint64_t)guest_time - (sint64_t)host_time;
 122     }
 123
 124     return 0;
 125 }
 126
 127 struct v3_timer * v3_add_timer(struct guest_info * info,
 128                                struct v3_timer_ops * ops,
 129                                void * private_data) {
 130     struct v3_timer * timer = NULL;
 131     timer = (struct v3_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_timer));
 132     V3_ASSERT(timer != NULL);
 133
 134     timer->ops = ops;
 135     timer->private_data = private_data;
 136
 137     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 138     info->time_state.num_timers++;
 139
 140     return timer;
 141 }
 142
 143 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct v3_timer * timer) {
 144     list_del(&(timer->timer_link));
 145     info->time_state.num_timers--;
 146
 147     V3_Free(timer);
 148     return 0;
 149 }
 150
 151 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 152     struct v3_timer * tmp_timer;
 153     uint64_t old_time = info->time_state.last_update;
 154     uint64_t cycles;
 155
 156     info->time_state.last_update = v3_get_guest_time(&info->time_state);
 157     cycles = info->time_state.last_update - old_time;
 158
 159     list_for_each_entry(tmp_timer, &(info->time_state.timers), timer_link) {
 160         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, info->time_state.guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 161     }
 162 }
 163
 164 /*
 165  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 166  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 167  * offset from monotonic guest's time. If the guest writes to the TSC, we
 168  * handle this by changing that offset.
 169  *
 170  * Possible TODO: Proper hooking of TSC read/writes?
 171  */
 172
 173 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 174     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 175     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 176     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 177     return 0;
 178 }
 179
 180 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 181     v3_rdtsc(info);
 182
 183     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 184     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 185
 186     info->rip += 2;
 187
 188     return 0;
 189 }
 190
 191 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 192     int ret;
 193     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 194      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 195     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 196     ret = v3_handle_msr_read(info);
 197
 198     if (ret != 0) {
 199         return ret;
 200     }
 201
 202     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 203
 204     /* Now do the TSC half of the instruction */
 205     ret = v3_rdtsc(info);
 206
 207     if (ret != 0) {
 208         return ret;
 209     }
 210
 211     return 0;
 212 }
 213
 214
 215 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 216
 217     v3_rdtscp(info);
 218
 219     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 220     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 221     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 222
 223     info->rip += 3;
 224
 225     return 0;
 226 }
 227
 228 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 229                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 230     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 231
 232     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 233
 234     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 235     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 236
 237     return 0;
 238 }
 239
 240 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 241                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 242     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 243
 244     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 245
 246     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 247     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 248
 249     return 0;
 250 }
 251
 252 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 253                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 254     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 255
 256     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 257
 258     msr_val->hi = time >> 32;
 259     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 260
 261     return 0;
 262 }
 263
 264 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 265                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 266     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 267     uint64_t guest_time, new_tsc;
 268
 269     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 270
 271     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 272     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 273     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)new_tsc - (sint64_t)guest_time;
 274
 275     return 0;
 276 }
 277
 278
 279 int v3_init_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 280     int ret;
 281
 282     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 283     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_MSR,
 284                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 285
 286     if (ret != 0) {
 287         return ret;
 288     }
 289
 290     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 291     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 292                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 293
 294     if (ret != 0) {
 295         return ret;
 296     }
 297
 298     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 299     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 300                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 301
 302     return ret;
 303 }
 304
 305 void v3_deinit_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 306     v3_unhook_msr(vm, TSC_MSR);
 307     v3_unhook_msr(vm, TSC_AUX_MSR);
 308
 309     //    v3_remove_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL);
 310 }
 311
 312 void v3_init_time_core(struct guest_info * info) {
 313     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 314     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 315     char * khz = NULL;
 316
 317     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 318     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 319
 320     if (khz) {
 321         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 322         PrintDebug("Core %d CPU frequency requested at %d khz.\n",
 323                    info->cpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 324     }
 325
 326     if ((khz == NULL) || (time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq)) {
 327         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 328     }
 329
 330     PrintDebug("Core %d CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n",
 331                info->cpu_id,
 332                time_state->guest_cpu_freq,
 333                time_state->host_cpu_freq);
 334
 335     time_state->initial_time = 0;
 336     time_state->last_update = 0;
 337     time_state->guest_host_offset = 0;
 338     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 339
 340     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 341     time_state->num_timers = 0;
 342
 343     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 344     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 345
 346
 347 }
 348
 349
 350 void v3_deinit_time_core(struct guest_info * core) {
 351     struct vm_time * time_state = &(core->time_state);
 352     struct v3_timer * tmr = NULL;
 353     struct v3_timer * tmp = NULL;
 354
 355     list_for_each_entry_safe(tmr, tmp, &(time_state->timers), timer_link) {
 356         v3_remove_timer(core, tmr);
 357     }
 358
 359 }
 360
 361
 362
 363
 364
 365