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.enter_time = 0;
  94     info->time_state.pause_time = t;
  95     info->time_state.initial_time = t;
  96     info->yield_start_cycle = t;
  97
  98     info->time_state.last_update = 0;
  99     info->time_state.guest_cycles = 0;
 100     PrintDebug("Starting time for core %d at host time %llu/guest time %llu.\n",
 101                info->vcpu_id, t, info->time_state.guest_cycles);
 102     v3_yield(info);
 103     return 0;
 104 }
 105
 106 int v3_offset_time( struct guest_info * info, sint64_t offset )
 107 {
 108     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 109     time_state->guest_cycles += offset;
 110     return 0;
 111 }
 112
 113 int v3_skip_time(struct guest_info * info) {
 114     if (info->vm_info->time_state.follow_host_time) {
 115         PrintError("Cannot skip host time passage while slaved to host clock.\n");
 116         return 1;
 117     } else {
 118         info->time_state.pause_time = v3_get_host_time(&info->time_state);
 119     }
 120     return 0;
 121 }
 122
 123 int v3_advance_time(struct guest_info * info) {
 124     uint64_t t = v3_get_host_time(&info->time_state);
 125     if (info->vm_info->time_state.follow_host_time) {
 126         /* How many guest cycles should have elapsed? */
 127         sint64_t host_elapsed = t - info->time_state.initial_time;
 128         sint64_t guest_target = (host_elapsed * info->time_state.guest_cpu_freq) / info->time_state.host_cpu_freq;
 129         sint64_t cycle_lag = guest_target - info->time_state.guest_cycles;
 130         v3_offset_time(info, cycle_lag);
 131     } else {
 132         v3_offset_time(info, (sint64_t)(t - info->time_state.pause_time));
 133     }
 134     info->time_state.pause_time = t;
 135
 136     return 0;
 137 }
 138
 139 /* Called immediately upon entry in the the VMM */
 140 int
 141 v3_time_exit_vm( struct guest_info * info, uint64_t * guest_cycles )
 142 {
 143     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 144
 145     time_state->pause_time = v3_get_host_time(time_state);
 146     if (guest_cycles) {
 147         time_state->guest_cycles += *guest_cycles;
 148     } else {
 149         sint64_t cycles_exec;
 150         cycles_exec = (sint64_t)(time_state->pause_time - time_state->enter_time);
 151         time_state->guest_cycles += cycles_exec;
 152     }
 153     return 0;
 154 }
 155
 156 /* Called immediately prior to entry to the VM */
 157 int
 158 v3_time_enter_vm( struct guest_info * info )
 159 {
 160     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 161     uint64_t host_time = v3_get_host_time(&info->time_state);
 162
 163     v3_advance_time(info);
 164     time_state->enter_time = host_time;
 165     return 0;
 166 }
 167
 168
 169
 170 struct v3_timer * v3_add_timer(struct guest_info * info,
 171                                struct v3_timer_ops * ops,
 172                                void * private_data) {
 173     struct v3_timer * timer = NULL;
 174     timer = (struct v3_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_timer));
 175     V3_ASSERT(timer != NULL);
 176
 177     timer->ops = ops;
 178     timer->private_data = private_data;
 179
 180     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 181     info->time_state.num_timers++;
 182
 183     return timer;
 184 }
 185
 186 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct v3_timer * timer) {
 187     list_del(&(timer->timer_link));
 188     info->time_state.num_timers--;
 189
 190     V3_Free(timer);
 191     return 0;
 192 }
 193
 194 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 195     struct vm_core_time *time_state = &info->time_state;
 196     struct v3_timer * tmp_timer;
 197     sint64_t cycles;
 198     uint64_t old_time = info->time_state.last_update;
 199
 200     time_state->last_update = v3_get_guest_time(time_state);
 201     cycles = (sint64_t)(time_state->last_update - old_time);
 202     V3_ASSERT(cycles >= 0);
 203
 204     //    V3_Print("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     v3_rdtsc(info);
 231
 232     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 233     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 234
 235     info->rip += 2;
 236
 237     return 0;
 238 }
 239
 240 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 241     int ret;
 242     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 243      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 244     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 245     ret = v3_handle_msr_read(info);
 246
 247     if (ret != 0) {
 248         return ret;
 249     }
 250
 251     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 252
 253     /* Now do the TSC half of the instruction */
 254     ret = v3_rdtsc(info);
 255
 256     if (ret != 0) {
 257         return ret;
 258     }
 259
 260     return 0;
 261 }
 262
 263
 264 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 265   PrintDebug("Handling virtual RDTSCP call.\n");
 266
 267     v3_rdtscp(info);
 268
 269     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 270     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 271     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 272
 273     info->rip += 3;
 274
 275     return 0;
 276 }
 277
 278 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 279                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 280     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 281
 282     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 283
 284     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 285     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 286
 287     return 0;
 288 }
 289
 290 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 291                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 292     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 293
 294     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 295
 296     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 297     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 298
 299     return 0;
 300 }
 301
 302 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 303                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 304     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 305
 306     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 307
 308     msr_val->hi = time >> 32;
 309     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 310
 311     return 0;
 312 }
 313
 314 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 315                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 316     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 317     uint64_t guest_time, new_tsc;
 318
 319     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 320
 321     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 322     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 323     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)(new_tsc - guest_time);
 324
 325     return 0;
 326 }
 327
 328
 329 int v3_init_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 330     int ret;
 331
 332     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 333     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_MSR,
 334                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 335
 336     if (ret != 0) {
 337         return ret;
 338     }
 339
 340     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 341     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 342                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 343
 344     if (ret != 0) {
 345         return ret;
 346     }
 347
 348     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 349     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 350                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 351
 352     vm->time_state.td_mult = 1;
 353     PrintDebug("Setting base time dilation factor to %d.\n", vm->time_state.td_mult);
 354
 355     vm->time_state.follow_host_time = 1;
 356     PrintDebug("Locking guest time to host time.\n");
 357     return ret;
 358 }
 359
 360 void v3_deinit_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 361     v3_unhook_msr(vm, TSC_MSR);
 362     v3_unhook_msr(vm, TSC_AUX_MSR);
 363
 364     v3_remove_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL);
 365 }
 366
 367 void v3_init_time_core(struct guest_info * info) {
 368     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 369     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 370     char * khz = NULL;
 371
 372     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 373     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 374
 375     if (khz) {
 376         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 377         PrintDebug("Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency requested at %d khz.\n",
 378                    info->pcpu_id, info->vcpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 379     }
 380
 381     if ( (khz == NULL) ||
 382          (time_state->guest_cpu_freq <= 0)  ||
 383          (time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq) ) {
 384
 385         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 386     }
 387
 388     PrintDebug("Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n",
 389                info->pcpu_id, info->vcpu_id,
 390                time_state->guest_cpu_freq,
 391                time_state->host_cpu_freq);
 392
 393     time_state->initial_time = 0;
 394     time_state->last_update = 0;
 395     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 396     time_state->enter_time = 0;
 397     time_state->pause_time = 0;
 398     time_state->guest_cycles = 0;
 399
 400     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 401     time_state->num_timers = 0;
 402
 403     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 404     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 405 }
 406
 407
 408 void v3_deinit_time_core(struct guest_info * core) {
 409     struct vm_core_time * time_state = &(core->time_state);
 410     struct v3_timer * tmr = NULL;
 411     struct v3_timer * tmp = NULL;
 412
 413     list_for_each_entry_safe(tmr, tmp, &(time_state->timers), timer_link) {
 414         v3_remove_timer(core, tmr);
 415     }
 416
 417 }