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.vm_enter_host_time = 0;
  94     info->time_state.vm_pause_host_time = t;
  95     info->time_state.initial_host_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     if (info->vm_info->time_state.follow_host_time) {
 110         PrintError("Cannot offset guest time passage while slaved to host clock.\n");
 111         return 1;
 112     } else {
 113         time_state->guest_cycles += offset;
 114     }
 115     return 0;
 116 }
 117
 118 int v3_skip_time(struct guest_info * info) {
 119     if (info->vm_info->time_state.follow_host_time) {
 120         PrintError("Cannot skip guest time passage while slaved to host clock.\n");
 121         return 1;
 122     } else {
 123         info->time_state.vm_pause_host_time = v3_get_host_time(&info->time_state);
 124     }
 125     return 0;
 126 }
 127
 128 static sint64_t host_to_guest_cycles(struct guest_info * info, sint64_t host_cycles) {
 129     return (host_cycles * info->time_state.clock_ratio_num) / info->time_state.clock_ratio_denom;
 130 }
 131
 132 int v3_time_advance_cycles(struct guest_info * info, uint64_t *host_cycles)
 133 {
 134     uint64_t t = v3_get_host_time(&info->time_state);
 135
 136     info->time_state.vm_pause_host_time = t;
 137
 138     if (info->vm_info->time_state.follow_host_time) {
 139         /* How many guest cycles should have elapsed? */
 140         sint64_t host_elapsed = t - info->time_state.initial_host_time;
 141         sint64_t guest_elapsed = host_to_guest_cycles(info, host_elapsed);
 142
 143         info->time_state.guest_cycles = guest_elapsed;
 144     } else {
 145         uint64_t guest_cycles;
 146         if (*host_cycles) {
 147             guest_cycles = host_to_guest_cycles(info, *host_cycles);
 148         } else {
 149             guest_cycles = host_to_guest_cycles(info, (sint64_t)(t - info->time_state.vm_pause_host_time));
 150         }
 151         info->time_state.guest_cycles += guest_cycles;
 152     }
 153
 154     return 0;
 155 }
 156
 157 int v3_advance_time(struct guest_info * info) {
 158     return v3_time_advance_cycles(info, NULL);
 159 }
 160
 161 /* Called immediately upon entry in the the VMM */
 162 int
 163 v3_time_exit_vm( struct guest_info * info, uint64_t * host_cycles )
 164 {
 165     return v3_time_advance_cycles(info, host_cycles);
 166 }
 167
 168 /* Called immediately prior to entry to the VM */
 169 int
 170 v3_time_enter_vm( struct guest_info * info )
 171 {
 172     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 173     uint64_t host_time = v3_get_host_time(&info->time_state);
 174
 175     time_state->vm_enter_host_time = host_time;
 176     return 0;
 177 }
 178
 179
 180
 181 struct v3_timer * v3_add_timer(struct guest_info * info,
 182                                struct v3_timer_ops * ops,
 183                                void * private_data) {
 184     struct v3_timer * timer = NULL;
 185     timer = (struct v3_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_timer));
 186     V3_ASSERT(timer != NULL);
 187
 188     timer->ops = ops;
 189     timer->private_data = private_data;
 190
 191     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 192     info->time_state.num_timers++;
 193
 194     return timer;
 195 }
 196
 197 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct v3_timer * timer) {
 198     list_del(&(timer->timer_link));
 199     info->time_state.num_timers--;
 200
 201     V3_Free(timer);
 202     return 0;
 203 }
 204
 205 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 206     struct vm_core_time *time_state = &info->time_state;
 207     struct v3_timer * tmp_timer;
 208     sint64_t cycles;
 209     uint64_t old_time = time_state->last_update;
 210
 211     time_state->last_update = v3_get_guest_time(time_state);
 212     cycles = (sint64_t)(time_state->last_update - old_time);
 213     if (cycles < 0) {
 214         PrintError("Cycles appears to have rolled over - old time %lld, current time %lld.\n",
 215                    old_time, time_state->last_update);
 216         return;
 217     }
 218
 219     PrintDebug("Updating timers with %lld elapsed cycles.\n", cycles);
 220     list_for_each_entry(tmp_timer, &(time_state->timers), timer_link) {
 221         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, time_state->guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 222     }
 223 }
 224
 225
 226 /*
 227  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 228  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 229  * offset from monotonic guest's time. If the guest writes to the TSC, we
 230  * handle this by changing that offset.
 231  *
 232  * Possible TODO: Proper hooking of TSC read/writes?
 233  */
 234
 235 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 236     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 237
 238     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 239     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 240
 241     return 0;
 242 }
 243
 244 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 245     v3_rdtsc(info);
 246
 247     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 248     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 249
 250     info->rip += 2;
 251
 252     return 0;
 253 }
 254
 255 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 256     int ret;
 257     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 258      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 259     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 260     ret = v3_handle_msr_read(info);
 261
 262     if (ret != 0) {
 263         return ret;
 264     }
 265
 266     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 267
 268     /* Now do the TSC half of the instruction */
 269     ret = v3_rdtsc(info);
 270
 271     if (ret != 0) {
 272         return ret;
 273     }
 274
 275     return 0;
 276 }
 277
 278
 279 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 280   PrintDebug("Handling virtual RDTSCP call.\n");
 281
 282     v3_rdtscp(info);
 283
 284     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 285     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 286     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 287
 288     info->rip += 3;
 289
 290     return 0;
 291 }
 292
 293 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 294                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 295     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 296
 297     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 298
 299     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 300     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 301
 302     return 0;
 303 }
 304
 305 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 306                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 307     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 308
 309     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 310
 311     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 312     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 313
 314     return 0;
 315 }
 316
 317 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 318                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 319     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 320
 321     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 322
 323     msr_val->hi = time >> 32;
 324     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 325
 326     return 0;
 327 }
 328
 329 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 330                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 331     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 332     uint64_t guest_time, new_tsc;
 333
 334     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 335
 336     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 337     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 338     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)(new_tsc - guest_time);
 339
 340     return 0;
 341 }
 342
 343
 344 int v3_init_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 345     int ret;
 346
 347     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 348     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_MSR,
 349                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 350
 351     if (ret != 0) {
 352         return ret;
 353     }
 354
 355     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 356     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 357                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 358
 359     if (ret != 0) {
 360         return ret;
 361     }
 362
 363     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 364     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 365                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 366
 367     vm->time_state.td_num = 1;
 368     vm->time_state.td_denom = 1;
 369     PrintDebug("Setting base time dilation factor to %d/%d.\n",
 370                vm->time_state.td_num, vm->time_state.td_denom);
 371
 372     vm->time_state.follow_host_time = 1;
 373     PrintDebug("Locking guest time to host time.\n");
 374     return ret;
 375 }
 376
 377 void v3_deinit_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 378     v3_unhook_msr(vm, TSC_MSR);
 379     v3_unhook_msr(vm, TSC_AUX_MSR);
 380
 381     v3_remove_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL);
 382 }
 383
 384 void v3_init_time_core(struct guest_info * info) {
 385     struct vm_core_time * time_state = &(info->time_state);
 386     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 387     char * khz = NULL;
 388
 389     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 390     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 391
 392     if (khz) {
 393         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 394         PrintDebug("Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency requested at %d khz.\n",
 395                    info->pcpu_id, info->vcpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 396     }
 397
 398     if ( (khz == NULL) ||
 399          (time_state->guest_cpu_freq <= 0)  ||
 400          (time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq) ) {
 401
 402         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 403     }
 404
 405     /* Compute these using the GCD() of the guest and host CPU freq.
 406      * If the GCD is too small, make it "big enough" */
 407     time_state->clock_ratio_num = 1;
 408     time_state->clock_ratio_denom = 1;
 409
 410     PrintDebug("Logical Core %d (vcpu=%d) CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n",
 411                info->pcpu_id, info->vcpu_id,
 412                time_state->guest_cpu_freq,
 413                time_state->host_cpu_freq);
 414
 415     time_state->guest_cycles = 0;
 416     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 417     time_state->last_update = 0;
 418
 419     time_state->initial_host_time = 0;
 420     time_state->vm_enter_host_time = 0;
 421     time_state->vm_pause_host_time = 0;
 422
 423     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 424     time_state->num_timers = 0;
 425
 426     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 427     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 428 }
 429
 430
 431 void v3_deinit_time_core(struct guest_info * core) {
 432     struct vm_core_time * time_state = &(core->time_state);
 433     struct v3_timer * tmr = NULL;
 434     struct v3_timer * tmp = NULL;
 435
 436     list_for_each_entry_safe(tmr, tmp, &(time_state->timers), timer_link) {
 437         v3_remove_timer(core, tmr);
 438     }
 439
 440 }