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.enter_time = 0;
  90     info->time_state.exit_time = t;
  91     info->time_state.last_update = t;
  92     info->time_state.initial_time = t;
  93     info->yield_start_cycle = t;
  94     return 0;
  95 }
  96
  97 // If the guest is supposed to run slower than the host, yield out until
  98 // the host time is appropriately far along;
  99 int v3_adjust_time(struct guest_info * info) {
 100     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 101
 102     if (time_state->host_cpu_freq != time_state->guest_cpu_freq) {
 103         uint64_t guest_time, host_time, target_host_time;
 104         sint64_t guest_elapsed, desired_elapsed;
 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         if (host_time < target_host_time) {
 117             PrintDebug("Yielding until host time (%llu) greater than target (%llu).\n", host_time, target_host_time);
 118         }
 119
 120         while (host_time < target_host_time) {
 121             v3_yield(info);
 122             host_time = v3_get_host_time(time_state);
 123         }
 124
 125 #ifndef CONFIG_TIME_HIDE_VM_COST
 126         // XXX This should turn into a target offset we want to move towards XXX
 127         time_state->guest_host_offset =
 128                 (sint64_t)guest_time - (sint64_t)host_time;
 129 #endif
 130     }
 131
 132     return 0;
 133 }
 134
 135 /* Called immediately upon entry in the the VMM */
 136 int
 137 v3_time_exit_vm( struct guest_info * info )
 138 {
 139     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 140
 141     time_state->exit_time = v3_get_host_time(time_state);
 142
 143 #ifdef CONFIG_TIME_HIDE_EXIT_COST
 144     // XXX should make the cost adjustment a runtime parameter
 145     // so it can be set by the config file and/or tuned dynamically
 146     v3_offset_time(info, -CONFIG_TIME_EXIT_COST_ADJUST);
 147 #endif
 148     return 0;
 149 }
 150
 151 /* Called immediately prior to entry to the VM */
 152 int
 153 v3_time_enter_vm( struct guest_info * info )
 154 {
 155     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 156
 157     time_state->enter_time = v3_get_host_time(time_state);
 158 #ifdef CONFIG_TIME_HIDE_VM_COST
 159     if (time_state->exit_time) {
 160         sint64_t pause_diff = time_state->enter_time - time_state->exit_time;
 161         time_state->guest_host_offset -= pause_diff;
 162     } else {
 163         PrintError( "Time at which guest exited to VM not recorded!\n" );
 164     }
 165 #endif
 166     time_state->exit_time = 0;
 167
 168     return 0;
 169 }
 170
 171 int v3_offset_time( struct guest_info * info, sint64_t offset )
 172 {
 173     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 174 //    PrintDebug("Adding additional offset of %lld to guest time.\n", offset);
 175     time_state->guest_host_offset += offset;
 176     return 0;
 177 }
 178
 179 struct v3_timer * v3_add_timer(struct guest_info * info,
 180                                struct v3_timer_ops * ops,
 181                                void * private_data) {
 182     struct v3_timer * timer = NULL;
 183     timer = (struct v3_timer *)V3_Malloc(sizeof(struct v3_timer));
 184     V3_ASSERT(timer != NULL);
 185
 186     timer->ops = ops;
 187     timer->private_data = private_data;
 188
 189     list_add(&(timer->timer_link), &(info->time_state.timers));
 190     info->time_state.num_timers++;
 191
 192     return timer;
 193 }
 194
 195 int v3_remove_timer(struct guest_info * info, struct v3_timer * timer) {
 196     list_del(&(timer->timer_link));
 197     info->time_state.num_timers--;
 198
 199     V3_Free(timer);
 200     return 0;
 201 }
 202
 203 void v3_update_timers(struct guest_info * info) {
 204     struct vm_time *time_state = &info->time_state;
 205     struct v3_timer * tmp_timer;
 206     uint64_t old_time = info->time_state.last_update;
 207     sint64_t cycles;
 208
 209     time_state->last_update = v3_get_guest_time(time_state);
 210     cycles = time_state->last_update - old_time;
 211
 212     list_for_each_entry(tmp_timer, &(time_state->timers), timer_link) {
 213         tmp_timer->ops->update_timer(info, cycles, time_state->guest_cpu_freq, tmp_timer->private_data);
 214     }
 215 }
 216
 217 /*
 218  * Handle full virtualization of the time stamp counter.  As noted
 219  * above, we don't store the actual value of the TSC, only the guest's
 220  * offset from monotonic guest's time. If the guest writes to the TSC, we
 221  * handle this by changing that offset.
 222  *
 223  * Possible TODO: Proper hooking of TSC read/writes?
 224  */
 225
 226 int v3_rdtsc(struct guest_info * info) {
 227     uint64_t tscval = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 228     info->vm_regs.rdx = tscval >> 32;
 229     info->vm_regs.rax = tscval & 0xffffffffLL;
 230     return 0;
 231 }
 232
 233 int v3_handle_rdtsc(struct guest_info * info) {
 234     v3_rdtsc(info);
 235
 236     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 237     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 238
 239     info->rip += 2;
 240
 241     return 0;
 242 }
 243
 244 int v3_rdtscp(struct guest_info * info) {
 245     int ret;
 246     /* First get the MSR value that we need. It's safe to futz with
 247      * ra/c/dx here since they're modified by this instruction anyway. */
 248     info->vm_regs.rcx = TSC_AUX_MSR;
 249     ret = v3_handle_msr_read(info);
 250
 251     if (ret != 0) {
 252         return ret;
 253     }
 254
 255     info->vm_regs.rcx = info->vm_regs.rax;
 256
 257     /* Now do the TSC half of the instruction */
 258     ret = v3_rdtsc(info);
 259
 260     if (ret != 0) {
 261         return ret;
 262     }
 263
 264     return 0;
 265 }
 266
 267
 268 int v3_handle_rdtscp(struct guest_info * info) {
 269   PrintDebug("Handling virtual RDTSCP call.\n");
 270
 271     v3_rdtscp(info);
 272
 273     info->vm_regs.rax &= 0x00000000ffffffffLL;
 274     info->vm_regs.rcx &= 0x00000000ffffffffLL;
 275     info->vm_regs.rdx &= 0x00000000ffffffffLL;
 276
 277     info->rip += 3;
 278
 279     return 0;
 280 }
 281
 282 static int tsc_aux_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 283                                  struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 284     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 285
 286     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 287
 288     msr_val->lo = time_state->tsc_aux.lo;
 289     msr_val->hi = time_state->tsc_aux.hi;
 290
 291     return 0;
 292 }
 293
 294 static int tsc_aux_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 295                               struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 296     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 297
 298     V3_ASSERT(msr_num == TSC_AUX_MSR);
 299
 300     time_state->tsc_aux.lo = msr_val.lo;
 301     time_state->tsc_aux.hi = msr_val.hi;
 302
 303     return 0;
 304 }
 305
 306 static int tsc_msr_read_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 307                              struct v3_msr *msr_val, void *priv) {
 308     uint64_t time = v3_get_guest_tsc(&info->time_state);
 309
 310     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 311
 312     msr_val->hi = time >> 32;
 313     msr_val->lo = time & 0xffffffffLL;
 314
 315     return 0;
 316 }
 317
 318 static int tsc_msr_write_hook(struct guest_info *info, uint_t msr_num,
 319                              struct v3_msr msr_val, void *priv) {
 320     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 321     uint64_t guest_time, new_tsc;
 322
 323     V3_ASSERT(msr_num == TSC_MSR);
 324
 325     new_tsc = (((uint64_t)msr_val.hi) << 32) | (uint64_t)msr_val.lo;
 326     guest_time = v3_get_guest_time(time_state);
 327     time_state->tsc_guest_offset = (sint64_t)new_tsc - (sint64_t)guest_time;
 328
 329     return 0;
 330 }
 331
 332
 333 int v3_init_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 334     int ret;
 335
 336     PrintDebug("Installing TSC MSR hook.\n");
 337     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_MSR,
 338                       tsc_msr_read_hook, tsc_msr_write_hook, NULL);
 339
 340     if (ret != 0) {
 341         return ret;
 342     }
 343
 344     PrintDebug("Installing TSC_AUX MSR hook.\n");
 345     ret = v3_hook_msr(vm, TSC_AUX_MSR, tsc_aux_msr_read_hook,
 346                       tsc_aux_msr_write_hook, NULL);
 347
 348     if (ret != 0) {
 349         return ret;
 350     }
 351
 352     PrintDebug("Registering TIME_CPUFREQ hypercall.\n");
 353     ret = v3_register_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL,
 354                                 handle_cpufreq_hcall, NULL);
 355
 356     return ret;
 357 }
 358
 359 void v3_deinit_time_vm(struct v3_vm_info * vm) {
 360     v3_unhook_msr(vm, TSC_MSR);
 361     v3_unhook_msr(vm, TSC_AUX_MSR);
 362
 363     v3_remove_hypercall(vm, TIME_CPUFREQ_HCALL);
 364 }
 365
 366 void v3_init_time_core(struct guest_info * info) {
 367     struct vm_time * time_state = &(info->time_state);
 368     v3_cfg_tree_t * cfg_tree = info->core_cfg_data;
 369     char * khz = NULL;
 370
 371     time_state->host_cpu_freq = V3_CPU_KHZ();
 372     khz = v3_cfg_val(cfg_tree, "khz");
 373
 374     if (khz) {
 375         time_state->guest_cpu_freq = atoi(khz);
 376         PrintDebug("Core %d CPU frequency requested at %d khz.\n",
 377                    info->cpu_id, time_state->guest_cpu_freq);
 378     }
 379
 380     if ((khz == NULL) || (time_state->guest_cpu_freq <= 0)
 381         || (time_state->guest_cpu_freq > time_state->host_cpu_freq)) {
 382         time_state->guest_cpu_freq = time_state->host_cpu_freq;
 383     }
 384
 385     PrintDebug("Core %d CPU frequency set to %d KHz (host CPU frequency = %d KHz).\n",
 386                info->cpu_id,
 387                time_state->guest_cpu_freq,
 388                time_state->host_cpu_freq);
 389
 390     time_state->initial_time = 0;
 391     time_state->last_update = 0;
 392     time_state->guest_host_offset = 0;
 393     time_state->tsc_guest_offset = 0;
 394
 395     INIT_LIST_HEAD(&(time_state->timers));
 396     time_state->num_timers = 0;
 397
 398     time_state->tsc_aux.lo = 0;
 399     time_state->tsc_aux.hi = 0;
 400
 401
 402 }
 403
 404
 405 void v3_deinit_time_core(struct guest_info * core) {
 406     struct vm_time * time_state = &(core->time_state);
 407     struct v3_timer * tmr = NULL;
 408     struct v3_timer * tmp = NULL;
 409
 410     list_for_each_entry_safe(tmr, tmp, &(time_state->timers), timer_link) {
 411         v3_remove_timer(core, tmr);
 412     }
 413
 414 }
 415
 416
 417
 418
 419
 420