drivers/clocksource/hyperv_timer.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 /*
   4  * Clocksource driver for the synthetic counter and timers
   5  * provided by the Hyper-V hypervisor to guest VMs, as described
   6  * in the Hyper-V Top Level Functional Spec (TLFS). This driver
   7  * is instruction set architecture independent.
   8  *
   9  * Copyright (C) 2019, Microsoft, Inc.
  10  *
  11  * Author:  Michael Kelley <mikelley@microsoft.com>
  12  */
  13
  14 #include <linux/percpu.h>
  15 #include <linux/cpumask.h>
  16 #include <linux/clockchips.h>
  17 #include <linux/clocksource.h>
  18 #include <linux/sched_clock.h>
  19 #include <linux/mm.h>
  20 #include <linux/cpuhotplug.h>
  21 #include <linux/interrupt.h>
  22 #include <linux/irq.h>
  23 #include <linux/acpi.h>
  24 #include <linux/hyperv.h>
  25 #include <clocksource/hyperv_timer.h>
  26 #include <asm/hyperv-tlfs.h>
  27 #include <asm/mshyperv.h>
  28
  29 static struct clock_event_device __percpu *hv_clock_event;
  30 static u64 hv_sched_clock_offset __ro_after_init;
  31
  32 /*
  33  * If false, we're using the old mechanism for stimer0 interrupts
  34  * where it sends a VMbus message when it expires. The old
  35  * mechanism is used when running on older versions of Hyper-V
  36  * that don't support Direct Mode. While Hyper-V provides
  37  * four stimer's per CPU, Linux uses only stimer0.
  38  *
  39  * Because Direct Mode does not require processing a VMbus
  40  * message, stimer interrupts can be enabled earlier in the
  41  * process of booting a CPU, and consistent with when timer
  42  * interrupts are enabled for other clocksource drivers.
  43  * However, for legacy versions of Hyper-V when Direct Mode
  44  * is not enabled, setting up stimer interrupts must be
  45  * delayed until VMbus is initialized and can process the
  46  * interrupt message.
  47  */
  48 static bool direct_mode_enabled;
  49
  50 static int stimer0_irq = -1;
  51 static int stimer0_message_sint;
  52 static __maybe_unused DEFINE_PER_CPU(long, stimer0_evt);
  53
  54 /*
  55  * Common code for stimer0 interrupts coming via Direct Mode or
  56  * as a VMbus message.
  57  */
  58 void hv_stimer0_isr(void)
  59 {
  60         struct clock_event_device *ce;
  61
  62         ce = this_cpu_ptr(hv_clock_event);
  63         ce->event_handler(ce);
  64 }
  65 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer0_isr);
  66
  67 /*
  68  * stimer0 interrupt handler for architectures that support
  69  * per-cpu interrupts, which also implies Direct Mode.
  70  */
  71 static irqreturn_t __maybe_unused hv_stimer0_percpu_isr(int irq, void *dev_id)
  72 {
  73         hv_stimer0_isr();
  74         return IRQ_HANDLED;
  75 }
  76
  77 static int hv_ce_set_next_event(unsigned long delta,
  78                                 struct clock_event_device *evt)
  79 {
  80         u64 current_tick;
  81
  82         current_tick = hv_read_reference_counter();
  83         current_tick += delta;
  84         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_COUNT, current_tick);
  85         return 0;
  86 }
  87
  88 static int hv_ce_shutdown(struct clock_event_device *evt)
  89 {
  90         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_COUNT, 0);
  91         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_CONFIG, 0);
  92         if (direct_mode_enabled && stimer0_irq >= 0)
  93                 disable_percpu_irq(stimer0_irq);
  94
  95         return 0;
  96 }
  97
  98 static int hv_ce_set_oneshot(struct clock_event_device *evt)
  99 {
 100         union hv_stimer_config timer_cfg;
 101
 102         timer_cfg.as_uint64 = 0;
 103         timer_cfg.enable = 1;
 104         timer_cfg.auto_enable = 1;
 105         if (direct_mode_enabled) {
 106                 /*
 107                  * When it expires, the timer will directly interrupt
 108                  * on the specified hardware vector/IRQ.
 109                  */
 110                 timer_cfg.direct_mode = 1;
 111                 timer_cfg.apic_vector = HYPERV_STIMER0_VECTOR;
 112                 if (stimer0_irq >= 0)
 113                         enable_percpu_irq(stimer0_irq, IRQ_TYPE_NONE);
 114         } else {
 115                 /*
 116                  * When it expires, the timer will generate a VMbus message,
 117                  * to be handled by the normal VMbus interrupt handler.
 118                  */
 119                 timer_cfg.direct_mode = 0;
 120                 timer_cfg.sintx = stimer0_message_sint;
 121         }
 122         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_CONFIG, timer_cfg.as_uint64);
 123         return 0;
 124 }
 125
 126 /*
 127  * hv_stimer_init - Per-cpu initialization of the clockevent
 128  */
 129 static int hv_stimer_init(unsigned int cpu)
 130 {
 131         struct clock_event_device *ce;
 132
 133         if (!hv_clock_event)
 134                 return 0;
 135
 136         ce = per_cpu_ptr(hv_clock_event, cpu);
 137         ce->name = "Hyper-V clockevent";
 138         ce->features = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT;
 139         ce->cpumask = cpumask_of(cpu);
 140         ce->rating = 1000;
 141         ce->set_state_shutdown = hv_ce_shutdown;
 142         ce->set_state_oneshot = hv_ce_set_oneshot;
 143         ce->set_next_event = hv_ce_set_next_event;
 144
 145         clockevents_config_and_register(ce,
 146                                         HV_CLOCK_HZ,
 147                                         HV_MIN_DELTA_TICKS,
 148                                         HV_MAX_MAX_DELTA_TICKS);
 149         return 0;
 150 }
 151
 152 /*
 153  * hv_stimer_cleanup - Per-cpu cleanup of the clockevent
 154  */
 155 int hv_stimer_cleanup(unsigned int cpu)
 156 {
 157         struct clock_event_device *ce;
 158
 159         if (!hv_clock_event)
 160                 return 0;
 161
 162         /*
 163          * In the legacy case where Direct Mode is not enabled
 164          * (which can only be on x86/64), stimer cleanup happens
 165          * relatively early in the CPU offlining process. We
 166          * must unbind the stimer-based clockevent device so
 167          * that the LAPIC timer can take over until clockevents
 168          * are no longer needed in the offlining process. Note
 169          * that clockevents_unbind_device() eventually calls
 170          * hv_ce_shutdown().
 171          *
 172          * The unbind should not be done when Direct Mode is
 173          * enabled because we may be on an architecture where
 174          * there are no other clockevent devices to fallback to.
 175          */
 176         ce = per_cpu_ptr(hv_clock_event, cpu);
 177         if (direct_mode_enabled)
 178                 hv_ce_shutdown(ce);
 179         else
 180                 clockevents_unbind_device(ce, cpu);
 181
 182         return 0;
 183 }
 184 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_cleanup);
 185
 186 /*
 187  * These placeholders are overridden by arch specific code on
 188  * architectures that need special setup of the stimer0 IRQ because
 189  * they don't support per-cpu IRQs (such as x86/x64).
 190  */
 191 void __weak hv_setup_stimer0_handler(void (*handler)(void))
 192 {
 193 };
 194
 195 void __weak hv_remove_stimer0_handler(void)
 196 {
 197 };
 198
 199 #ifdef CONFIG_ACPI
 200 /* Called only on architectures with per-cpu IRQs (i.e., not x86/x64) */
 201 static int hv_setup_stimer0_irq(void)
 202 {
 203         int ret;
 204
 205         ret = acpi_register_gsi(NULL, HYPERV_STIMER0_VECTOR,
 206                         ACPI_EDGE_SENSITIVE, ACPI_ACTIVE_HIGH);
 207         if (ret < 0) {
 208                 pr_err("Can't register Hyper-V stimer0 GSI. Error %d", ret);
 209                 return ret;
 210         }
 211         stimer0_irq = ret;
 212
 213         ret = request_percpu_irq(stimer0_irq, hv_stimer0_percpu_isr,
 214                 "Hyper-V stimer0", &stimer0_evt);
 215         if (ret) {
 216                 pr_err("Can't request Hyper-V stimer0 IRQ %d. Error %d",
 217                         stimer0_irq, ret);
 218                 acpi_unregister_gsi(stimer0_irq);
 219                 stimer0_irq = -1;
 220         }
 221         return ret;
 222 }
 223
 224 static void hv_remove_stimer0_irq(void)
 225 {
 226         if (stimer0_irq == -1) {
 227                 hv_remove_stimer0_handler();
 228         } else {
 229                 free_percpu_irq(stimer0_irq, &stimer0_evt);
 230                 acpi_unregister_gsi(stimer0_irq);
 231                 stimer0_irq = -1;
 232         }
 233 }
 234 #else
 235 static int hv_setup_stimer0_irq(void)
 236 {
 237         return 0;
 238 }
 239
 240 static void hv_remove_stimer0_irq(void)
 241 {
 242 }
 243 #endif
 244
 245 /* hv_stimer_alloc - Global initialization of the clockevent and stimer0 */
 246 int hv_stimer_alloc(bool have_percpu_irqs)
 247 {
 248         int ret;
 249
 250         /*
 251          * Synthetic timers are always available except on old versions of
 252          * Hyper-V on x86.  In that case, return as error as Linux will use a
 253          * clockevent based on emulated LAPIC timer hardware.
 254          */
 255         if (!(ms_hyperv.features & HV_MSR_SYNTIMER_AVAILABLE))
 256                 return -EINVAL;
 257
 258         hv_clock_event = alloc_percpu(struct clock_event_device);
 259         if (!hv_clock_event)
 260                 return -ENOMEM;
 261
 262         direct_mode_enabled = ms_hyperv.misc_features &
 263                         HV_STIMER_DIRECT_MODE_AVAILABLE;
 264
 265         /*
 266          * If Direct Mode isn't enabled, the remainder of the initialization
 267          * is done later by hv_stimer_legacy_init()
 268          */
 269         if (!direct_mode_enabled)
 270                 return 0;
 271
 272         if (have_percpu_irqs) {
 273                 ret = hv_setup_stimer0_irq();
 274                 if (ret)
 275                         goto free_clock_event;
 276         } else {
 277                 hv_setup_stimer0_handler(hv_stimer0_isr);
 278         }
 279
 280         /*
 281          * Since we are in Direct Mode, stimer initialization
 282          * can be done now with a CPUHP value in the same range
 283          * as other clockevent devices.
 284          */
 285         ret = cpuhp_setup_state(CPUHP_AP_HYPERV_TIMER_STARTING,
 286                         "clockevents/hyperv/stimer:starting",
 287                         hv_stimer_init, hv_stimer_cleanup);
 288         if (ret < 0) {
 289                 hv_remove_stimer0_irq();
 290                 goto free_clock_event;
 291         }
 292         return ret;
 293
 294 free_clock_event:
 295         free_percpu(hv_clock_event);
 296         hv_clock_event = NULL;
 297         return ret;
 298 }
 299 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_alloc);
 300
 301 /*
 302  * hv_stimer_legacy_init -- Called from the VMbus driver to handle
 303  * the case when Direct Mode is not enabled, and the stimer
 304  * must be initialized late in the CPU onlining process.
 305  *
 306  */
 307 void hv_stimer_legacy_init(unsigned int cpu, int sint)
 308 {
 309         if (direct_mode_enabled)
 310                 return;
 311
 312         /*
 313          * This function gets called by each vCPU, so setting the
 314          * global stimer_message_sint value each time is conceptually
 315          * not ideal, but the value passed in is always the same and
 316          * it avoids introducing yet another interface into this
 317          * clocksource driver just to set the sint in the legacy case.
 318          */
 319         stimer0_message_sint = sint;
 320         (void)hv_stimer_init(cpu);
 321 }
 322 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_legacy_init);
 323
 324 /*
 325  * hv_stimer_legacy_cleanup -- Called from the VMbus driver to
 326  * handle the case when Direct Mode is not enabled, and the
 327  * stimer must be cleaned up early in the CPU offlining
 328  * process.
 329  */
 330 void hv_stimer_legacy_cleanup(unsigned int cpu)
 331 {
 332         if (direct_mode_enabled)
 333                 return;
 334         (void)hv_stimer_cleanup(cpu);
 335 }
 336 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_legacy_cleanup);
 337
 338 /*
 339  * Do a global cleanup of clockevents for the cases of kexec and
 340  * vmbus exit
 341  */
 342 void hv_stimer_global_cleanup(void)
 343 {
 344         int     cpu;
 345
 346         /*
 347          * hv_stime_legacy_cleanup() will stop the stimer if Direct
 348          * Mode is not enabled, and fallback to the LAPIC timer.
 349          */
 350         for_each_present_cpu(cpu) {
 351                 hv_stimer_legacy_cleanup(cpu);
 352         }
 353
 354         if (!hv_clock_event)
 355                 return;
 356
 357         if (direct_mode_enabled) {
 358                 cpuhp_remove_state(CPUHP_AP_HYPERV_TIMER_STARTING);
 359                 hv_remove_stimer0_irq();
 360                 stimer0_irq = -1;
 361         }
 362         free_percpu(hv_clock_event);
 363         hv_clock_event = NULL;
 364
 365 }
 366 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_global_cleanup);
 367
 368 static __always_inline u64 read_hv_clock_msr(void)
 369 {
 370         /*
 371          * Read the partition counter to get the current tick count. This count
 372          * is set to 0 when the partition is created and is incremented in 100
 373          * nanosecond units.
 374          *
 375          * Use hv_raw_get_register() because this function is used from
 376          * noinstr. Notable; while HV_REGISTER_TIME_REF_COUNT is a synthetic
 377          * register it doesn't need the GHCB path.
 378          */
 379         return hv_raw_get_register(HV_REGISTER_TIME_REF_COUNT);
 380 }
 381
 382 /*
 383  * Code and definitions for the Hyper-V clocksources.  Two
 384  * clocksources are defined: one that reads the Hyper-V defined MSR, and
 385  * the other that uses the TSC reference page feature as defined in the
 386  * TLFS.  The MSR version is for compatibility with old versions of
 387  * Hyper-V and 32-bit x86.  The TSC reference page version is preferred.
 388  */
 389
 390 static union {
 391         struct ms_hyperv_tsc_page page;
 392         u8 reserved[PAGE_SIZE];
 393 } tsc_pg __bss_decrypted __aligned(PAGE_SIZE);
 394
 395 static struct ms_hyperv_tsc_page *tsc_page = &tsc_pg.page;
 396 static unsigned long tsc_pfn;
 397
 398 unsigned long hv_get_tsc_pfn(void)
 399 {
 400         return tsc_pfn;
 401 }
 402 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_get_tsc_pfn);
 403
 404 struct ms_hyperv_tsc_page *hv_get_tsc_page(void)
 405 {
 406         return tsc_page;
 407 }
 408 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_get_tsc_page);
 409
 410 static __always_inline u64 read_hv_clock_tsc(void)
 411 {
 412         u64 cur_tsc, time;
 413
 414         /*
 415          * The Hyper-V Top-Level Function Spec (TLFS), section Timers,
 416          * subsection Refererence Counter, guarantees that the TSC and MSR
 417          * times are in sync and monotonic. Therefore we can fall back
 418          * to the MSR in case the TSC page indicates unavailability.
 419          */
 420         if (!hv_read_tsc_page_tsc(tsc_page, &cur_tsc, &time))
 421                 time = read_hv_clock_msr();
 422
 423         return time;
 424 }
 425
 426 static u64 notrace read_hv_clock_tsc_cs(struct clocksource *arg)
 427 {
 428         return read_hv_clock_tsc();
 429 }
 430
 431 static u64 noinstr read_hv_sched_clock_tsc(void)
 432 {
 433         return (read_hv_clock_tsc() - hv_sched_clock_offset) *
 434                 (NSEC_PER_SEC / HV_CLOCK_HZ);
 435 }
 436
 437 static void suspend_hv_clock_tsc(struct clocksource *arg)
 438 {
 439         union hv_reference_tsc_msr tsc_msr;
 440
 441         /* Disable the TSC page */
 442         tsc_msr.as_uint64 = hv_get_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC);
 443         tsc_msr.enable = 0;
 444         hv_set_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC, tsc_msr.as_uint64);
 445 }
 446
 447
 448 static void resume_hv_clock_tsc(struct clocksource *arg)
 449 {
 450         union hv_reference_tsc_msr tsc_msr;
 451
 452         /* Re-enable the TSC page */
 453         tsc_msr.as_uint64 = hv_get_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC);
 454         tsc_msr.enable = 1;
 455         tsc_msr.pfn = tsc_pfn;
 456         hv_set_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC, tsc_msr.as_uint64);
 457 }
 458
 459 #ifdef HAVE_VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK
 460 static int hv_cs_enable(struct clocksource *cs)
 461 {
 462         vclocks_set_used(VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK);
 463         return 0;
 464 }
 465 #endif
 466
 467 static struct clocksource hyperv_cs_tsc = {
 468         .name   = "hyperv_clocksource_tsc_page",
 469         .rating = 500,
 470         .read   = read_hv_clock_tsc_cs,
 471         .mask   = CLOCKSOURCE_MASK(64),
 472         .flags  = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
 473         .suspend= suspend_hv_clock_tsc,
 474         .resume = resume_hv_clock_tsc,
 475 #ifdef HAVE_VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK
 476         .enable = hv_cs_enable,
 477         .vdso_clock_mode = VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK,
 478 #else
 479         .vdso_clock_mode = VDSO_CLOCKMODE_NONE,
 480 #endif
 481 };
 482
 483 static u64 notrace read_hv_clock_msr_cs(struct clocksource *arg)
 484 {
 485         return read_hv_clock_msr();
 486 }
 487
 488 static struct clocksource hyperv_cs_msr = {
 489         .name   = "hyperv_clocksource_msr",
 490         .rating = 495,
 491         .read   = read_hv_clock_msr_cs,
 492         .mask   = CLOCKSOURCE_MASK(64),
 493         .flags  = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
 494 };
 495
 496 /*
 497  * Reference to pv_ops must be inline so objtool
 498  * detection of noinstr violations can work correctly.
 499  */
 500 #ifdef CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK
 501 static __always_inline void hv_setup_sched_clock(void *sched_clock)
 502 {
 503         /*
 504          * We're on an architecture with generic sched clock (not x86/x64).
 505          * The Hyper-V sched clock read function returns nanoseconds, not
 506          * the normal 100ns units of the Hyper-V synthetic clock.
 507          */
 508         sched_clock_register(sched_clock, 64, NSEC_PER_SEC);
 509 }
 510 #elif defined CONFIG_PARAVIRT
 511 static __always_inline void hv_setup_sched_clock(void *sched_clock)
 512 {
 513         /* We're on x86/x64 *and* using PV ops */
 514         paravirt_set_sched_clock(sched_clock);
 515 }
 516 #else /* !CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK && !CONFIG_PARAVIRT */
 517 static __always_inline void hv_setup_sched_clock(void *sched_clock) {}
 518 #endif /* CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK */
 519
 520 static void __init hv_init_tsc_clocksource(void)
 521 {
 522         union hv_reference_tsc_msr tsc_msr;
 523
 524         /*
 525          * If Hyper-V offers TSC_INVARIANT, then the virtualized TSC correctly
 526          * handles frequency and offset changes due to live migration,
 527          * pause/resume, and other VM management operations.  So lower the
 528          * Hyper-V Reference TSC rating, causing the generic TSC to be used.
 529          * TSC_INVARIANT is not offered on ARM64, so the Hyper-V Reference
 530          * TSC will be preferred over the virtualized ARM64 arch counter.
 531          */
 532         if (ms_hyperv.features & HV_ACCESS_TSC_INVARIANT) {
 533                 hyperv_cs_tsc.rating = 250;
 534                 hyperv_cs_msr.rating = 245;
 535         }
 536
 537         if (!(ms_hyperv.features & HV_MSR_REFERENCE_TSC_AVAILABLE))
 538                 return;
 539
 540         hv_read_reference_counter = read_hv_clock_tsc;
 541
 542         /*
 543          * TSC page mapping works differently in root compared to guest.
 544          * - In guest partition the guest PFN has to be passed to the
 545          *   hypervisor.
 546          * - In root partition it's other way around: it has to map the PFN
 547          *   provided by the hypervisor.
 548          *   But it can't be mapped right here as it's too early and MMU isn't
 549          *   ready yet. So, we only set the enable bit here and will remap the
 550          *   page later in hv_remap_tsc_clocksource().
 551          *
 552          * It worth mentioning, that TSC clocksource read function
 553          * (read_hv_clock_tsc) has a MSR-based fallback mechanism, used when
 554          * TSC page is zeroed (which is the case until the PFN is remapped) and
 555          * thus TSC clocksource will work even without the real TSC page
 556          * mapped.
 557          */
 558         tsc_msr.as_uint64 = hv_get_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC);
 559         if (hv_root_partition)
 560                 tsc_pfn = tsc_msr.pfn;
 561         else
 562                 tsc_pfn = HVPFN_DOWN(virt_to_phys(tsc_page));
 563         tsc_msr.enable = 1;
 564         tsc_msr.pfn = tsc_pfn;
 565         hv_set_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC, tsc_msr.as_uint64);
 566
 567         clocksource_register_hz(&hyperv_cs_tsc, NSEC_PER_SEC/100);
 568
 569         /*
 570          * If TSC is invariant, then let it stay as the sched clock since it
 571          * will be faster than reading the TSC page. But if not invariant, use
 572          * the TSC page so that live migrations across hosts with different
 573          * frequencies is handled correctly.
 574          */
 575         if (!(ms_hyperv.features & HV_ACCESS_TSC_INVARIANT)) {
 576                 hv_sched_clock_offset = hv_read_reference_counter();
 577                 hv_setup_sched_clock(read_hv_sched_clock_tsc);
 578         }
 579 }
 580
 581 void __init hv_init_clocksource(void)
 582 {
 583         /*
 584          * Try to set up the TSC page clocksource, then the MSR clocksource.
 585          * At least one of these will always be available except on very old
 586          * versions of Hyper-V on x86.  In that case we won't have a Hyper-V
 587          * clocksource, but Linux will still run with a clocksource based
 588          * on the emulated PIT or LAPIC timer.
 589          *
 590          * Never use the MSR clocksource as sched clock.  It's too slow.
 591          * Better to use the native sched clock as the fallback.
 592          */
 593         hv_init_tsc_clocksource();
 594
 595         if (ms_hyperv.features & HV_MSR_TIME_REF_COUNT_AVAILABLE)
 596                 clocksource_register_hz(&hyperv_cs_msr, NSEC_PER_SEC/100);
 597 }
 598
 599 void __init hv_remap_tsc_clocksource(void)
 600 {
 601         if (!(ms_hyperv.features & HV_MSR_REFERENCE_TSC_AVAILABLE))
 602                 return;
 603
 604         if (!hv_root_partition) {
 605                 WARN(1, "%s: attempt to remap TSC page in guest partition\n",
 606                      __func__);
 607                 return;
 608         }
 609
 610         tsc_page = memremap(tsc_pfn << HV_HYP_PAGE_SHIFT, sizeof(tsc_pg),
 611                             MEMREMAP_WB);
 612         if (!tsc_page)
 613                 pr_err("Failed to remap Hyper-V TSC page.\n");
 614 }