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 <clocksource/hyperv_timer.h>
  25 #include <asm/hyperv-tlfs.h>
  26 #include <asm/mshyperv.h>
  27
  28 static struct clock_event_device __percpu *hv_clock_event;
  29 static u64 hv_sched_clock_offset __ro_after_init;
  30
  31 /*
  32  * If false, we're using the old mechanism for stimer0 interrupts
  33  * where it sends a VMbus message when it expires. The old
  34  * mechanism is used when running on older versions of Hyper-V
  35  * that don't support Direct Mode. While Hyper-V provides
  36  * four stimer's per CPU, Linux uses only stimer0.
  37  *
  38  * Because Direct Mode does not require processing a VMbus
  39  * message, stimer interrupts can be enabled earlier in the
  40  * process of booting a CPU, and consistent with when timer
  41  * interrupts are enabled for other clocksource drivers.
  42  * However, for legacy versions of Hyper-V when Direct Mode
  43  * is not enabled, setting up stimer interrupts must be
  44  * delayed until VMbus is initialized and can process the
  45  * interrupt message.
  46  */
  47 static bool direct_mode_enabled;
  48
  49 static int stimer0_irq = -1;
  50 static int stimer0_message_sint;
  51 static DEFINE_PER_CPU(long, stimer0_evt);
  52
  53 /*
  54  * Common code for stimer0 interrupts coming via Direct Mode or
  55  * as a VMbus message.
  56  */
  57 void hv_stimer0_isr(void)
  58 {
  59         struct clock_event_device *ce;
  60
  61         ce = this_cpu_ptr(hv_clock_event);
  62         ce->event_handler(ce);
  63 }
  64 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer0_isr);
  65
  66 /*
  67  * stimer0 interrupt handler for architectures that support
  68  * per-cpu interrupts, which also implies Direct Mode.
  69  */
  70 static irqreturn_t hv_stimer0_percpu_isr(int irq, void *dev_id)
  71 {
  72         hv_stimer0_isr();
  73         return IRQ_HANDLED;
  74 }
  75
  76 static int hv_ce_set_next_event(unsigned long delta,
  77                                 struct clock_event_device *evt)
  78 {
  79         u64 current_tick;
  80
  81         current_tick = hv_read_reference_counter();
  82         current_tick += delta;
  83         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_COUNT, current_tick);
  84         return 0;
  85 }
  86
  87 static int hv_ce_shutdown(struct clock_event_device *evt)
  88 {
  89         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_COUNT, 0);
  90         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_CONFIG, 0);
  91         if (direct_mode_enabled && stimer0_irq >= 0)
  92                 disable_percpu_irq(stimer0_irq);
  93
  94         return 0;
  95 }
  96
  97 static int hv_ce_set_oneshot(struct clock_event_device *evt)
  98 {
  99         union hv_stimer_config timer_cfg;
 100
 101         timer_cfg.as_uint64 = 0;
 102         timer_cfg.enable = 1;
 103         timer_cfg.auto_enable = 1;
 104         if (direct_mode_enabled) {
 105                 /*
 106                  * When it expires, the timer will directly interrupt
 107                  * on the specified hardware vector/IRQ.
 108                  */
 109                 timer_cfg.direct_mode = 1;
 110                 timer_cfg.apic_vector = HYPERV_STIMER0_VECTOR;
 111                 if (stimer0_irq >= 0)
 112                         enable_percpu_irq(stimer0_irq, IRQ_TYPE_NONE);
 113         } else {
 114                 /*
 115                  * When it expires, the timer will generate a VMbus message,
 116                  * to be handled by the normal VMbus interrupt handler.
 117                  */
 118                 timer_cfg.direct_mode = 0;
 119                 timer_cfg.sintx = stimer0_message_sint;
 120         }
 121         hv_set_register(HV_REGISTER_STIMER0_CONFIG, timer_cfg.as_uint64);
 122         return 0;
 123 }
 124
 125 /*
 126  * hv_stimer_init - Per-cpu initialization of the clockevent
 127  */
 128 static int hv_stimer_init(unsigned int cpu)
 129 {
 130         struct clock_event_device *ce;
 131
 132         if (!hv_clock_event)
 133                 return 0;
 134
 135         ce = per_cpu_ptr(hv_clock_event, cpu);
 136         ce->name = "Hyper-V clockevent";
 137         ce->features = CLOCK_EVT_FEAT_ONESHOT;
 138         ce->cpumask = cpumask_of(cpu);
 139         ce->rating = 1000;
 140         ce->set_state_shutdown = hv_ce_shutdown;
 141         ce->set_state_oneshot = hv_ce_set_oneshot;
 142         ce->set_next_event = hv_ce_set_next_event;
 143
 144         clockevents_config_and_register(ce,
 145                                         HV_CLOCK_HZ,
 146                                         HV_MIN_DELTA_TICKS,
 147                                         HV_MAX_MAX_DELTA_TICKS);
 148         return 0;
 149 }
 150
 151 /*
 152  * hv_stimer_cleanup - Per-cpu cleanup of the clockevent
 153  */
 154 int hv_stimer_cleanup(unsigned int cpu)
 155 {
 156         struct clock_event_device *ce;
 157
 158         if (!hv_clock_event)
 159                 return 0;
 160
 161         /*
 162          * In the legacy case where Direct Mode is not enabled
 163          * (which can only be on x86/64), stimer cleanup happens
 164          * relatively early in the CPU offlining process. We
 165          * must unbind the stimer-based clockevent device so
 166          * that the LAPIC timer can take over until clockevents
 167          * are no longer needed in the offlining process. Note
 168          * that clockevents_unbind_device() eventually calls
 169          * hv_ce_shutdown().
 170          *
 171          * The unbind should not be done when Direct Mode is
 172          * enabled because we may be on an architecture where
 173          * there are no other clockevent devices to fallback to.
 174          */
 175         ce = per_cpu_ptr(hv_clock_event, cpu);
 176         if (direct_mode_enabled)
 177                 hv_ce_shutdown(ce);
 178         else
 179                 clockevents_unbind_device(ce, cpu);
 180
 181         return 0;
 182 }
 183 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_cleanup);
 184
 185 /*
 186  * These placeholders are overridden by arch specific code on
 187  * architectures that need special setup of the stimer0 IRQ because
 188  * they don't support per-cpu IRQs (such as x86/x64).
 189  */
 190 void __weak hv_setup_stimer0_handler(void (*handler)(void))
 191 {
 192 };
 193
 194 void __weak hv_remove_stimer0_handler(void)
 195 {
 196 };
 197
 198 /* Called only on architectures with per-cpu IRQs (i.e., not x86/x64) */
 199 static int hv_setup_stimer0_irq(void)
 200 {
 201         int ret;
 202
 203         ret = acpi_register_gsi(NULL, HYPERV_STIMER0_VECTOR,
 204                         ACPI_EDGE_SENSITIVE, ACPI_ACTIVE_HIGH);
 205         if (ret < 0) {
 206                 pr_err("Can't register Hyper-V stimer0 GSI. Error %d", ret);
 207                 return ret;
 208         }
 209         stimer0_irq = ret;
 210
 211         ret = request_percpu_irq(stimer0_irq, hv_stimer0_percpu_isr,
 212                 "Hyper-V stimer0", &stimer0_evt);
 213         if (ret) {
 214                 pr_err("Can't request Hyper-V stimer0 IRQ %d. Error %d",
 215                         stimer0_irq, ret);
 216                 acpi_unregister_gsi(stimer0_irq);
 217                 stimer0_irq = -1;
 218         }
 219         return ret;
 220 }
 221
 222 static void hv_remove_stimer0_irq(void)
 223 {
 224         if (stimer0_irq == -1) {
 225                 hv_remove_stimer0_handler();
 226         } else {
 227                 free_percpu_irq(stimer0_irq, &stimer0_evt);
 228                 acpi_unregister_gsi(stimer0_irq);
 229                 stimer0_irq = -1;
 230         }
 231 }
 232
 233 /* hv_stimer_alloc - Global initialization of the clockevent and stimer0 */
 234 int hv_stimer_alloc(bool have_percpu_irqs)
 235 {
 236         int ret;
 237
 238         /*
 239          * Synthetic timers are always available except on old versions of
 240          * Hyper-V on x86.  In that case, return as error as Linux will use a
 241          * clockevent based on emulated LAPIC timer hardware.
 242          */
 243         if (!(ms_hyperv.features & HV_MSR_SYNTIMER_AVAILABLE))
 244                 return -EINVAL;
 245
 246         hv_clock_event = alloc_percpu(struct clock_event_device);
 247         if (!hv_clock_event)
 248                 return -ENOMEM;
 249
 250         direct_mode_enabled = ms_hyperv.misc_features &
 251                         HV_STIMER_DIRECT_MODE_AVAILABLE;
 252
 253         /*
 254          * If Direct Mode isn't enabled, the remainder of the initialization
 255          * is done later by hv_stimer_legacy_init()
 256          */
 257         if (!direct_mode_enabled)
 258                 return 0;
 259
 260         if (have_percpu_irqs) {
 261                 ret = hv_setup_stimer0_irq();
 262                 if (ret)
 263                         goto free_clock_event;
 264         } else {
 265                 hv_setup_stimer0_handler(hv_stimer0_isr);
 266         }
 267
 268         /*
 269          * Since we are in Direct Mode, stimer initialization
 270          * can be done now with a CPUHP value in the same range
 271          * as other clockevent devices.
 272          */
 273         ret = cpuhp_setup_state(CPUHP_AP_HYPERV_TIMER_STARTING,
 274                         "clockevents/hyperv/stimer:starting",
 275                         hv_stimer_init, hv_stimer_cleanup);
 276         if (ret < 0) {
 277                 hv_remove_stimer0_irq();
 278                 goto free_clock_event;
 279         }
 280         return ret;
 281
 282 free_clock_event:
 283         free_percpu(hv_clock_event);
 284         hv_clock_event = NULL;
 285         return ret;
 286 }
 287 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_alloc);
 288
 289 /*
 290  * hv_stimer_legacy_init -- Called from the VMbus driver to handle
 291  * the case when Direct Mode is not enabled, and the stimer
 292  * must be initialized late in the CPU onlining process.
 293  *
 294  */
 295 void hv_stimer_legacy_init(unsigned int cpu, int sint)
 296 {
 297         if (direct_mode_enabled)
 298                 return;
 299
 300         /*
 301          * This function gets called by each vCPU, so setting the
 302          * global stimer_message_sint value each time is conceptually
 303          * not ideal, but the value passed in is always the same and
 304          * it avoids introducing yet another interface into this
 305          * clocksource driver just to set the sint in the legacy case.
 306          */
 307         stimer0_message_sint = sint;
 308         (void)hv_stimer_init(cpu);
 309 }
 310 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_legacy_init);
 311
 312 /*
 313  * hv_stimer_legacy_cleanup -- Called from the VMbus driver to
 314  * handle the case when Direct Mode is not enabled, and the
 315  * stimer must be cleaned up early in the CPU offlining
 316  * process.
 317  */
 318 void hv_stimer_legacy_cleanup(unsigned int cpu)
 319 {
 320         if (direct_mode_enabled)
 321                 return;
 322         (void)hv_stimer_cleanup(cpu);
 323 }
 324 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_legacy_cleanup);
 325
 326 /*
 327  * Do a global cleanup of clockevents for the cases of kexec and
 328  * vmbus exit
 329  */
 330 void hv_stimer_global_cleanup(void)
 331 {
 332         int     cpu;
 333
 334         /*
 335          * hv_stime_legacy_cleanup() will stop the stimer if Direct
 336          * Mode is not enabled, and fallback to the LAPIC timer.
 337          */
 338         for_each_present_cpu(cpu) {
 339                 hv_stimer_legacy_cleanup(cpu);
 340         }
 341
 342         if (!hv_clock_event)
 343                 return;
 344
 345         if (direct_mode_enabled) {
 346                 cpuhp_remove_state(CPUHP_AP_HYPERV_TIMER_STARTING);
 347                 hv_remove_stimer0_irq();
 348                 stimer0_irq = -1;
 349         }
 350         free_percpu(hv_clock_event);
 351         hv_clock_event = NULL;
 352
 353 }
 354 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_stimer_global_cleanup);
 355
 356 /*
 357  * Code and definitions for the Hyper-V clocksources.  Two
 358  * clocksources are defined: one that reads the Hyper-V defined MSR, and
 359  * the other that uses the TSC reference page feature as defined in the
 360  * TLFS.  The MSR version is for compatibility with old versions of
 361  * Hyper-V and 32-bit x86.  The TSC reference page version is preferred.
 362  */
 363
 364 static union {
 365         struct ms_hyperv_tsc_page page;
 366         u8 reserved[PAGE_SIZE];
 367 } tsc_pg __aligned(PAGE_SIZE);
 368
 369 struct ms_hyperv_tsc_page *hv_get_tsc_page(void)
 370 {
 371         return &tsc_pg.page;
 372 }
 373 EXPORT_SYMBOL_GPL(hv_get_tsc_page);
 374
 375 static u64 notrace read_hv_clock_tsc(void)
 376 {
 377         u64 current_tick = hv_read_tsc_page(hv_get_tsc_page());
 378
 379         if (current_tick == U64_MAX)
 380                 current_tick = hv_get_register(HV_REGISTER_TIME_REF_COUNT);
 381
 382         return current_tick;
 383 }
 384
 385 static u64 notrace read_hv_clock_tsc_cs(struct clocksource *arg)
 386 {
 387         return read_hv_clock_tsc();
 388 }
 389
 390 static u64 notrace read_hv_sched_clock_tsc(void)
 391 {
 392         return (read_hv_clock_tsc() - hv_sched_clock_offset) *
 393                 (NSEC_PER_SEC / HV_CLOCK_HZ);
 394 }
 395
 396 static void suspend_hv_clock_tsc(struct clocksource *arg)
 397 {
 398         u64 tsc_msr;
 399
 400         /* Disable the TSC page */
 401         tsc_msr = hv_get_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC);
 402         tsc_msr &= ~BIT_ULL(0);
 403         hv_set_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC, tsc_msr);
 404 }
 405
 406
 407 static void resume_hv_clock_tsc(struct clocksource *arg)
 408 {
 409         phys_addr_t phys_addr = virt_to_phys(&tsc_pg);
 410         u64 tsc_msr;
 411
 412         /* Re-enable the TSC page */
 413         tsc_msr = hv_get_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC);
 414         tsc_msr &= GENMASK_ULL(11, 0);
 415         tsc_msr |= BIT_ULL(0) | (u64)phys_addr;
 416         hv_set_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC, tsc_msr);
 417 }
 418
 419 #ifdef HAVE_VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK
 420 static int hv_cs_enable(struct clocksource *cs)
 421 {
 422         vclocks_set_used(VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK);
 423         return 0;
 424 }
 425 #endif
 426
 427 static struct clocksource hyperv_cs_tsc = {
 428         .name   = "hyperv_clocksource_tsc_page",
 429         .rating = 500,
 430         .read   = read_hv_clock_tsc_cs,
 431         .mask   = CLOCKSOURCE_MASK(64),
 432         .flags  = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
 433         .suspend= suspend_hv_clock_tsc,
 434         .resume = resume_hv_clock_tsc,
 435 #ifdef HAVE_VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK
 436         .enable = hv_cs_enable,
 437         .vdso_clock_mode = VDSO_CLOCKMODE_HVCLOCK,
 438 #else
 439         .vdso_clock_mode = VDSO_CLOCKMODE_NONE,
 440 #endif
 441 };
 442
 443 static u64 notrace read_hv_clock_msr(void)
 444 {
 445         /*
 446          * Read the partition counter to get the current tick count. This count
 447          * is set to 0 when the partition is created and is incremented in
 448          * 100 nanosecond units.
 449          */
 450         return hv_get_register(HV_REGISTER_TIME_REF_COUNT);
 451 }
 452
 453 static u64 notrace read_hv_clock_msr_cs(struct clocksource *arg)
 454 {
 455         return read_hv_clock_msr();
 456 }
 457
 458 static u64 notrace read_hv_sched_clock_msr(void)
 459 {
 460         return (read_hv_clock_msr() - hv_sched_clock_offset) *
 461                 (NSEC_PER_SEC / HV_CLOCK_HZ);
 462 }
 463
 464 static struct clocksource hyperv_cs_msr = {
 465         .name   = "hyperv_clocksource_msr",
 466         .rating = 500,
 467         .read   = read_hv_clock_msr_cs,
 468         .mask   = CLOCKSOURCE_MASK(64),
 469         .flags  = CLOCK_SOURCE_IS_CONTINUOUS,
 470 };
 471
 472 /*
 473  * Reference to pv_ops must be inline so objtool
 474  * detection of noinstr violations can work correctly.
 475  */
 476 #ifdef CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK
 477 static __always_inline void hv_setup_sched_clock(void *sched_clock)
 478 {
 479         /*
 480          * We're on an architecture with generic sched clock (not x86/x64).
 481          * The Hyper-V sched clock read function returns nanoseconds, not
 482          * the normal 100ns units of the Hyper-V synthetic clock.
 483          */
 484         sched_clock_register(sched_clock, 64, NSEC_PER_SEC);
 485 }
 486 #elif defined CONFIG_PARAVIRT
 487 static __always_inline void hv_setup_sched_clock(void *sched_clock)
 488 {
 489         /* We're on x86/x64 *and* using PV ops */
 490         paravirt_set_sched_clock(sched_clock);
 491 }
 492 #else /* !CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK && !CONFIG_PARAVIRT */
 493 static __always_inline void hv_setup_sched_clock(void *sched_clock) {}
 494 #endif /* CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK */
 495
 496 static bool __init hv_init_tsc_clocksource(void)
 497 {
 498         u64             tsc_msr;
 499         phys_addr_t     phys_addr;
 500
 501         if (!(ms_hyperv.features & HV_MSR_REFERENCE_TSC_AVAILABLE))
 502                 return false;
 503
 504         if (hv_root_partition)
 505                 return false;
 506
 507         /*
 508          * If Hyper-V offers TSC_INVARIANT, then the virtualized TSC correctly
 509          * handles frequency and offset changes due to live migration,
 510          * pause/resume, and other VM management operations.  So lower the
 511          * Hyper-V Reference TSC rating, causing the generic TSC to be used.
 512          * TSC_INVARIANT is not offered on ARM64, so the Hyper-V Reference
 513          * TSC will be preferred over the virtualized ARM64 arch counter.
 514          * While the Hyper-V MSR clocksource won't be used since the
 515          * Reference TSC clocksource is present, change its rating as
 516          * well for consistency.
 517          */
 518         if (ms_hyperv.features & HV_ACCESS_TSC_INVARIANT) {
 519                 hyperv_cs_tsc.rating = 250;
 520                 hyperv_cs_msr.rating = 250;
 521         }
 522
 523         hv_read_reference_counter = read_hv_clock_tsc;
 524         phys_addr = virt_to_phys(hv_get_tsc_page());
 525
 526         /*
 527          * The Hyper-V TLFS specifies to preserve the value of reserved
 528          * bits in registers. So read the existing value, preserve the
 529          * low order 12 bits, and add in the guest physical address
 530          * (which already has at least the low 12 bits set to zero since
 531          * it is page aligned). Also set the "enable" bit, which is bit 0.
 532          */
 533         tsc_msr = hv_get_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC);
 534         tsc_msr &= GENMASK_ULL(11, 0);
 535         tsc_msr = tsc_msr | 0x1 | (u64)phys_addr;
 536         hv_set_register(HV_REGISTER_REFERENCE_TSC, tsc_msr);
 537
 538         clocksource_register_hz(&hyperv_cs_tsc, NSEC_PER_SEC/100);
 539
 540         hv_sched_clock_offset = hv_read_reference_counter();
 541         hv_setup_sched_clock(read_hv_sched_clock_tsc);
 542
 543         return true;
 544 }
 545
 546 void __init hv_init_clocksource(void)
 547 {
 548         /*
 549          * Try to set up the TSC page clocksource. If it succeeds, we're
 550          * done. Otherwise, set up the MSR clocksource.  At least one of
 551          * these will always be available except on very old versions of
 552          * Hyper-V on x86.  In that case we won't have a Hyper-V
 553          * clocksource, but Linux will still run with a clocksource based
 554          * on the emulated PIT or LAPIC timer.
 555          */
 556         if (hv_init_tsc_clocksource())
 557                 return;
 558
 559         if (!(ms_hyperv.features & HV_MSR_TIME_REF_COUNT_AVAILABLE))
 560                 return;
 561
 562         hv_read_reference_counter = read_hv_clock_msr;
 563         clocksource_register_hz(&hyperv_cs_msr, NSEC_PER_SEC/100);
 564
 565         hv_sched_clock_offset = hv_read_reference_counter();
 566         hv_setup_sched_clock(read_hv_sched_clock_msr);
 567 }