arch/x86/kernel/tsc_sync.c

   1 /*
   2  * check TSC synchronization.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2006, Red Hat, Inc., Ingo Molnar
   5  *
   6  * We check whether all boot CPUs have their TSC's synchronized,
   7  * print a warning if not and turn off the TSC clock-source.
   8  *
   9  * The warp-check is point-to-point between two CPUs, the CPU
  10  * initiating the bootup is the 'source CPU', the freshly booting
  11  * CPU is the 'target CPU'.
  12  *
  13  * Only two CPUs may participate - they can enter in any order.
  14  * ( The serial nature of the boot logic and the CPU hotplug lock
  15  *   protects against more than 2 CPUs entering this code. )
  16  */
  17 #include <linux/topology.h>
  18 #include <linux/spinlock.h>
  19 #include <linux/kernel.h>
  20 #include <linux/smp.h>
  21 #include <linux/nmi.h>
  22 #include <asm/tsc.h>
  23
  24 struct tsc_adjust {
  25         s64             bootval;
  26         s64             adjusted;
  27         unsigned long   nextcheck;
  28         bool            warned;
  29 };
  30
  31 static DEFINE_PER_CPU(struct tsc_adjust, tsc_adjust);
  32
  33 void tsc_verify_tsc_adjust(bool resume)
  34 {
  35         struct tsc_adjust *adj = this_cpu_ptr(&tsc_adjust);
  36         s64 curval;
  37
  38         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC_ADJUST))
  39                 return;
  40
  41         /* Rate limit the MSR check */
  42         if (!resume && time_before(jiffies, adj->nextcheck))
  43                 return;
  44
  45         adj->nextcheck = jiffies + HZ;
  46
  47         rdmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, curval);
  48         if (adj->adjusted == curval)
  49                 return;
  50
  51         /* Restore the original value */
  52         wrmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, adj->adjusted);
  53
  54         if (!adj->warned || resume) {
  55                 pr_warn(FW_BUG "TSC ADJUST differs: CPU%u %lld --> %lld. Restoring\n",
  56                         smp_processor_id(), adj->adjusted, curval);
  57                 adj->warned = true;
  58         }
  59 }
  60
  61 static void tsc_sanitize_first_cpu(struct tsc_adjust *cur, s64 bootval,
  62                                    unsigned int cpu, bool bootcpu)
  63 {
  64         /*
  65          * First online CPU in a package stores the boot value in the
  66          * adjustment value. This value might change later via the sync
  67          * mechanism. If that fails we still can yell about boot values not
  68          * being consistent.
  69          *
  70          * On the boot cpu we just force set the ADJUST value to 0 if it's
  71          * non zero. We don't do that on non boot cpus because physical
  72          * hotplug should have set the ADJUST register to a value > 0 so
  73          * the TSC is in sync with the already running cpus.
  74          *
  75          * But we always force positive ADJUST values. Otherwise the TSC
  76          * deadline timer creates an interrupt storm. We also have to
  77          * prevent values > 0x7FFFFFFF as those wreckage the timer as well.
  78          */
  79         if ((bootcpu && bootval != 0) || (!bootcpu && bootval < 0) ||
  80             (bootval > 0x7FFFFFFF)) {
  81                 pr_warn(FW_BUG "TSC ADJUST: CPU%u: %lld force to 0\n", cpu,
  82                         bootval);
  83                 wrmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, 0);
  84                 bootval = 0;
  85         }
  86         cur->adjusted = bootval;
  87 }
  88
  89 #ifndef CONFIG_SMP
  90 bool __init tsc_store_and_check_tsc_adjust(bool bootcpu)
  91 {
  92         struct tsc_adjust *cur = this_cpu_ptr(&tsc_adjust);
  93         s64 bootval;
  94
  95         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC_ADJUST))
  96                 return false;
  97
  98         rdmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, bootval);
  99         cur->bootval = bootval;
 100         cur->nextcheck = jiffies + HZ;
 101         tsc_sanitize_first_cpu(cur, bootval, smp_processor_id(), bootcpu);
 102         return false;
 103 }
 104
 105 #else /* !CONFIG_SMP */
 106
 107 /*
 108  * Store and check the TSC ADJUST MSR if available
 109  */
 110 bool tsc_store_and_check_tsc_adjust(bool bootcpu)
 111 {
 112         struct tsc_adjust *ref, *cur = this_cpu_ptr(&tsc_adjust);
 113         unsigned int refcpu, cpu = smp_processor_id();
 114         struct cpumask *mask;
 115         s64 bootval;
 116
 117         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC_ADJUST))
 118                 return false;
 119
 120         rdmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, bootval);
 121         cur->bootval = bootval;
 122         cur->nextcheck = jiffies + HZ;
 123         cur->warned = false;
 124
 125         /*
 126          * Check whether this CPU is the first in a package to come up. In
 127          * this case do not check the boot value against another package
 128          * because the new package might have been physically hotplugged,
 129          * where TSC_ADJUST is expected to be different. When called on the
 130          * boot CPU topology_core_cpumask() might not be available yet.
 131          */
 132         mask = topology_core_cpumask(cpu);
 133         refcpu = mask ? cpumask_any_but(mask, cpu) : nr_cpu_ids;
 134
 135         if (refcpu >= nr_cpu_ids) {
 136                 tsc_sanitize_first_cpu(cur, bootval, smp_processor_id(),
 137                                        bootcpu);
 138                 return false;
 139         }
 140
 141         ref = per_cpu_ptr(&tsc_adjust, refcpu);
 142         /*
 143          * Compare the boot value and complain if it differs in the
 144          * package.
 145          */
 146         if (bootval != ref->bootval) {
 147                 pr_warn(FW_BUG "TSC ADJUST differs: Reference CPU%u: %lld CPU%u: %lld\n",
 148                         refcpu, ref->bootval, cpu, bootval);
 149         }
 150         /*
 151          * The TSC_ADJUST values in a package must be the same. If the boot
 152          * value on this newly upcoming CPU differs from the adjustment
 153          * value of the already online CPU in this package, set it to that
 154          * adjusted value.
 155          */
 156         if (bootval != ref->adjusted) {
 157                 pr_warn("TSC ADJUST synchronize: Reference CPU%u: %lld CPU%u: %lld\n",
 158                         refcpu, ref->adjusted, cpu, bootval);
 159                 cur->adjusted = ref->adjusted;
 160                 wrmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, ref->adjusted);
 161         }
 162         /*
 163          * We have the TSCs forced to be in sync on this package. Skip sync
 164          * test:
 165          */
 166         return true;
 167 }
 168
 169 /*
 170  * Entry/exit counters that make sure that both CPUs
 171  * run the measurement code at once:
 172  */
 173 static atomic_t start_count;
 174 static atomic_t stop_count;
 175 static atomic_t skip_test;
 176 static atomic_t test_runs;
 177
 178 /*
 179  * We use a raw spinlock in this exceptional case, because
 180  * we want to have the fastest, inlined, non-debug version
 181  * of a critical section, to be able to prove TSC time-warps:
 182  */
 183 static arch_spinlock_t sync_lock = __ARCH_SPIN_LOCK_UNLOCKED;
 184
 185 static cycles_t last_tsc;
 186 static cycles_t max_warp;
 187 static int nr_warps;
 188 static int random_warps;
 189
 190 /*
 191  * TSC-warp measurement loop running on both CPUs.  This is not called
 192  * if there is no TSC.
 193  */
 194 static cycles_t check_tsc_warp(unsigned int timeout)
 195 {
 196         cycles_t start, now, prev, end, cur_max_warp = 0;
 197         int i, cur_warps = 0;
 198
 199         start = rdtsc_ordered();
 200         /*
 201          * The measurement runs for 'timeout' msecs:
 202          */
 203         end = start + (cycles_t) tsc_khz * timeout;
 204         now = start;
 205
 206         for (i = 0; ; i++) {
 207                 /*
 208                  * We take the global lock, measure TSC, save the
 209                  * previous TSC that was measured (possibly on
 210                  * another CPU) and update the previous TSC timestamp.
 211                  */
 212                 arch_spin_lock(&sync_lock);
 213                 prev = last_tsc;
 214                 now = rdtsc_ordered();
 215                 last_tsc = now;
 216                 arch_spin_unlock(&sync_lock);
 217
 218                 /*
 219                  * Be nice every now and then (and also check whether
 220                  * measurement is done [we also insert a 10 million
 221                  * loops safety exit, so we dont lock up in case the
 222                  * TSC readout is totally broken]):
 223                  */
 224                 if (unlikely(!(i & 7))) {
 225                         if (now > end || i > 10000000)
 226                                 break;
 227                         cpu_relax();
 228                         touch_nmi_watchdog();
 229                 }
 230                 /*
 231                  * Outside the critical section we can now see whether
 232                  * we saw a time-warp of the TSC going backwards:
 233                  */
 234                 if (unlikely(prev > now)) {
 235                         arch_spin_lock(&sync_lock);
 236                         max_warp = max(max_warp, prev - now);
 237                         cur_max_warp = max_warp;
 238                         /*
 239                          * Check whether this bounces back and forth. Only
 240                          * one CPU should observe time going backwards.
 241                          */
 242                         if (cur_warps != nr_warps)
 243                                 random_warps++;
 244                         nr_warps++;
 245                         cur_warps = nr_warps;
 246                         arch_spin_unlock(&sync_lock);
 247                 }
 248         }
 249         WARN(!(now-start),
 250                 "Warning: zero tsc calibration delta: %Ld [max: %Ld]\n",
 251                         now-start, end-start);
 252         return cur_max_warp;
 253 }
 254
 255 /*
 256  * If the target CPU coming online doesn't have any of its core-siblings
 257  * online, a timeout of 20msec will be used for the TSC-warp measurement
 258  * loop. Otherwise a smaller timeout of 2msec will be used, as we have some
 259  * information about this socket already (and this information grows as we
 260  * have more and more logical-siblings in that socket).
 261  *
 262  * Ideally we should be able to skip the TSC sync check on the other
 263  * core-siblings, if the first logical CPU in a socket passed the sync test.
 264  * But as the TSC is per-logical CPU and can potentially be modified wrongly
 265  * by the bios, TSC sync test for smaller duration should be able
 266  * to catch such errors. Also this will catch the condition where all the
 267  * cores in the socket doesn't get reset at the same time.
 268  */
 269 static inline unsigned int loop_timeout(int cpu)
 270 {
 271         return (cpumask_weight(topology_core_cpumask(cpu)) > 1) ? 2 : 20;
 272 }
 273
 274 /*
 275  * Source CPU calls into this - it waits for the freshly booted
 276  * target CPU to arrive and then starts the measurement:
 277  */
 278 void check_tsc_sync_source(int cpu)
 279 {
 280         int cpus = 2;
 281
 282         /*
 283          * No need to check if we already know that the TSC is not
 284          * synchronized or if we have no TSC.
 285          */
 286         if (unsynchronized_tsc())
 287                 return;
 288
 289         if (tsc_clocksource_reliable) {
 290                 if (cpu == (nr_cpu_ids-1) || system_state != SYSTEM_BOOTING)
 291                         pr_info(
 292                         "Skipped synchronization checks as TSC is reliable.\n");
 293                 return;
 294         }
 295
 296         /*
 297          * Set the maximum number of test runs to
 298          *  1 if the CPU does not provide the TSC_ADJUST MSR
 299          *  3 if the MSR is available, so the target can try to adjust
 300          */
 301         if (!boot_cpu_has(X86_FEATURE_TSC_ADJUST))
 302                 atomic_set(&test_runs, 1);
 303         else
 304                 atomic_set(&test_runs, 3);
 305 retry:
 306         /*
 307          * Wait for the target to start or to skip the test:
 308          */
 309         while (atomic_read(&start_count) != cpus - 1) {
 310                 if (atomic_read(&skip_test) > 0) {
 311                         atomic_set(&skip_test, 0);
 312                         return;
 313                 }
 314                 cpu_relax();
 315         }
 316
 317         /*
 318          * Trigger the target to continue into the measurement too:
 319          */
 320         atomic_inc(&start_count);
 321
 322         check_tsc_warp(loop_timeout(cpu));
 323
 324         while (atomic_read(&stop_count) != cpus-1)
 325                 cpu_relax();
 326
 327         /*
 328          * If the test was successful set the number of runs to zero and
 329          * stop. If not, decrement the number of runs an check if we can
 330          * retry. In case of random warps no retry is attempted.
 331          */
 332         if (!nr_warps) {
 333                 atomic_set(&test_runs, 0);
 334
 335                 pr_debug("TSC synchronization [CPU#%d -> CPU#%d]: passed\n",
 336                         smp_processor_id(), cpu);
 337
 338         } else if (atomic_dec_and_test(&test_runs) || random_warps) {
 339                 /* Force it to 0 if random warps brought us here */
 340                 atomic_set(&test_runs, 0);
 341
 342                 pr_warning("TSC synchronization [CPU#%d -> CPU#%d]:\n",
 343                         smp_processor_id(), cpu);
 344                 pr_warning("Measured %Ld cycles TSC warp between CPUs, "
 345                            "turning off TSC clock.\n", max_warp);
 346                 if (random_warps)
 347                         pr_warning("TSC warped randomly between CPUs\n");
 348                 mark_tsc_unstable("check_tsc_sync_source failed");
 349         }
 350
 351         /*
 352          * Reset it - just in case we boot another CPU later:
 353          */
 354         atomic_set(&start_count, 0);
 355         random_warps = 0;
 356         nr_warps = 0;
 357         max_warp = 0;
 358         last_tsc = 0;
 359
 360         /*
 361          * Let the target continue with the bootup:
 362          */
 363         atomic_inc(&stop_count);
 364
 365         /*
 366          * Retry, if there is a chance to do so.
 367          */
 368         if (atomic_read(&test_runs) > 0)
 369                 goto retry;
 370 }
 371
 372 /*
 373  * Freshly booted CPUs call into this:
 374  */
 375 void check_tsc_sync_target(void)
 376 {
 377         struct tsc_adjust *cur = this_cpu_ptr(&tsc_adjust);
 378         unsigned int cpu = smp_processor_id();
 379         cycles_t cur_max_warp, gbl_max_warp;
 380         int cpus = 2;
 381
 382         /* Also aborts if there is no TSC. */
 383         if (unsynchronized_tsc() || tsc_clocksource_reliable)
 384                 return;
 385
 386         /*
 387          * Store, verify and sanitize the TSC adjust register. If
 388          * successful skip the test.
 389          */
 390         if (tsc_store_and_check_tsc_adjust(false)) {
 391                 atomic_inc(&skip_test);
 392                 return;
 393         }
 394
 395 retry:
 396         /*
 397          * Register this CPU's participation and wait for the
 398          * source CPU to start the measurement:
 399          */
 400         atomic_inc(&start_count);
 401         while (atomic_read(&start_count) != cpus)
 402                 cpu_relax();
 403
 404         cur_max_warp = check_tsc_warp(loop_timeout(cpu));
 405
 406         /*
 407          * Store the maximum observed warp value for a potential retry:
 408          */
 409         gbl_max_warp = max_warp;
 410
 411         /*
 412          * Ok, we are done:
 413          */
 414         atomic_inc(&stop_count);
 415
 416         /*
 417          * Wait for the source CPU to print stuff:
 418          */
 419         while (atomic_read(&stop_count) != cpus)
 420                 cpu_relax();
 421
 422         /*
 423          * Reset it for the next sync test:
 424          */
 425         atomic_set(&stop_count, 0);
 426
 427         /*
 428          * Check the number of remaining test runs. If not zero, the test
 429          * failed and a retry with adjusted TSC is possible. If zero the
 430          * test was either successful or failed terminally.
 431          */
 432         if (!atomic_read(&test_runs))
 433                 return;
 434
 435         /*
 436          * If the warp value of this CPU is 0, then the other CPU
 437          * observed time going backwards so this TSC was ahead and
 438          * needs to move backwards.
 439          */
 440         if (!cur_max_warp)
 441                 cur_max_warp = -gbl_max_warp;
 442
 443         /*
 444          * Add the result to the previous adjustment value.
 445          *
 446          * The adjustement value is slightly off by the overhead of the
 447          * sync mechanism (observed values are ~200 TSC cycles), but this
 448          * really depends on CPU, node distance and frequency. So
 449          * compensating for this is hard to get right. Experiments show
 450          * that the warp is not longer detectable when the observed warp
 451          * value is used. In the worst case the adjustment needs to go
 452          * through a 3rd run for fine tuning.
 453          */
 454         cur->adjusted += cur_max_warp;
 455
 456         /*
 457          * TSC deadline timer stops working or creates an interrupt storm
 458          * with adjust values < 0 and > x07ffffff.
 459          *
 460          * To allow adjust values > 0x7FFFFFFF we need to disable the
 461          * deadline timer and use the local APIC timer, but that requires
 462          * more intrusive changes and we do not have any useful information
 463          * from Intel about the underlying HW wreckage yet.
 464          */
 465         if (cur->adjusted < 0)
 466                 cur->adjusted = 0;
 467         if (cur->adjusted > 0x7FFFFFFF)
 468                 cur->adjusted = 0x7FFFFFFF;
 469
 470         pr_warn("TSC ADJUST compensate: CPU%u observed %lld warp. Adjust: %lld\n",
 471                 cpu, cur_max_warp, cur->adjusted);
 472
 473         wrmsrl(MSR_IA32_TSC_ADJUST, cur->adjusted);
 474         goto retry;
 475
 476 }
 477
 478 #endif /* CONFIG_SMP */