kernel/trace/trace_hwlat.c

   1 /*
   2  * trace_hwlatdetect.c - A simple Hardware Latency detector.
   3  *
   4  * Use this tracer to detect large system latencies induced by the behavior of
   5  * certain underlying system hardware or firmware, independent of Linux itself.
   6  * The code was developed originally to detect the presence of SMIs on Intel
   7  * and AMD systems, although there is no dependency upon x86 herein.
   8  *
   9  * The classical example usage of this tracer is in detecting the presence of
  10  * SMIs or System Management Interrupts on Intel and AMD systems. An SMI is a
  11  * somewhat special form of hardware interrupt spawned from earlier CPU debug
  12  * modes in which the (BIOS/EFI/etc.) firmware arranges for the South Bridge
  13  * LPC (or other device) to generate a special interrupt under certain
  14  * circumstances, for example, upon expiration of a special SMI timer device,
  15  * due to certain external thermal readings, on certain I/O address accesses,
  16  * and other situations. An SMI hits a special CPU pin, triggers a special
  17  * SMI mode (complete with special memory map), and the OS is unaware.
  18  *
  19  * Although certain hardware-inducing latencies are necessary (for example,
  20  * a modern system often requires an SMI handler for correct thermal control
  21  * and remote management) they can wreak havoc upon any OS-level performance
  22  * guarantees toward low-latency, especially when the OS is not even made
  23  * aware of the presence of these interrupts. For this reason, we need a
  24  * somewhat brute force mechanism to detect these interrupts. In this case,
  25  * we do it by hogging all of the CPU(s) for configurable timer intervals,
  26  * sampling the built-in CPU timer, looking for discontiguous readings.
  27  *
  28  * WARNING: This implementation necessarily introduces latencies. Therefore,
  29  *          you should NEVER use this tracer while running in a production
  30  *          environment requiring any kind of low-latency performance
  31  *          guarantee(s).
  32  *
  33  * Copyright (C) 2008-2009 Jon Masters, Red Hat, Inc. <jcm@redhat.com>
  34  * Copyright (C) 2013-2016 Steven Rostedt, Red Hat, Inc. <srostedt@redhat.com>
  35  *
  36  * Includes useful feedback from Clark Williams <clark@redhat.com>
  37  *
  38  * This file is licensed under the terms of the GNU General Public
  39  * License version 2. This program is licensed "as is" without any
  40  * warranty of any kind, whether express or implied.
  41  */
  42 #include <linux/kthread.h>
  43 #include <linux/tracefs.h>
  44 #include <linux/uaccess.h>
  45 #include <linux/cpumask.h>
  46 #include <linux/delay.h>
  47 #include "trace.h"
  48
  49 static struct trace_array       *hwlat_trace;
  50
  51 #define U64STR_SIZE             22                      /* 20 digits max */
  52
  53 #define BANNER                  "hwlat_detector: "
  54 #define DEFAULT_SAMPLE_WINDOW   1000000                 /* 1s */
  55 #define DEFAULT_SAMPLE_WIDTH    500000                  /* 0.5s */
  56 #define DEFAULT_LAT_THRESHOLD   10                      /* 10us */
  57
  58 /* sampling thread*/
  59 static struct task_struct *hwlat_kthread;
  60
  61 static struct dentry *hwlat_sample_width;       /* sample width us */
  62 static struct dentry *hwlat_sample_window;      /* sample window us */
  63
  64 /* Save the previous tracing_thresh value */
  65 static unsigned long save_tracing_thresh;
  66
  67 /* NMI timestamp counters */
  68 static u64 nmi_ts_start;
  69 static u64 nmi_total_ts;
  70 static int nmi_count;
  71 static int nmi_cpu;
  72
  73 /* Tells NMIs to call back to the hwlat tracer to record timestamps */
  74 bool trace_hwlat_callback_enabled;
  75
  76 /* If the user changed threshold, remember it */
  77 static u64 last_tracing_thresh = DEFAULT_LAT_THRESHOLD * NSEC_PER_USEC;
  78
  79 /* Individual latency samples are stored here when detected. */
  80 struct hwlat_sample {
  81         u64             seqnum;         /* unique sequence */
  82         u64             duration;       /* delta */
  83         u64             outer_duration; /* delta (outer loop) */
  84         u64             nmi_total_ts;   /* Total time spent in NMIs */
  85         struct timespec timestamp;      /* wall time */
  86         int             nmi_count;      /* # NMIs during this sample */
  87 };
  88
  89 /* keep the global state somewhere. */
  90 static struct hwlat_data {
  91
  92         struct mutex lock;              /* protect changes */
  93
  94         u64     count;                  /* total since reset */
  95
  96         u64     sample_window;          /* total sampling window (on+off) */
  97         u64     sample_width;           /* active sampling portion of window */
  98
  99 } hwlat_data = {
 100         .sample_window          = DEFAULT_SAMPLE_WINDOW,
 101         .sample_width           = DEFAULT_SAMPLE_WIDTH,
 102 };
 103
 104 static void trace_hwlat_sample(struct hwlat_sample *sample)
 105 {
 106         struct trace_array *tr = hwlat_trace;
 107         struct trace_event_call *call = &event_hwlat;
 108         struct ring_buffer *buffer = tr->trace_buffer.buffer;
 109         struct ring_buffer_event *event;
 110         struct hwlat_entry *entry;
 111         unsigned long flags;
 112         int pc;
 113
 114         pc = preempt_count();
 115         local_save_flags(flags);
 116
 117         event = trace_buffer_lock_reserve(buffer, TRACE_HWLAT, sizeof(*entry),
 118                                           flags, pc);
 119         if (!event)
 120                 return;
 121         entry   = ring_buffer_event_data(event);
 122         entry->seqnum                   = sample->seqnum;
 123         entry->duration                 = sample->duration;
 124         entry->outer_duration           = sample->outer_duration;
 125         entry->timestamp                = sample->timestamp;
 126         entry->nmi_total_ts             = sample->nmi_total_ts;
 127         entry->nmi_count                = sample->nmi_count;
 128
 129         if (!call_filter_check_discard(call, entry, buffer, event))
 130                 trace_buffer_unlock_commit_nostack(buffer, event);
 131 }
 132
 133 /* Macros to encapsulate the time capturing infrastructure */
 134 #define time_type       u64
 135 #define time_get()      trace_clock_local()
 136 #define time_to_us(x)   div_u64(x, 1000)
 137 #define time_sub(a, b)  ((a) - (b))
 138 #define init_time(a, b) (a = b)
 139 #define time_u64(a)     a
 140
 141 void trace_hwlat_callback(bool enter)
 142 {
 143         if (smp_processor_id() != nmi_cpu)
 144                 return;
 145
 146         /*
 147          * Currently trace_clock_local() calls sched_clock() and the
 148          * generic version is not NMI safe.
 149          */
 150         if (!IS_ENABLED(CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK)) {
 151                 if (enter)
 152                         nmi_ts_start = time_get();
 153                 else
 154                         nmi_total_ts = time_get() - nmi_ts_start;
 155         }
 156
 157         if (enter)
 158                 nmi_count++;
 159 }
 160
 161 /**
 162  * get_sample - sample the CPU TSC and look for likely hardware latencies
 163  *
 164  * Used to repeatedly capture the CPU TSC (or similar), looking for potential
 165  * hardware-induced latency. Called with interrupts disabled and with
 166  * hwlat_data.lock held.
 167  */
 168 static int get_sample(void)
 169 {
 170         struct trace_array *tr = hwlat_trace;
 171         time_type start, t1, t2, last_t2;
 172         s64 diff, total, last_total = 0;
 173         u64 sample = 0;
 174         u64 thresh = tracing_thresh;
 175         u64 outer_sample = 0;
 176         int ret = -1;
 177
 178         do_div(thresh, NSEC_PER_USEC); /* modifies interval value */
 179
 180         nmi_cpu = smp_processor_id();
 181         nmi_total_ts = 0;
 182         nmi_count = 0;
 183         /* Make sure NMIs see this first */
 184         barrier();
 185
 186         trace_hwlat_callback_enabled = true;
 187
 188         init_time(last_t2, 0);
 189         start = time_get(); /* start timestamp */
 190
 191         do {
 192
 193                 t1 = time_get();        /* we'll look for a discontinuity */
 194                 t2 = time_get();
 195
 196                 if (time_u64(last_t2)) {
 197                         /* Check the delta from outer loop (t2 to next t1) */
 198                         diff = time_to_us(time_sub(t1, last_t2));
 199                         /* This shouldn't happen */
 200                         if (diff < 0) {
 201                                 pr_err(BANNER "time running backwards\n");
 202                                 goto out;
 203                         }
 204                         if (diff > outer_sample)
 205                                 outer_sample = diff;
 206                 }
 207                 last_t2 = t2;
 208
 209                 total = time_to_us(time_sub(t2, start)); /* sample width */
 210
 211                 /* Check for possible overflows */
 212                 if (total < last_total) {
 213                         pr_err("Time total overflowed\n");
 214                         break;
 215                 }
 216                 last_total = total;
 217
 218                 /* This checks the inner loop (t1 to t2) */
 219                 diff = time_to_us(time_sub(t2, t1));     /* current diff */
 220
 221                 /* This shouldn't happen */
 222                 if (diff < 0) {
 223                         pr_err(BANNER "time running backwards\n");
 224                         goto out;
 225                 }
 226
 227                 if (diff > sample)
 228                         sample = diff; /* only want highest value */
 229
 230         } while (total <= hwlat_data.sample_width);
 231
 232         barrier(); /* finish the above in the view for NMIs */
 233         trace_hwlat_callback_enabled = false;
 234         barrier(); /* Make sure nmi_total_ts is no longer updated */
 235
 236         ret = 0;
 237
 238         /* If we exceed the threshold value, we have found a hardware latency */
 239         if (sample > thresh || outer_sample > thresh) {
 240                 struct hwlat_sample s;
 241
 242                 ret = 1;
 243
 244                 /* We read in microseconds */
 245                 if (nmi_total_ts)
 246                         do_div(nmi_total_ts, NSEC_PER_USEC);
 247
 248                 hwlat_data.count++;
 249                 s.seqnum = hwlat_data.count;
 250                 s.duration = sample;
 251                 s.outer_duration = outer_sample;
 252                 s.timestamp = CURRENT_TIME;
 253                 s.nmi_total_ts = nmi_total_ts;
 254                 s.nmi_count = nmi_count;
 255                 trace_hwlat_sample(&s);
 256
 257                 /* Keep a running maximum ever recorded hardware latency */
 258                 if (sample > tr->max_latency)
 259                         tr->max_latency = sample;
 260         }
 261
 262 out:
 263         return ret;
 264 }
 265
 266 static struct cpumask save_cpumask;
 267 static bool disable_migrate;
 268
 269 static void move_to_next_cpu(bool initmask)
 270 {
 271         static struct cpumask *current_mask;
 272         int next_cpu;
 273
 274         if (disable_migrate)
 275                 return;
 276
 277         /* Just pick the first CPU on first iteration */
 278         if (initmask) {
 279                 current_mask = &save_cpumask;
 280                 get_online_cpus();
 281                 cpumask_and(current_mask, cpu_online_mask, tracing_buffer_mask);
 282                 put_online_cpus();
 283                 next_cpu = cpumask_first(current_mask);
 284                 goto set_affinity;
 285         }
 286
 287         /*
 288          * If for some reason the user modifies the CPU affinity
 289          * of this thread, than stop migrating for the duration
 290          * of the current test.
 291          */
 292         if (!cpumask_equal(current_mask, &current->cpus_allowed))
 293                 goto disable;
 294
 295         get_online_cpus();
 296         cpumask_and(current_mask, cpu_online_mask, tracing_buffer_mask);
 297         next_cpu = cpumask_next(smp_processor_id(), current_mask);
 298         put_online_cpus();
 299
 300         if (next_cpu >= nr_cpu_ids)
 301                 next_cpu = cpumask_first(current_mask);
 302
 303  set_affinity:
 304         if (next_cpu >= nr_cpu_ids) /* Shouldn't happen! */
 305                 goto disable;
 306
 307         cpumask_clear(current_mask);
 308         cpumask_set_cpu(next_cpu, current_mask);
 309
 310         sched_setaffinity(0, current_mask);
 311         return;
 312
 313  disable:
 314         disable_migrate = true;
 315 }
 316
 317 /*
 318  * kthread_fn - The CPU time sampling/hardware latency detection kernel thread
 319  *
 320  * Used to periodically sample the CPU TSC via a call to get_sample. We
 321  * disable interrupts, which does (intentionally) introduce latency since we
 322  * need to ensure nothing else might be running (and thus preempting).
 323  * Obviously this should never be used in production environments.
 324  *
 325  * Currently this runs on which ever CPU it was scheduled on, but most
 326  * real-world hardware latency situations occur across several CPUs,
 327  * but we might later generalize this if we find there are any actualy
 328  * systems with alternate SMI delivery or other hardware latencies.
 329  */
 330 static int kthread_fn(void *data)
 331 {
 332         u64 interval;
 333         bool initmask = true;
 334
 335         while (!kthread_should_stop()) {
 336
 337                 move_to_next_cpu(initmask);
 338                 initmask = false;
 339
 340                 local_irq_disable();
 341                 get_sample();
 342                 local_irq_enable();
 343
 344                 mutex_lock(&hwlat_data.lock);
 345                 interval = hwlat_data.sample_window - hwlat_data.sample_width;
 346                 mutex_unlock(&hwlat_data.lock);
 347
 348                 do_div(interval, USEC_PER_MSEC); /* modifies interval value */
 349
 350                 /* Always sleep for at least 1ms */
 351                 if (interval < 1)
 352                         interval = 1;
 353
 354                 if (msleep_interruptible(interval))
 355                         break;
 356         }
 357
 358         return 0;
 359 }
 360
 361 /**
 362  * start_kthread - Kick off the hardware latency sampling/detector kthread
 363  *
 364  * This starts the kernel thread that will sit and sample the CPU timestamp
 365  * counter (TSC or similar) and look for potential hardware latencies.
 366  */
 367 static int start_kthread(struct trace_array *tr)
 368 {
 369         struct task_struct *kthread;
 370
 371         kthread = kthread_create(kthread_fn, NULL, "hwlatd");
 372         if (IS_ERR(kthread)) {
 373                 pr_err(BANNER "could not start sampling thread\n");
 374                 return -ENOMEM;
 375         }
 376         hwlat_kthread = kthread;
 377         wake_up_process(kthread);
 378
 379         return 0;
 380 }
 381
 382 /**
 383  * stop_kthread - Inform the hardware latency samping/detector kthread to stop
 384  *
 385  * This kicks the running hardware latency sampling/detector kernel thread and
 386  * tells it to stop sampling now. Use this on unload and at system shutdown.
 387  */
 388 static void stop_kthread(void)
 389 {
 390         if (!hwlat_kthread)
 391                 return;
 392         kthread_stop(hwlat_kthread);
 393         hwlat_kthread = NULL;
 394 }
 395
 396 /*
 397  * hwlat_read - Wrapper read function for reading both window and width
 398  * @filp: The active open file structure
 399  * @ubuf: The userspace provided buffer to read value into
 400  * @cnt: The maximum number of bytes to read
 401  * @ppos: The current "file" position
 402  *
 403  * This function provides a generic read implementation for the global state
 404  * "hwlat_data" structure filesystem entries.
 405  */
 406 static ssize_t hwlat_read(struct file *filp, char __user *ubuf,
 407                           size_t cnt, loff_t *ppos)
 408 {
 409         char buf[U64STR_SIZE];
 410         u64 *entry = filp->private_data;
 411         u64 val;
 412         int len;
 413
 414         if (!entry)
 415                 return -EFAULT;
 416
 417         if (cnt > sizeof(buf))
 418                 cnt = sizeof(buf);
 419
 420         val = *entry;
 421
 422         len = snprintf(buf, sizeof(buf), "%llu\n", val);
 423
 424         return simple_read_from_buffer(ubuf, cnt, ppos, buf, len);
 425 }
 426
 427 /**
 428  * hwlat_width_write - Write function for "width" entry
 429  * @filp: The active open file structure
 430  * @ubuf: The user buffer that contains the value to write
 431  * @cnt: The maximum number of bytes to write to "file"
 432  * @ppos: The current position in @file
 433  *
 434  * This function provides a write implementation for the "width" interface
 435  * to the hardware latency detector. It can be used to configure
 436  * for how many us of the total window us we will actively sample for any
 437  * hardware-induced latency periods. Obviously, it is not possible to
 438  * sample constantly and have the system respond to a sample reader, or,
 439  * worse, without having the system appear to have gone out to lunch. It
 440  * is enforced that width is less that the total window size.
 441  */
 442 static ssize_t
 443 hwlat_width_write(struct file *filp, const char __user *ubuf,
 444                   size_t cnt, loff_t *ppos)
 445 {
 446         u64 val;
 447         int err;
 448
 449         err = kstrtoull_from_user(ubuf, cnt, 10, &val);
 450         if (err)
 451                 return err;
 452
 453         mutex_lock(&hwlat_data.lock);
 454         if (val < hwlat_data.sample_window)
 455                 hwlat_data.sample_width = val;
 456         else
 457                 err = -EINVAL;
 458         mutex_unlock(&hwlat_data.lock);
 459
 460         if (err)
 461                 return err;
 462
 463         return cnt;
 464 }
 465
 466 /**
 467  * hwlat_window_write - Write function for "window" entry
 468  * @filp: The active open file structure
 469  * @ubuf: The user buffer that contains the value to write
 470  * @cnt: The maximum number of bytes to write to "file"
 471  * @ppos: The current position in @file
 472  *
 473  * This function provides a write implementation for the "window" interface
 474  * to the hardware latency detetector. The window is the total time
 475  * in us that will be considered one sample period. Conceptually, windows
 476  * occur back-to-back and contain a sample width period during which
 477  * actual sampling occurs. Can be used to write a new total window size. It
 478  * is enfoced that any value written must be greater than the sample width
 479  * size, or an error results.
 480  */
 481 static ssize_t
 482 hwlat_window_write(struct file *filp, const char __user *ubuf,
 483                    size_t cnt, loff_t *ppos)
 484 {
 485         u64 val;
 486         int err;
 487
 488         err = kstrtoull_from_user(ubuf, cnt, 10, &val);
 489         if (err)
 490                 return err;
 491
 492         mutex_lock(&hwlat_data.lock);
 493         if (hwlat_data.sample_width < val)
 494                 hwlat_data.sample_window = val;
 495         else
 496                 err = -EINVAL;
 497         mutex_unlock(&hwlat_data.lock);
 498
 499         if (err)
 500                 return err;
 501
 502         return cnt;
 503 }
 504
 505 static const struct file_operations width_fops = {
 506         .open           = tracing_open_generic,
 507         .read           = hwlat_read,
 508         .write          = hwlat_width_write,
 509 };
 510
 511 static const struct file_operations window_fops = {
 512         .open           = tracing_open_generic,
 513         .read           = hwlat_read,
 514         .write          = hwlat_window_write,
 515 };
 516
 517 /**
 518  * init_tracefs - A function to initialize the tracefs interface files
 519  *
 520  * This function creates entries in tracefs for "hwlat_detector".
 521  * It creates the hwlat_detector directory in the tracing directory,
 522  * and within that directory is the count, width and window files to
 523  * change and view those values.
 524  */
 525 static int init_tracefs(void)
 526 {
 527         struct dentry *d_tracer;
 528         struct dentry *top_dir;
 529
 530         d_tracer = tracing_init_dentry();
 531         if (IS_ERR(d_tracer))
 532                 return -ENOMEM;
 533
 534         top_dir = tracefs_create_dir("hwlat_detector", d_tracer);
 535         if (!top_dir)
 536                 return -ENOMEM;
 537
 538         hwlat_sample_window = tracefs_create_file("window", 0640,
 539                                                   top_dir,
 540                                                   &hwlat_data.sample_window,
 541                                                   &window_fops);
 542         if (!hwlat_sample_window)
 543                 goto err;
 544
 545         hwlat_sample_width = tracefs_create_file("width", 0644,
 546                                                  top_dir,
 547                                                  &hwlat_data.sample_width,
 548                                                  &width_fops);
 549         if (!hwlat_sample_width)
 550                 goto err;
 551
 552         return 0;
 553
 554  err:
 555         tracefs_remove_recursive(top_dir);
 556         return -ENOMEM;
 557 }
 558
 559 static void hwlat_tracer_start(struct trace_array *tr)
 560 {
 561         int err;
 562
 563         err = start_kthread(tr);
 564         if (err)
 565                 pr_err(BANNER "Cannot start hwlat kthread\n");
 566 }
 567
 568 static void hwlat_tracer_stop(struct trace_array *tr)
 569 {
 570         stop_kthread();
 571 }
 572
 573 static bool hwlat_busy;
 574
 575 static int hwlat_tracer_init(struct trace_array *tr)
 576 {
 577         /* Only allow one instance to enable this */
 578         if (hwlat_busy)
 579                 return -EBUSY;
 580
 581         hwlat_trace = tr;
 582
 583         disable_migrate = false;
 584         hwlat_data.count = 0;
 585         tr->max_latency = 0;
 586         save_tracing_thresh = tracing_thresh;
 587
 588         /* tracing_thresh is in nsecs, we speak in usecs */
 589         if (!tracing_thresh)
 590                 tracing_thresh = last_tracing_thresh;
 591
 592         if (tracer_tracing_is_on(tr))
 593                 hwlat_tracer_start(tr);
 594
 595         hwlat_busy = true;
 596
 597         return 0;
 598 }
 599
 600 static void hwlat_tracer_reset(struct trace_array *tr)
 601 {
 602         stop_kthread();
 603
 604         /* the tracing threshold is static between runs */
 605         last_tracing_thresh = tracing_thresh;
 606
 607         tracing_thresh = save_tracing_thresh;
 608         hwlat_busy = false;
 609 }
 610
 611 static struct tracer hwlat_tracer __read_mostly =
 612 {
 613         .name           = "hwlat",
 614         .init           = hwlat_tracer_init,
 615         .reset          = hwlat_tracer_reset,
 616         .start          = hwlat_tracer_start,
 617         .stop           = hwlat_tracer_stop,
 618         .allow_instances = true,
 619 };
 620
 621 __init static int init_hwlat_tracer(void)
 622 {
 623         int ret;
 624
 625         mutex_init(&hwlat_data.lock);
 626
 627         ret = register_tracer(&hwlat_tracer);
 628         if (ret)
 629                 return ret;
 630
 631         init_tracefs();
 632
 633         return 0;
 634 }
 635 late_initcall(init_hwlat_tracer);