Merge tag 'mips_5.11' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/mips/linux
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / virt / kvm / timekeeping.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ======================================================
4 Timekeeping Virtualization for X86-Based Architectures
5 ======================================================
6
7 :Author: Zachary Amsden <zamsden@redhat.com>
8 :Copyright: (c) 2010, Red Hat.  All rights reserved.
9
10 .. Contents
11
12    1) Overview
13    2) Timing Devices
14    3) TSC Hardware
15    4) Virtualization Problems
16
17 1. Overview
18 ===========
19
20 One of the most complicated parts of the X86 platform, and specifically,
21 the virtualization of this platform is the plethora of timing devices available
22 and the complexity of emulating those devices.  In addition, virtualization of
23 time introduces a new set of challenges because it introduces a multiplexed
24 division of time beyond the control of the guest CPU.
25
26 First, we will describe the various timekeeping hardware available, then
27 present some of the problems which arise and solutions available, giving
28 specific recommendations for certain classes of KVM guests.
29
30 The purpose of this document is to collect data and information relevant to
31 timekeeping which may be difficult to find elsewhere, specifically,
32 information relevant to KVM and hardware-based virtualization.
33
34 2. Timing Devices
35 =================
36
37 First we discuss the basic hardware devices available.  TSC and the related
38 KVM clock are special enough to warrant a full exposition and are described in
39 the following section.
40
41 2.1. i8254 - PIT
42 ----------------
43
44 One of the first timer devices available is the programmable interrupt timer,
45 or PIT.  The PIT has a fixed frequency 1.193182 MHz base clock and three
46 channels which can be programmed to deliver periodic or one-shot interrupts.
47 These three channels can be configured in different modes and have individual
48 counters.  Channel 1 and 2 were not available for general use in the original
49 IBM PC, and historically were connected to control RAM refresh and the PC
50 speaker.  Now the PIT is typically integrated as part of an emulated chipset
51 and a separate physical PIT is not used.
52
53 The PIT uses I/O ports 0x40 - 0x43.  Access to the 16-bit counters is done
54 using single or multiple byte access to the I/O ports.  There are 6 modes
55 available, but not all modes are available to all timers, as only timer 2
56 has a connected gate input, required for modes 1 and 5.  The gate line is
57 controlled by port 61h, bit 0, as illustrated in the following diagram::
58
59   --------------             ----------------
60   |            |           |                |
61   |  1.1932 MHz|---------->| CLOCK      OUT | ---------> IRQ 0
62   |    Clock   |   |       |                |
63   --------------   |    +->| GATE  TIMER 0  |
64                    |        ----------------
65                    |
66                    |        ----------------
67                    |       |                |
68                    |------>| CLOCK      OUT | ---------> 66.3 KHZ DRAM
69                    |       |                |            (aka /dev/null)
70                    |    +->| GATE  TIMER 1  |
71                    |        ----------------
72                    |
73                    |        ----------------
74                    |       |                |
75                    |------>| CLOCK      OUT | ---------> Port 61h, bit 5
76                            |                |      |
77   Port 61h, bit 0 -------->| GATE  TIMER 2  |       \_.----   ____
78                             ----------------         _|    )--|LPF|---Speaker
79                                                     / *----   \___/
80   Port 61h, bit 1 ---------------------------------/
81
82 The timer modes are now described.
83
84 Mode 0: Single Timeout.
85  This is a one-shot software timeout that counts down
86  when the gate is high (always true for timers 0 and 1).  When the count
87  reaches zero, the output goes high.
88
89 Mode 1: Triggered One-shot.
90  The output is initially set high.  When the gate
91  line is set high, a countdown is initiated (which does not stop if the gate is
92  lowered), during which the output is set low.  When the count reaches zero,
93  the output goes high.
94
95 Mode 2: Rate Generator.
96  The output is initially set high.  When the countdown
97  reaches 1, the output goes low for one count and then returns high.  The value
98  is reloaded and the countdown automatically resumes.  If the gate line goes
99  low, the count is halted.  If the output is low when the gate is lowered, the
100  output automatically goes high (this only affects timer 2).
101
102 Mode 3: Square Wave.
103  This generates a high / low square wave.  The count
104  determines the length of the pulse, which alternates between high and low
105  when zero is reached.  The count only proceeds when gate is high and is
106  automatically reloaded on reaching zero.  The count is decremented twice at
107  each clock to generate a full high / low cycle at the full periodic rate.
108  If the count is even, the clock remains high for N/2 counts and low for N/2
109  counts; if the clock is odd, the clock is high for (N+1)/2 counts and low
110  for (N-1)/2 counts.  Only even values are latched by the counter, so odd
111  values are not observed when reading.  This is the intended mode for timer 2,
112  which generates sine-like tones by low-pass filtering the square wave output.
113
114 Mode 4: Software Strobe.
115  After programming this mode and loading the counter,
116  the output remains high until the counter reaches zero.  Then the output
117  goes low for 1 clock cycle and returns high.  The counter is not reloaded.
118  Counting only occurs when gate is high.
119
120 Mode 5: Hardware Strobe.
121  After programming and loading the counter, the
122  output remains high.  When the gate is raised, a countdown is initiated
123  (which does not stop if the gate is lowered).  When the counter reaches zero,
124  the output goes low for 1 clock cycle and then returns high.  The counter is
125  not reloaded.
126
127 In addition to normal binary counting, the PIT supports BCD counting.  The
128 command port, 0x43 is used to set the counter and mode for each of the three
129 timers.
130
131 PIT commands, issued to port 0x43, using the following bit encoding::
132
133   Bit 7-4: Command (See table below)
134   Bit 3-1: Mode (000 = Mode 0, 101 = Mode 5, 11X = undefined)
135   Bit 0  : Binary (0) / BCD (1)
136
137 Command table::
138
139   0000 - Latch Timer 0 count for port 0x40
140         sample and hold the count to be read in port 0x40;
141         additional commands ignored until counter is read;
142         mode bits ignored.
143
144   0001 - Set Timer 0 LSB mode for port 0x40
145         set timer to read LSB only and force MSB to zero;
146         mode bits set timer mode
147
148   0010 - Set Timer 0 MSB mode for port 0x40
149         set timer to read MSB only and force LSB to zero;
150         mode bits set timer mode
151
152   0011 - Set Timer 0 16-bit mode for port 0x40
153         set timer to read / write LSB first, then MSB;
154         mode bits set timer mode
155
156   0100 - Latch Timer 1 count for port 0x41 - as described above
157   0101 - Set Timer 1 LSB mode for port 0x41 - as described above
158   0110 - Set Timer 1 MSB mode for port 0x41 - as described above
159   0111 - Set Timer 1 16-bit mode for port 0x41 - as described above
160
161   1000 - Latch Timer 2 count for port 0x42 - as described above
162   1001 - Set Timer 2 LSB mode for port 0x42 - as described above
163   1010 - Set Timer 2 MSB mode for port 0x42 - as described above
164   1011 - Set Timer 2 16-bit mode for port 0x42 as described above
165
166   1101 - General counter latch
167         Latch combination of counters into corresponding ports
168         Bit 3 = Counter 2
169         Bit 2 = Counter 1
170         Bit 1 = Counter 0
171         Bit 0 = Unused
172
173   1110 - Latch timer status
174         Latch combination of counter mode into corresponding ports
175         Bit 3 = Counter 2
176         Bit 2 = Counter 1
177         Bit 1 = Counter 0
178
179         The output of ports 0x40-0x42 following this command will be:
180
181         Bit 7 = Output pin
182         Bit 6 = Count loaded (0 if timer has expired)
183         Bit 5-4 = Read / Write mode
184             01 = MSB only
185             10 = LSB only
186             11 = LSB / MSB (16-bit)
187         Bit 3-1 = Mode
188         Bit 0 = Binary (0) / BCD mode (1)
189
190 2.2. RTC
191 --------
192
193 The second device which was available in the original PC was the MC146818 real
194 time clock.  The original device is now obsolete, and usually emulated by the
195 system chipset, sometimes by an HPET and some frankenstein IRQ routing.
196
197 The RTC is accessed through CMOS variables, which uses an index register to
198 control which bytes are read.  Since there is only one index register, read
199 of the CMOS and read of the RTC require lock protection (in addition, it is
200 dangerous to allow userspace utilities such as hwclock to have direct RTC
201 access, as they could corrupt kernel reads and writes of CMOS memory).
202
203 The RTC generates an interrupt which is usually routed to IRQ 8.  The interrupt
204 can function as a periodic timer, an additional once a day alarm, and can issue
205 interrupts after an update of the CMOS registers by the MC146818 is complete.
206 The type of interrupt is signalled in the RTC status registers.
207
208 The RTC will update the current time fields by battery power even while the
209 system is off.  The current time fields should not be read while an update is
210 in progress, as indicated in the status register.
211
212 The clock uses a 32.768kHz crystal, so bits 6-4 of register A should be
213 programmed to a 32kHz divider if the RTC is to count seconds.
214
215 This is the RAM map originally used for the RTC/CMOS::
216
217   Location    Size    Description
218   ------------------------------------------
219   00h         byte    Current second (BCD)
220   01h         byte    Seconds alarm (BCD)
221   02h         byte    Current minute (BCD)
222   03h         byte    Minutes alarm (BCD)
223   04h         byte    Current hour (BCD)
224   05h         byte    Hours alarm (BCD)
225   06h         byte    Current day of week (BCD)
226   07h         byte    Current day of month (BCD)
227   08h         byte    Current month (BCD)
228   09h         byte    Current year (BCD)
229   0Ah         byte    Register A
230                        bit 7   = Update in progress
231                        bit 6-4 = Divider for clock
232                                   000 = 4.194 MHz
233                                   001 = 1.049 MHz
234                                   010 = 32 kHz
235                                   10X = test modes
236                                   110 = reset / disable
237                                   111 = reset / disable
238                        bit 3-0 = Rate selection for periodic interrupt
239                                   000 = periodic timer disabled
240                                   001 = 3.90625 uS
241                                   010 = 7.8125 uS
242                                   011 = .122070 mS
243                                   100 = .244141 mS
244                                      ...
245                                  1101 = 125 mS
246                                  1110 = 250 mS
247                                  1111 = 500 mS
248   0Bh         byte    Register B
249                        bit 7   = Run (0) / Halt (1)
250                        bit 6   = Periodic interrupt enable
251                        bit 5   = Alarm interrupt enable
252                        bit 4   = Update-ended interrupt enable
253                        bit 3   = Square wave interrupt enable
254                        bit 2   = BCD calendar (0) / Binary (1)
255                        bit 1   = 12-hour mode (0) / 24-hour mode (1)
256                        bit 0   = 0 (DST off) / 1 (DST enabled)
257   OCh         byte    Register C (read only)
258                        bit 7   = interrupt request flag (IRQF)
259                        bit 6   = periodic interrupt flag (PF)
260                        bit 5   = alarm interrupt flag (AF)
261                        bit 4   = update interrupt flag (UF)
262                        bit 3-0 = reserved
263   ODh         byte    Register D (read only)
264                        bit 7   = RTC has power
265                        bit 6-0 = reserved
266   32h         byte    Current century BCD (*)
267   (*) location vendor specific and now determined from ACPI global tables
268
269 2.3. APIC
270 ---------
271
272 On Pentium and later processors, an on-board timer is available to each CPU
273 as part of the Advanced Programmable Interrupt Controller.  The APIC is
274 accessed through memory-mapped registers and provides interrupt service to each
275 CPU, used for IPIs and local timer interrupts.
276
277 Although in theory the APIC is a safe and stable source for local interrupts,
278 in practice, many bugs and glitches have occurred due to the special nature of
279 the APIC CPU-local memory-mapped hardware.  Beware that CPU errata may affect
280 the use of the APIC and that workarounds may be required.  In addition, some of
281 these workarounds pose unique constraints for virtualization - requiring either
282 extra overhead incurred from extra reads of memory-mapped I/O or additional
283 functionality that may be more computationally expensive to implement.
284
285 Since the APIC is documented quite well in the Intel and AMD manuals, we will
286 avoid repetition of the detail here.  It should be pointed out that the APIC
287 timer is programmed through the LVT (local vector timer) register, is capable
288 of one-shot or periodic operation, and is based on the bus clock divided down
289 by the programmable divider register.
290
291 2.4. HPET
292 ---------
293
294 HPET is quite complex, and was originally intended to replace the PIT / RTC
295 support of the X86 PC.  It remains to be seen whether that will be the case, as
296 the de facto standard of PC hardware is to emulate these older devices.  Some
297 systems designated as legacy free may support only the HPET as a hardware timer
298 device.
299
300 The HPET spec is rather loose and vague, requiring at least 3 hardware timers,
301 but allowing implementation freedom to support many more.  It also imposes no
302 fixed rate on the timer frequency, but does impose some extremal values on
303 frequency, error and slew.
304
305 In general, the HPET is recommended as a high precision (compared to PIT /RTC)
306 time source which is independent of local variation (as there is only one HPET
307 in any given system).  The HPET is also memory-mapped, and its presence is
308 indicated through ACPI tables by the BIOS.
309
310 Detailed specification of the HPET is beyond the current scope of this
311 document, as it is also very well documented elsewhere.
312
313 2.5. Offboard Timers
314 --------------------
315
316 Several cards, both proprietary (watchdog boards) and commonplace (e1000) have
317 timing chips built into the cards which may have registers which are accessible
318 to kernel or user drivers.  To the author's knowledge, using these to generate
319 a clocksource for a Linux or other kernel has not yet been attempted and is in
320 general frowned upon as not playing by the agreed rules of the game.  Such a
321 timer device would require additional support to be virtualized properly and is
322 not considered important at this time as no known operating system does this.
323
324 3. TSC Hardware
325 ===============
326
327 The TSC or time stamp counter is relatively simple in theory; it counts
328 instruction cycles issued by the processor, which can be used as a measure of
329 time.  In practice, due to a number of problems, it is the most complicated
330 timekeeping device to use.
331
332 The TSC is represented internally as a 64-bit MSR which can be read with the
333 RDMSR, RDTSC, or RDTSCP (when available) instructions.  In the past, hardware
334 limitations made it possible to write the TSC, but generally on old hardware it
335 was only possible to write the low 32-bits of the 64-bit counter, and the upper
336 32-bits of the counter were cleared.  Now, however, on Intel processors family
337 0Fh, for models 3, 4 and 6, and family 06h, models e and f, this restriction
338 has been lifted and all 64-bits are writable.  On AMD systems, the ability to
339 write the TSC MSR is not an architectural guarantee.
340
341 The TSC is accessible from CPL-0 and conditionally, for CPL > 0 software by
342 means of the CR4.TSD bit, which when enabled, disables CPL > 0 TSC access.
343
344 Some vendors have implemented an additional instruction, RDTSCP, which returns
345 atomically not just the TSC, but an indicator which corresponds to the
346 processor number.  This can be used to index into an array of TSC variables to
347 determine offset information in SMP systems where TSCs are not synchronized.
348 The presence of this instruction must be determined by consulting CPUID feature
349 bits.
350
351 Both VMX and SVM provide extension fields in the virtualization hardware which
352 allows the guest visible TSC to be offset by a constant.  Newer implementations
353 promise to allow the TSC to additionally be scaled, but this hardware is not
354 yet widely available.
355
356 3.1. TSC synchronization
357 ------------------------
358
359 The TSC is a CPU-local clock in most implementations.  This means, on SMP
360 platforms, the TSCs of different CPUs may start at different times depending
361 on when the CPUs are powered on.  Generally, CPUs on the same die will share
362 the same clock, however, this is not always the case.
363
364 The BIOS may attempt to resynchronize the TSCs during the poweron process and
365 the operating system or other system software may attempt to do this as well.
366 Several hardware limitations make the problem worse - if it is not possible to
367 write the full 64-bits of the TSC, it may be impossible to match the TSC in
368 newly arriving CPUs to that of the rest of the system, resulting in
369 unsynchronized TSCs.  This may be done by BIOS or system software, but in
370 practice, getting a perfectly synchronized TSC will not be possible unless all
371 values are read from the same clock, which generally only is possible on single
372 socket systems or those with special hardware support.
373
374 3.2. TSC and CPU hotplug
375 ------------------------
376
377 As touched on already, CPUs which arrive later than the boot time of the system
378 may not have a TSC value that is synchronized with the rest of the system.
379 Either system software, BIOS, or SMM code may actually try to establish the TSC
380 to a value matching the rest of the system, but a perfect match is usually not
381 a guarantee.  This can have the effect of bringing a system from a state where
382 TSC is synchronized back to a state where TSC synchronization flaws, however
383 small, may be exposed to the OS and any virtualization environment.
384
385 3.3. TSC and multi-socket / NUMA
386 --------------------------------
387
388 Multi-socket systems, especially large multi-socket systems are likely to have
389 individual clocksources rather than a single, universally distributed clock.
390 Since these clocks are driven by different crystals, they will not have
391 perfectly matched frequency, and temperature and electrical variations will
392 cause the CPU clocks, and thus the TSCs to drift over time.  Depending on the
393 exact clock and bus design, the drift may or may not be fixed in absolute
394 error, and may accumulate over time.
395
396 In addition, very large systems may deliberately slew the clocks of individual
397 cores.  This technique, known as spread-spectrum clocking, reduces EMI at the
398 clock frequency and harmonics of it, which may be required to pass FCC
399 standards for telecommunications and computer equipment.
400
401 It is recommended not to trust the TSCs to remain synchronized on NUMA or
402 multiple socket systems for these reasons.
403
404 3.4. TSC and C-states
405 ---------------------
406
407 C-states, or idling states of the processor, especially C1E and deeper sleep
408 states may be problematic for TSC as well.  The TSC may stop advancing in such
409 a state, resulting in a TSC which is behind that of other CPUs when execution
410 is resumed.  Such CPUs must be detected and flagged by the operating system
411 based on CPU and chipset identifications.
412
413 The TSC in such a case may be corrected by catching it up to a known external
414 clocksource.
415
416 3.5. TSC frequency change / P-states
417 ------------------------------------
418
419 To make things slightly more interesting, some CPUs may change frequency.  They
420 may or may not run the TSC at the same rate, and because the frequency change
421 may be staggered or slewed, at some points in time, the TSC rate may not be
422 known other than falling within a range of values.  In this case, the TSC will
423 not be a stable time source, and must be calibrated against a known, stable,
424 external clock to be a usable source of time.
425
426 Whether the TSC runs at a constant rate or scales with the P-state is model
427 dependent and must be determined by inspecting CPUID, chipset or vendor
428 specific MSR fields.
429
430 In addition, some vendors have known bugs where the P-state is actually
431 compensated for properly during normal operation, but when the processor is
432 inactive, the P-state may be raised temporarily to service cache misses from
433 other processors.  In such cases, the TSC on halted CPUs could advance faster
434 than that of non-halted processors.  AMD Turion processors are known to have
435 this problem.
436
437 3.6. TSC and STPCLK / T-states
438 ------------------------------
439
440 External signals given to the processor may also have the effect of stopping
441 the TSC.  This is typically done for thermal emergency power control to prevent
442 an overheating condition, and typically, there is no way to detect that this
443 condition has happened.
444
445 3.7. TSC virtualization - VMX
446 -----------------------------
447
448 VMX provides conditional trapping of RDTSC, RDMSR, WRMSR and RDTSCP
449 instructions, which is enough for full virtualization of TSC in any manner.  In
450 addition, VMX allows passing through the host TSC plus an additional TSC_OFFSET
451 field specified in the VMCS.  Special instructions must be used to read and
452 write the VMCS field.
453
454 3.8. TSC virtualization - SVM
455 -----------------------------
456
457 SVM provides conditional trapping of RDTSC, RDMSR, WRMSR and RDTSCP
458 instructions, which is enough for full virtualization of TSC in any manner.  In
459 addition, SVM allows passing through the host TSC plus an additional offset
460 field specified in the SVM control block.
461
462 3.9. TSC feature bits in Linux
463 ------------------------------
464
465 In summary, there is no way to guarantee the TSC remains in perfect
466 synchronization unless it is explicitly guaranteed by the architecture.  Even
467 if so, the TSCs in multi-sockets or NUMA systems may still run independently
468 despite being locally consistent.
469
470 The following feature bits are used by Linux to signal various TSC attributes,
471 but they can only be taken to be meaningful for UP or single node systems.
472
473 =========================       =======================================
474 X86_FEATURE_TSC                 The TSC is available in hardware
475 X86_FEATURE_RDTSCP              The RDTSCP instruction is available
476 X86_FEATURE_CONSTANT_TSC        The TSC rate is unchanged with P-states
477 X86_FEATURE_NONSTOP_TSC         The TSC does not stop in C-states
478 X86_FEATURE_TSC_RELIABLE        TSC sync checks are skipped (VMware)
479 =========================       =======================================
480
481 4. Virtualization Problems
482 ==========================
483
484 Timekeeping is especially problematic for virtualization because a number of
485 challenges arise.  The most obvious problem is that time is now shared between
486 the host and, potentially, a number of virtual machines.  Thus the virtual
487 operating system does not run with 100% usage of the CPU, despite the fact that
488 it may very well make that assumption.  It may expect it to remain true to very
489 exacting bounds when interrupt sources are disabled, but in reality only its
490 virtual interrupt sources are disabled, and the machine may still be preempted
491 at any time.  This causes problems as the passage of real time, the injection
492 of machine interrupts and the associated clock sources are no longer completely
493 synchronized with real time.
494
495 This same problem can occur on native hardware to a degree, as SMM mode may
496 steal cycles from the naturally on X86 systems when SMM mode is used by the
497 BIOS, but not in such an extreme fashion.  However, the fact that SMM mode may
498 cause similar problems to virtualization makes it a good justification for
499 solving many of these problems on bare metal.
500
501 4.1. Interrupt clocking
502 -----------------------
503
504 One of the most immediate problems that occurs with legacy operating systems
505 is that the system timekeeping routines are often designed to keep track of
506 time by counting periodic interrupts.  These interrupts may come from the PIT
507 or the RTC, but the problem is the same: the host virtualization engine may not
508 be able to deliver the proper number of interrupts per second, and so guest
509 time may fall behind.  This is especially problematic if a high interrupt rate
510 is selected, such as 1000 HZ, which is unfortunately the default for many Linux
511 guests.
512
513 There are three approaches to solving this problem; first, it may be possible
514 to simply ignore it.  Guests which have a separate time source for tracking
515 'wall clock' or 'real time' may not need any adjustment of their interrupts to
516 maintain proper time.  If this is not sufficient, it may be necessary to inject
517 additional interrupts into the guest in order to increase the effective
518 interrupt rate.  This approach leads to complications in extreme conditions,
519 where host load or guest lag is too much to compensate for, and thus another
520 solution to the problem has risen: the guest may need to become aware of lost
521 ticks and compensate for them internally.  Although promising in theory, the
522 implementation of this policy in Linux has been extremely error prone, and a
523 number of buggy variants of lost tick compensation are distributed across
524 commonly used Linux systems.
525
526 Windows uses periodic RTC clocking as a means of keeping time internally, and
527 thus requires interrupt slewing to keep proper time.  It does use a low enough
528 rate (ed: is it 18.2 Hz?) however that it has not yet been a problem in
529 practice.
530
531 4.2. TSC sampling and serialization
532 -----------------------------------
533
534 As the highest precision time source available, the cycle counter of the CPU
535 has aroused much interest from developers.  As explained above, this timer has
536 many problems unique to its nature as a local, potentially unstable and
537 potentially unsynchronized source.  One issue which is not unique to the TSC,
538 but is highlighted because of its very precise nature is sampling delay.  By
539 definition, the counter, once read is already old.  However, it is also
540 possible for the counter to be read ahead of the actual use of the result.
541 This is a consequence of the superscalar execution of the instruction stream,
542 which may execute instructions out of order.  Such execution is called
543 non-serialized.  Forcing serialized execution is necessary for precise
544 measurement with the TSC, and requires a serializing instruction, such as CPUID
545 or an MSR read.
546
547 Since CPUID may actually be virtualized by a trap and emulate mechanism, this
548 serialization can pose a performance issue for hardware virtualization.  An
549 accurate time stamp counter reading may therefore not always be available, and
550 it may be necessary for an implementation to guard against "backwards" reads of
551 the TSC as seen from other CPUs, even in an otherwise perfectly synchronized
552 system.
553
554 4.3. Timespec aliasing
555 ----------------------
556
557 Additionally, this lack of serialization from the TSC poses another challenge
558 when using results of the TSC when measured against another time source.  As
559 the TSC is much higher precision, many possible values of the TSC may be read
560 while another clock is still expressing the same value.
561
562 That is, you may read (T,T+10) while external clock C maintains the same value.
563 Due to non-serialized reads, you may actually end up with a range which
564 fluctuates - from (T-1.. T+10).  Thus, any time calculated from a TSC, but
565 calibrated against an external value may have a range of valid values.
566 Re-calibrating this computation may actually cause time, as computed after the
567 calibration, to go backwards, compared with time computed before the
568 calibration.
569
570 This problem is particularly pronounced with an internal time source in Linux,
571 the kernel time, which is expressed in the theoretically high resolution
572 timespec - but which advances in much larger granularity intervals, sometimes
573 at the rate of jiffies, and possibly in catchup modes, at a much larger step.
574
575 This aliasing requires care in the computation and recalibration of kvmclock
576 and any other values derived from TSC computation (such as TSC virtualization
577 itself).
578
579 4.4. Migration
580 --------------
581
582 Migration of a virtual machine raises problems for timekeeping in two ways.
583 First, the migration itself may take time, during which interrupts cannot be
584 delivered, and after which, the guest time may need to be caught up.  NTP may
585 be able to help to some degree here, as the clock correction required is
586 typically small enough to fall in the NTP-correctable window.
587
588 An additional concern is that timers based off the TSC (or HPET, if the raw bus
589 clock is exposed) may now be running at different rates, requiring compensation
590 in some way in the hypervisor by virtualizing these timers.  In addition,
591 migrating to a faster machine may preclude the use of a passthrough TSC, as a
592 faster clock cannot be made visible to a guest without the potential of time
593 advancing faster than usual.  A slower clock is less of a problem, as it can
594 always be caught up to the original rate.  KVM clock avoids these problems by
595 simply storing multipliers and offsets against the TSC for the guest to convert
596 back into nanosecond resolution values.
597
598 4.5. Scheduling
599 ---------------
600
601 Since scheduling may be based on precise timing and firing of interrupts, the
602 scheduling algorithms of an operating system may be adversely affected by
603 virtualization.  In theory, the effect is random and should be universally
604 distributed, but in contrived as well as real scenarios (guest device access,
605 causes of virtualization exits, possible context switch), this may not always
606 be the case.  The effect of this has not been well studied.
607
608 In an attempt to work around this, several implementations have provided a
609 paravirtualized scheduler clock, which reveals the true amount of CPU time for
610 which a virtual machine has been running.
611
612 4.6. Watchdogs
613 --------------
614
615 Watchdog timers, such as the lock detector in Linux may fire accidentally when
616 running under hardware virtualization due to timer interrupts being delayed or
617 misinterpretation of the passage of real time.  Usually, these warnings are
618 spurious and can be ignored, but in some circumstances it may be necessary to
619 disable such detection.
620
621 4.7. Delays and precision timing
622 --------------------------------
623
624 Precise timing and delays may not be possible in a virtualized system.  This
625 can happen if the system is controlling physical hardware, or issues delays to
626 compensate for slower I/O to and from devices.  The first issue is not solvable
627 in general for a virtualized system; hardware control software can't be
628 adequately virtualized without a full real-time operating system, which would
629 require an RT aware virtualization platform.
630
631 The second issue may cause performance problems, but this is unlikely to be a
632 significant issue.  In many cases these delays may be eliminated through
633 configuration or paravirtualization.
634
635 4.8. Covert channels and leaks
636 ------------------------------
637
638 In addition to the above problems, time information will inevitably leak to the
639 guest about the host in anything but a perfect implementation of virtualized
640 time.  This may allow the guest to infer the presence of a hypervisor (as in a
641 red-pill type detection), and it may allow information to leak between guests
642 by using CPU utilization itself as a signalling channel.  Preventing such
643 problems would require completely isolated virtual time which may not track
644 real time any longer.  This may be useful in certain security or QA contexts,
645 but in general isn't recommended for real-world deployment scenarios.