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