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 <linux/sched/clock.h>
  48 #include "trace.h"
  49
  50 static struct trace_array       *hwlat_trace;
  51
  52 #define U64STR_SIZE             22                      /* 20 digits max */
  53
  54 #define BANNER                  "hwlat_detector: "
  55 #define DEFAULT_SAMPLE_WINDOW   1000000                 /* 1s */
  56 #define DEFAULT_SAMPLE_WIDTH    500000                  /* 0.5s */
  57 #define DEFAULT_LAT_THRESHOLD   10                      /* 10us */
  58
  59 /* sampling thread*/
  60 static struct task_struct *hwlat_kthread;
  61
  62 static struct dentry *hwlat_sample_width;       /* sample width us */
  63 static struct dentry *hwlat_sample_window;      /* sample window us */
  64
  65 /* Save the previous tracing_thresh value */
  66 static unsigned long save_tracing_thresh;
  67
  68 /* NMI timestamp counters */
  69 static u64 nmi_ts_start;
  70 static u64 nmi_total_ts;
  71 static int nmi_count;
  72 static int nmi_cpu;
  73
  74 /* Tells NMIs to call back to the hwlat tracer to record timestamps */
  75 bool trace_hwlat_callback_enabled;
  76
  77 /* If the user changed threshold, remember it */
  78 static u64 last_tracing_thresh = DEFAULT_LAT_THRESHOLD * NSEC_PER_USEC;
  79
  80 /* Individual latency samples are stored here when detected. */
  81 struct hwlat_sample {
  82         u64                     seqnum;         /* unique sequence */
  83         u64                     duration;       /* delta */
  84         u64                     outer_duration; /* delta (outer loop) */
  85         u64                     nmi_total_ts;   /* Total time spent in NMIs */
  86         struct timespec64       timestamp;      /* wall time */
  87         int                     nmi_count;      /* # NMIs during this sample */
  88 };
  89
  90 /* keep the global state somewhere. */
  91 static struct hwlat_data {
  92
  93         struct mutex lock;              /* protect changes */
  94
  95         u64     count;                  /* total since reset */
  96
  97         u64     sample_window;          /* total sampling window (on+off) */
  98         u64     sample_width;           /* active sampling portion of window */
  99
 100 } hwlat_data = {
 101         .sample_window          = DEFAULT_SAMPLE_WINDOW,
 102         .sample_width           = DEFAULT_SAMPLE_WIDTH,
 103 };
 104
 105 static void trace_hwlat_sample(struct hwlat_sample *sample)
 106 {
 107         struct trace_array *tr = hwlat_trace;
 108         struct trace_event_call *call = &event_hwlat;
 109         struct ring_buffer *buffer = tr->trace_buffer.buffer;
 110         struct ring_buffer_event *event;
 111         struct hwlat_entry *entry;
 112         unsigned long flags;
 113         int pc;
 114
 115         pc = preempt_count();
 116         local_save_flags(flags);
 117
 118         event = trace_buffer_lock_reserve(buffer, TRACE_HWLAT, sizeof(*entry),
 119                                           flags, pc);
 120         if (!event)
 121                 return;
 122         entry   = ring_buffer_event_data(event);
 123         entry->seqnum                   = sample->seqnum;
 124         entry->duration                 = sample->duration;
 125         entry->outer_duration           = sample->outer_duration;
 126         entry->timestamp                = sample->timestamp;
 127         entry->nmi_total_ts             = sample->nmi_total_ts;
 128         entry->nmi_count                = sample->nmi_count;
 129
 130         if (!call_filter_check_discard(call, entry, buffer, event))
 131                 trace_buffer_unlock_commit_nostack(buffer, event);
 132 }
 133
 134 /* Macros to encapsulate the time capturing infrastructure */
 135 #define time_type       u64
 136 #define time_get()      trace_clock_local()
 137 #define time_to_us(x)   div_u64(x, 1000)
 138 #define time_sub(a, b)  ((a) - (b))
 139 #define init_time(a, b) (a = b)
 140 #define time_u64(a)     a
 141
 142 void trace_hwlat_callback(bool enter)
 143 {
 144         if (smp_processor_id() != nmi_cpu)
 145                 return;
 146
 147         /*
 148          * Currently trace_clock_local() calls sched_clock() and the
 149          * generic version is not NMI safe.
 150          */
 151         if (!IS_ENABLED(CONFIG_GENERIC_SCHED_CLOCK)) {
 152                 if (enter)
 153                         nmi_ts_start = time_get();
 154                 else
 155                         nmi_total_ts = time_get() - nmi_ts_start;
 156         }
 157
 158         if (enter)
 159                 nmi_count++;
 160 }
 161
 162 /**
 163  * get_sample - sample the CPU TSC and look for likely hardware latencies
 164  *
 165  * Used to repeatedly capture the CPU TSC (or similar), looking for potential
 166  * hardware-induced latency. Called with interrupts disabled and with
 167  * hwlat_data.lock held.
 168  */
 169 static int get_sample(void)
 170 {
 171         struct trace_array *tr = hwlat_trace;
 172         time_type start, t1, t2, last_t2;
 173         s64 diff, total, last_total = 0;
 174         u64 sample = 0;
 175         u64 thresh = tracing_thresh;
 176         u64 outer_sample = 0;
 177         int ret = -1;
 178
 179         do_div(thresh, NSEC_PER_USEC); /* modifies interval value */
 180
 181         nmi_cpu = smp_processor_id();
 182         nmi_total_ts = 0;
 183         nmi_count = 0;
 184         /* Make sure NMIs see this first */
 185         barrier();
 186
 187         trace_hwlat_callback_enabled = true;
 188
 189         init_time(last_t2, 0);
 190         start = time_get(); /* start timestamp */
 191
 192         do {
 193
 194                 t1 = time_get();        /* we'll look for a discontinuity */
 195                 t2 = time_get();
 196
 197                 if (time_u64(last_t2)) {
 198                         /* Check the delta from outer loop (t2 to next t1) */
 199                         diff = time_to_us(time_sub(t1, last_t2));
 200                         /* This shouldn't happen */
 201                         if (diff < 0) {
 202                                 pr_err(BANNER "time running backwards\n");
 203                                 goto out;
 204                         }
 205                         if (diff > outer_sample)
 206                                 outer_sample = diff;
 207                 }
 208                 last_t2 = t2;
 209
 210                 total = time_to_us(time_sub(t2, start)); /* sample width */
 211
 212                 /* Check for possible overflows */
 213                 if (total < last_total) {
 214                         pr_err("Time total overflowed\n");
 215                         break;
 216                 }
 217                 last_total = total;
 218
 219                 /* This checks the inner loop (t1 to t2) */
 220                 diff = time_to_us(time_sub(t2, t1));     /* current diff */
 221
 222                 /* This shouldn't happen */
 223                 if (diff < 0) {
 224                         pr_err(BANNER "time running backwards\n");
 225                         goto out;
 226                 }
 227
 228                 if (diff > sample)
 229                         sample = diff; /* only want highest value */
 230
 231         } while (total <= hwlat_data.sample_width);
 232
 233         barrier(); /* finish the above in the view for NMIs */
 234         trace_hwlat_callback_enabled = false;
 235         barrier(); /* Make sure nmi_total_ts is no longer updated */
 236
 237         ret = 0;
 238
 239         /* If we exceed the threshold value, we have found a hardware latency */
 240         if (sample > thresh || outer_sample > thresh) {
 241                 struct hwlat_sample s;
 242
 243                 ret = 1;
 244
 245                 /* We read in microseconds */
 246                 if (nmi_total_ts)
 247                         do_div(nmi_total_ts, NSEC_PER_USEC);
 248
 249                 hwlat_data.count++;
 250                 s.seqnum = hwlat_data.count;
 251                 s.duration = sample;
 252                 s.outer_duration = outer_sample;
 253                 ktime_get_real_ts64(&s.timestamp);
 254                 s.nmi_total_ts = nmi_total_ts;
 255                 s.nmi_count = nmi_count;
 256                 trace_hwlat_sample(&s);
 257
 258                 /* Keep a running maximum ever recorded hardware latency */
 259                 if (sample > tr->max_latency)
 260                         tr->max_latency = sample;
 261         }
 262
 263 out:
 264         return ret;
 265 }
 266
 267 static struct cpumask save_cpumask;
 268 static bool disable_migrate;
 269
 270 static void move_to_next_cpu(void)
 271 {
 272         struct cpumask *current_mask = &save_cpumask;
 273         int next_cpu;
 274
 275         if (disable_migrate)
 276                 return;
 277         /*
 278          * If for some reason the user modifies the CPU affinity
 279          * of this thread, than stop migrating for the duration
 280          * of the current test.
 281          */
 282         if (!cpumask_equal(current_mask, &current->cpus_allowed))
 283                 goto disable;
 284
 285         get_online_cpus();
 286         cpumask_and(current_mask, cpu_online_mask, tracing_buffer_mask);
 287         next_cpu = cpumask_next(smp_processor_id(), current_mask);
 288         put_online_cpus();
 289
 290         if (next_cpu >= nr_cpu_ids)
 291                 next_cpu = cpumask_first(current_mask);
 292
 293         if (next_cpu >= nr_cpu_ids) /* Shouldn't happen! */
 294                 goto disable;
 295
 296         cpumask_clear(current_mask);
 297         cpumask_set_cpu(next_cpu, current_mask);
 298
 299         sched_setaffinity(0, current_mask);
 300         return;
 301
 302  disable:
 303         disable_migrate = true;
 304 }
 305
 306 /*
 307  * kthread_fn - The CPU time sampling/hardware latency detection kernel thread
 308  *
 309  * Used to periodically sample the CPU TSC via a call to get_sample. We
 310  * disable interrupts, which does (intentionally) introduce latency since we
 311  * need to ensure nothing else might be running (and thus preempting).
 312  * Obviously this should never be used in production environments.
 313  *
 314  * Executes one loop interaction on each CPU in tracing_cpumask sysfs file.
 315  */
 316 static int kthread_fn(void *data)
 317 {
 318         u64 interval;
 319
 320         while (!kthread_should_stop()) {
 321
 322                 move_to_next_cpu();
 323
 324                 local_irq_disable();
 325                 get_sample();
 326                 local_irq_enable();
 327
 328                 mutex_lock(&hwlat_data.lock);
 329                 interval = hwlat_data.sample_window - hwlat_data.sample_width;
 330                 mutex_unlock(&hwlat_data.lock);
 331
 332                 do_div(interval, USEC_PER_MSEC); /* modifies interval value */
 333
 334                 /* Always sleep for at least 1ms */
 335                 if (interval < 1)
 336                         interval = 1;
 337
 338                 if (msleep_interruptible(interval))
 339                         break;
 340         }
 341
 342         return 0;
 343 }
 344
 345 /**
 346  * start_kthread - Kick off the hardware latency sampling/detector kthread
 347  *
 348  * This starts the kernel thread that will sit and sample the CPU timestamp
 349  * counter (TSC or similar) and look for potential hardware latencies.
 350  */
 351 static int start_kthread(struct trace_array *tr)
 352 {
 353         struct cpumask *current_mask = &save_cpumask;
 354         struct task_struct *kthread;
 355         int next_cpu;
 356
 357         /* Just pick the first CPU on first iteration */
 358         current_mask = &save_cpumask;
 359         get_online_cpus();
 360         cpumask_and(current_mask, cpu_online_mask, tracing_buffer_mask);
 361         put_online_cpus();
 362         next_cpu = cpumask_first(current_mask);
 363
 364         kthread = kthread_create(kthread_fn, NULL, "hwlatd");
 365         if (IS_ERR(kthread)) {
 366                 pr_err(BANNER "could not start sampling thread\n");
 367                 return -ENOMEM;
 368         }
 369
 370         cpumask_clear(current_mask);
 371         cpumask_set_cpu(next_cpu, current_mask);
 372         sched_setaffinity(kthread->pid, current_mask);
 373
 374         hwlat_kthread = kthread;
 375         wake_up_process(kthread);
 376
 377         return 0;
 378 }
 379
 380 /**
 381  * stop_kthread - Inform the hardware latency samping/detector kthread to stop
 382  *
 383  * This kicks the running hardware latency sampling/detector kernel thread and
 384  * tells it to stop sampling now. Use this on unload and at system shutdown.
 385  */
 386 static void stop_kthread(void)
 387 {
 388         if (!hwlat_kthread)
 389                 return;
 390         kthread_stop(hwlat_kthread);
 391         hwlat_kthread = NULL;
 392 }
 393
 394 /*
 395  * hwlat_read - Wrapper read function for reading both window and width
 396  * @filp: The active open file structure
 397  * @ubuf: The userspace provided buffer to read value into
 398  * @cnt: The maximum number of bytes to read
 399  * @ppos: The current "file" position
 400  *
 401  * This function provides a generic read implementation for the global state
 402  * "hwlat_data" structure filesystem entries.
 403  */
 404 static ssize_t hwlat_read(struct file *filp, char __user *ubuf,
 405                           size_t cnt, loff_t *ppos)
 406 {
 407         char buf[U64STR_SIZE];
 408         u64 *entry = filp->private_data;
 409         u64 val;
 410         int len;
 411
 412         if (!entry)
 413                 return -EFAULT;
 414
 415         if (cnt > sizeof(buf))
 416                 cnt = sizeof(buf);
 417
 418         val = *entry;
 419
 420         len = snprintf(buf, sizeof(buf), "%llu\n", val);
 421
 422         return simple_read_from_buffer(ubuf, cnt, ppos, buf, len);
 423 }
 424
 425 /**
 426  * hwlat_width_write - Write function for "width" entry
 427  * @filp: The active open file structure
 428  * @ubuf: The user buffer that contains the value to write
 429  * @cnt: The maximum number of bytes to write to "file"
 430  * @ppos: The current position in @file
 431  *
 432  * This function provides a write implementation for the "width" interface
 433  * to the hardware latency detector. It can be used to configure
 434  * for how many us of the total window us we will actively sample for any
 435  * hardware-induced latency periods. Obviously, it is not possible to
 436  * sample constantly and have the system respond to a sample reader, or,
 437  * worse, without having the system appear to have gone out to lunch. It
 438  * is enforced that width is less that the total window size.
 439  */
 440 static ssize_t
 441 hwlat_width_write(struct file *filp, const char __user *ubuf,
 442                   size_t cnt, loff_t *ppos)
 443 {
 444         u64 val;
 445         int err;
 446
 447         err = kstrtoull_from_user(ubuf, cnt, 10, &val);
 448         if (err)
 449                 return err;
 450
 451         mutex_lock(&hwlat_data.lock);
 452         if (val < hwlat_data.sample_window)
 453                 hwlat_data.sample_width = val;
 454         else
 455                 err = -EINVAL;
 456         mutex_unlock(&hwlat_data.lock);
 457
 458         if (err)
 459                 return err;
 460
 461         return cnt;
 462 }
 463
 464 /**
 465  * hwlat_window_write - Write function for "window" entry
 466  * @filp: The active open file structure
 467  * @ubuf: The user buffer that contains the value to write
 468  * @cnt: The maximum number of bytes to write to "file"
 469  * @ppos: The current position in @file
 470  *
 471  * This function provides a write implementation for the "window" interface
 472  * to the hardware latency detetector. The window is the total time
 473  * in us that will be considered one sample period. Conceptually, windows
 474  * occur back-to-back and contain a sample width period during which
 475  * actual sampling occurs. Can be used to write a new total window size. It
 476  * is enfoced that any value written must be greater than the sample width
 477  * size, or an error results.
 478  */
 479 static ssize_t
 480 hwlat_window_write(struct file *filp, const char __user *ubuf,
 481                    size_t cnt, loff_t *ppos)
 482 {
 483         u64 val;
 484         int err;
 485
 486         err = kstrtoull_from_user(ubuf, cnt, 10, &val);
 487         if (err)
 488                 return err;
 489
 490         mutex_lock(&hwlat_data.lock);
 491         if (hwlat_data.sample_width < val)
 492                 hwlat_data.sample_window = val;
 493         else
 494                 err = -EINVAL;
 495         mutex_unlock(&hwlat_data.lock);
 496
 497         if (err)
 498                 return err;
 499
 500         return cnt;
 501 }
 502
 503 static const struct file_operations width_fops = {
 504         .open           = tracing_open_generic,
 505         .read           = hwlat_read,
 506         .write          = hwlat_width_write,
 507 };
 508
 509 static const struct file_operations window_fops = {
 510         .open           = tracing_open_generic,
 511         .read           = hwlat_read,
 512         .write          = hwlat_window_write,
 513 };
 514
 515 /**
 516  * init_tracefs - A function to initialize the tracefs interface files
 517  *
 518  * This function creates entries in tracefs for "hwlat_detector".
 519  * It creates the hwlat_detector directory in the tracing directory,
 520  * and within that directory is the count, width and window files to
 521  * change and view those values.
 522  */
 523 static int init_tracefs(void)
 524 {
 525         struct dentry *d_tracer;
 526         struct dentry *top_dir;
 527
 528         d_tracer = tracing_init_dentry();
 529         if (IS_ERR(d_tracer))
 530                 return -ENOMEM;
 531
 532         top_dir = tracefs_create_dir("hwlat_detector", d_tracer);
 533         if (!top_dir)
 534                 return -ENOMEM;
 535
 536         hwlat_sample_window = tracefs_create_file("window", 0640,
 537                                                   top_dir,
 538                                                   &hwlat_data.sample_window,
 539                                                   &window_fops);
 540         if (!hwlat_sample_window)
 541                 goto err;
 542
 543         hwlat_sample_width = tracefs_create_file("width", 0644,
 544                                                  top_dir,
 545                                                  &hwlat_data.sample_width,
 546                                                  &width_fops);
 547         if (!hwlat_sample_width)
 548                 goto err;
 549
 550         return 0;
 551
 552  err:
 553         tracefs_remove_recursive(top_dir);
 554         return -ENOMEM;
 555 }
 556
 557 static void hwlat_tracer_start(struct trace_array *tr)
 558 {
 559         int err;
 560
 561         err = start_kthread(tr);
 562         if (err)
 563                 pr_err(BANNER "Cannot start hwlat kthread\n");
 564 }
 565
 566 static void hwlat_tracer_stop(struct trace_array *tr)
 567 {
 568         stop_kthread();
 569 }
 570
 571 static bool hwlat_busy;
 572
 573 static int hwlat_tracer_init(struct trace_array *tr)
 574 {
 575         /* Only allow one instance to enable this */
 576         if (hwlat_busy)
 577                 return -EBUSY;
 578
 579         hwlat_trace = tr;
 580
 581         disable_migrate = false;
 582         hwlat_data.count = 0;
 583         tr->max_latency = 0;
 584         save_tracing_thresh = tracing_thresh;
 585
 586         /* tracing_thresh is in nsecs, we speak in usecs */
 587         if (!tracing_thresh)
 588                 tracing_thresh = last_tracing_thresh;
 589
 590         if (tracer_tracing_is_on(tr))
 591                 hwlat_tracer_start(tr);
 592
 593         hwlat_busy = true;
 594
 595         return 0;
 596 }
 597
 598 static void hwlat_tracer_reset(struct trace_array *tr)
 599 {
 600         stop_kthread();
 601
 602         /* the tracing threshold is static between runs */
 603         last_tracing_thresh = tracing_thresh;
 604
 605         tracing_thresh = save_tracing_thresh;
 606         hwlat_busy = false;
 607 }
 608
 609 static struct tracer hwlat_tracer __read_mostly =
 610 {
 611         .name           = "hwlat",
 612         .init           = hwlat_tracer_init,
 613         .reset          = hwlat_tracer_reset,
 614         .start          = hwlat_tracer_start,
 615         .stop           = hwlat_tracer_stop,
 616         .allow_instances = true,
 617 };
 618
 619 __init static int init_hwlat_tracer(void)
 620 {
 621         int ret;
 622
 623         mutex_init(&hwlat_data.lock);
 624
 625         ret = register_tracer(&hwlat_tracer);
 626         if (ret)
 627                 return ret;
 628
 629         init_tracefs();
 630
 631         return 0;
 632 }
 633 late_initcall(init_hwlat_tracer);