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   1 Paravirt_ops on IA64
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   3                           21 May 2008, Isaku Yamahata <yamahata@valinux.co.jp>
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   6 Introduction
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   8 The aim of this documentation is to help with maintainability and/or to
   9 encourage people to use paravirt_ops/IA64.
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  11 paravirt_ops (pv_ops in short) is a way for virtualization support of
  12 Linux kernel on x86. Several ways for virtualization support were
  13 proposed, paravirt_ops is the winner.
  14 On the other hand, now there are also several IA64 virtualization
  15 technologies like kvm/IA64, xen/IA64 and many other academic IA64
  16 hypervisors so that it is good to add generic virtualization
  17 infrastructure on Linux/IA64.
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  20 What is paravirt_ops?
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  22 It has been developed on x86 as virtualization support via API, not ABI.
  23 It allows each hypervisor to override operations which are important for
  24 hypervisors at API level. And it allows a single kernel binary to run on
  25 all supported execution environments including native machine.
  26 Essentially paravirt_ops is a set of function pointers which represent
  27 operations corresponding to low level sensitive instructions and high
  28 level functionalities in various area. But one significant difference
  29 from usual function pointer table is that it allows optimization with
  30 binary patch. It is because some of these operations are very
  31 performance sensitive and indirect call overhead is not negligible.
  32 With binary patch, indirect C function call can be transformed into
  33 direct C function call or in-place execution to eliminate the overhead.
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  35 Thus, operations of paravirt_ops are classified into three categories.
  36 - simple indirect call
  37   These operations correspond to high level functionality so that the
  38   overhead of indirect call isn't very important.
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  40 - indirect call which allows optimization with binary patch
  41   Usually these operations correspond to low level instructions. They
  42   are called frequently and performance critical. So the overhead is
  43   very important.
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  45 - a set of macros for hand written assembly code
  46   Hand written assembly codes (.S files) also need paravirtualization
  47   because they include sensitive instructions or some of code paths in
  48   them are very performance critical.
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  51 The relation to the IA64 machine vector
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  53 Linux/IA64 has the IA64 machine vector functionality which allows the
  54 kernel to switch implementations (e.g. initialization, ipi, dma api...)
  55 depending on executing platform.
  56 We can replace some implementations very easily defining a new machine
  57 vector. Thus another approach for virtualization support would be
  58 enhancing the machine vector functionality.
  59 But paravirt_ops approach was taken because
  60 - virtualization support needs wider support than machine vector does.
  61   e.g. low level instruction paravirtualization. It must be
  62        initialized very early before platform detection.
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  64 - virtualization support needs more functionality like binary patch.
  65   Probably the calling overhead might not be very large compared to the
  66   emulation overhead of virtualization. However in the native case, the
  67   overhead should be eliminated completely.
  68   A single kernel binary should run on each environment including native,
  69   and the overhead of paravirt_ops on native environment should be as
  70   small as possible.
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  72 - for full virtualization technology, e.g. KVM/IA64 or
  73   Xen/IA64 HVM domain, the result would be
  74   (the emulated platform machine vector. probably dig) + (pv_ops).
  75   This means that the virtualization support layer should be under
  76   the machine vector layer.
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  78 Possibly it might be better to move some function pointers from
  79 paravirt_ops to machine vector. In fact, Xen domU case utilizes both
  80 pv_ops and machine vector.
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  83 IA64 paravirt_ops
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  85 In this section, the concrete paravirt_ops will be discussed.
  86 Because of the architecture difference between ia64 and x86, the
  87 resulting set of functions is very different from x86 pv_ops.
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  89 - C function pointer tables
  90 They are not very performance critical so that simple C indirect
  91 function call is acceptable. The following structures are defined at
  92 this moment. For details see linux/include/asm-ia64/paravirt.h
  93   - struct pv_info
  94     This structure describes the execution environment.
  95   - struct pv_init_ops
  96     This structure describes the various initialization hooks.
  97   - struct pv_iosapic_ops
  98     This structure describes hooks to iosapic operations.
  99   - struct pv_irq_ops
 100     This structure describes hooks to irq related operations
 101   - struct pv_time_op
 102     This structure describes hooks to steal time accounting.
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 104 - a set of indirect calls which need optimization
 105 Currently this class of functions correspond to a subset of IA64
 106 intrinsics. At this moment the optimization with binary patch isn't
 107 implemented yet.
 108 struct pv_cpu_op is defined. For details see
 109 linux/include/asm-ia64/paravirt_privop.h
 110 Mostly they correspond to ia64 intrinsics 1-to-1.
 111 Caveat: Now they are defined as C indirect function pointers, but in
 112 order to support binary patch optimization, they will be changed
 113 using GCC extended inline assembly code.
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 115 - a set of macros for hand written assembly code (.S files)
 116 For maintenance purpose, the taken approach for .S files is single
 117 source code and compile multiple times with different macros definitions.
 118 Each pv_ops instance must define those macros to compile.
 119 The important thing here is that sensitive, but non-privileged
 120 instructions must be paravirtualized and that some privileged
 121 instructions also need paravirtualization for reasonable performance.
 122 Developers who modify .S files must be aware of that. At this moment
 123 an easy checker is implemented to detect paravirtualization breakage.
 124 But it doesn't cover all the cases.
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 126 Sometimes this set of macros is called pv_cpu_asm_op. But there is no
 127 corresponding structure in the source code.
 128 Those macros mostly 1:1 correspond to a subset of privileged
 129 instructions. See linux/include/asm-ia64/native/inst.h.
 130 And some functions written in assembly also need to be overrided so
 131 that each pv_ops instance have to define some macros. Again see
 132 linux/include/asm-ia64/native/inst.h.
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 135 Those structures must be initialized very early before start_kernel.
 136 Probably initialized in head.S using multi entry point or some other trick.
 137 For native case implementation see linux/arch/ia64/kernel/paravirt.c.