qemu-option: remove now-dead code
[qemu/rayw.git] / docs / devel / clocks.rst
blob956bd147ea04777ff2340ca1a5ff9071ef224c1f
1 Modelling a clock tree in QEMU
2 ==============================
4 What are clocks?
5 ----------------
7 Clocks are QOM objects developed for the purpose of modelling the
8 distribution of clocks in QEMU.
10 They allow us to model the clock distribution of a platform and detect
11 configuration errors in the clock tree such as badly configured PLL, clock
12 source selection or disabled clock.
14 The object is *Clock* and its QOM name is ``clock`` (in C code, the macro
15 ``TYPE_CLOCK``).
17 Clocks are typically used with devices where they are used to model inputs
18 and outputs. They are created in a similar way to GPIOs. Inputs and outputs
19 of different devices can be connected together.
21 In these cases a Clock object is a child of a Device object, but this
22 is not a requirement. Clocks can be independent of devices. For
23 example it is possible to create a clock outside of any device to
24 model the main clock source of a machine.
26 Here is an example of clocks::
28     +---------+      +----------------------+   +--------------+
29     | Clock 1 |      |       Device B       |   |   Device C   |
30     |         |      | +-------+  +-------+ |   | +-------+    |
31     |         |>>-+-->>|Clock 2|  |Clock 3|>>--->>|Clock 6|    |
32     +---------+   |  | | (in)  |  | (out) | |   | | (in)  |    |
33                   |  | +-------+  +-------+ |   | +-------+    |
34                   |  |            +-------+ |   +--------------+
35                   |  |            |Clock 4|>>
36                   |  |            | (out) | |   +--------------+
37                   |  |            +-------+ |   |   Device D   |
38                   |  |            +-------+ |   | +-------+    |
39                   |  |            |Clock 5|>>--->>|Clock 7|    |
40                   |  |            | (out) | |   | | (in)  |    |
41                   |  |            +-------+ |   | +-------+    |
42                   |  +----------------------+   |              |
43                   |                             | +-------+    |
44                   +----------------------------->>|Clock 8|    |
45                                                 | | (in)  |    |
46                                                 | +-------+    |
47                                                 +--------------+
49 Clocks are defined in the ``include/hw/clock.h`` header and device
50 related functions are defined in the ``include/hw/qdev-clock.h``
51 header.
53 The clock state
54 ---------------
56 The state of a clock is its period; it is stored as an integer
57 representing it in units of 2 :sup:`-32` ns. The special value of 0 is used to
58 represent the clock being inactive or gated. The clocks do not model
59 the signal itself (pin toggling) or other properties such as the duty
60 cycle.
62 All clocks contain this state: outputs as well as inputs. This allows
63 the current period of a clock to be fetched at any time. When a clock
64 is updated, the value is immediately propagated to all connected
65 clocks in the tree.
67 To ease interaction with clocks, helpers with a unit suffix are defined for
68 every clock state setter or getter. The suffixes are:
70 - ``_ns`` for handling periods in nanoseconds
71 - ``_hz`` for handling frequencies in hertz
73 The 0 period value is converted to 0 in hertz and vice versa. 0 always means
74 that the clock is disabled.
76 Adding a new clock
77 ------------------
79 Adding clocks to a device must be done during the init method of the Device
80 instance.
82 To add an input clock to a device, the function ``qdev_init_clock_in()``
83 must be used.  It takes the name, a callback, an opaque parameter
84 for the callback and a mask of events when the callback should be
85 called (this will be explained in a following section).
86 Output is simpler; only the name is required. Typically::
88     qdev_init_clock_in(DEVICE(dev), "clk_in", clk_in_callback, dev, ClockUpdate);
89     qdev_init_clock_out(DEVICE(dev), "clk_out");
91 Both functions return the created Clock pointer, which should be saved in the
92 device's state structure for further use.
94 These objects will be automatically deleted by the QOM reference mechanism.
96 Note that it is possible to create a static array describing clock inputs and
97 outputs. The function ``qdev_init_clocks()`` must be called with the array as
98 parameter to initialize the clocks: it has the same behaviour as calling the
99 ``qdev_init_clock_in/out()`` for each clock in the array. To ease the array
100 construction, some macros are defined in ``include/hw/qdev-clock.h``.
101 As an example, the following creates 2 clocks to a device: one input and one
102 output.
104 .. code-block:: c
106     /* device structure containing pointers to the clock objects */
107     typedef struct MyDeviceState {
108         DeviceState parent_obj;
109         Clock *clk_in;
110         Clock *clk_out;
111     } MyDeviceState;
113     /*
114      * callback for the input clock (see "Callback on input clock
115      * change" section below for more information).
116      */
117     static void clk_in_callback(void *opaque, ClockEvent event);
119     /*
120      * static array describing clocks:
121      * + a clock input named "clk_in", whose pointer is stored in
122      *   the clk_in field of a MyDeviceState structure with callback
123      *   clk_in_callback.
124      * + a clock output named "clk_out" whose pointer is stored in
125      *   the clk_out field of a MyDeviceState structure.
126      */
127     static const ClockPortInitArray mydev_clocks = {
128         QDEV_CLOCK_IN(MyDeviceState, clk_in, clk_in_callback, ClockUpdate),
129         QDEV_CLOCK_OUT(MyDeviceState, clk_out),
130         QDEV_CLOCK_END
131     };
133     /* device initialization function */
134     static void mydev_init(Object *obj)
135     {
136         /* cast to MyDeviceState */
137         MyDeviceState *mydev = MYDEVICE(obj);
138         /* create and fill the pointer fields in the MyDeviceState */
139         qdev_init_clocks(mydev, mydev_clocks);
140         [...]
141     }
143 An alternative way to create a clock is to simply call
144 ``object_new(TYPE_CLOCK)``. In that case the clock will neither be an
145 input nor an output of a device. After the whole QOM hierarchy of the
146 clock has been set ``clock_setup_canonical_path()`` should be called.
148 At creation, the period of the clock is 0: the clock is disabled. You can
149 change it using ``clock_set_ns()`` or ``clock_set_hz()``.
151 Note that if you are creating a clock with a fixed period which will never
152 change (for example the main clock source of a board), then you'll have
153 nothing else to do. This value will be propagated to other clocks when
154 connecting the clocks together and devices will fetch the right value during
155 the first reset.
157 Clock callbacks
158 ---------------
160 You can give a clock a callback function in several ways:
162  * by passing it as an argument to ``qdev_init_clock_in()``
163  * as an argument to the ``QDEV_CLOCK_IN()`` macro initializing an
164    array to be passed to ``qdev_init_clocks()``
165  * by directly calling the ``clock_set_callback()`` function
167 The callback function must be of this type:
169 .. code-block:: c
171    typedef void ClockCallback(void *opaque, ClockEvent event);
173 The ``opaque`` argument is the pointer passed to ``qdev_init_clock_in()``
174 or ``clock_set_callback()``; for ``qdev_init_clocks()`` it is the
175 ``dev`` device pointer.
177 The ``event`` argument specifies why the callback has been called.
178 When you register the callback you specify a mask of ClockEvent values
179 that you are interested in. The callback will only be called for those
180 events.
182 The events currently supported are:
184  * ``ClockPreUpdate`` : called when the input clock's period is about to
185    update. This is useful if the device needs to do some action for
186    which it needs to know the old value of the clock period. During
187    this callback, Clock API functions like ``clock_get()`` or
188    ``clock_ticks_to_ns()`` will use the old period.
189  * ``ClockUpdate`` : called after the input clock's period has changed.
190    During this callback, Clock API functions like ``clock_ticks_to_ns()``
191    will use the new period.
193 Note that a clock only has one callback: it is not possible to register
194 different functions for different events. You must register a single
195 callback which listens for all of the events you are interested in,
196 and use the ``event`` argument to identify which event has happened.
198 Retrieving clocks from a device
199 -------------------------------
201 ``qdev_get_clock_in()`` and ``dev_get_clock_out()`` are available to
202 get the clock inputs or outputs of a device. For example:
204 .. code-block:: c
206    Clock *clk = qdev_get_clock_in(DEVICE(mydev), "clk_in");
210 .. code-block:: c
212    Clock *clk = qdev_get_clock_out(DEVICE(mydev), "clk_out");
214 Connecting two clocks together
215 ------------------------------
217 To connect two clocks together, use the ``clock_set_source()`` function.
218 Given two clocks ``clk1``, and ``clk2``, ``clock_set_source(clk2, clk1);``
219 configures ``clk2`` to follow the ``clk1`` period changes. Every time ``clk1``
220 is updated, ``clk2`` will be updated too.
222 When connecting clock between devices, prefer using the
223 ``qdev_connect_clock_in()`` function to set the source of an input
224 device clock.  For example, to connect the input clock ``clk2`` of
225 ``devB`` to the output clock ``clk1`` of ``devA``, do:
227 .. code-block:: c
229     qdev_connect_clock_in(devB, "clk2", qdev_get_clock_out(devA, "clk1"))
231 We used ``qdev_get_clock_out()`` above, but any clock can drive an
232 input clock, even another input clock. The following diagram shows
233 some examples of connections. Note also that a clock can drive several
234 other clocks.
238   +------------+  +--------------------------------------------------+
239   |  Device A  |  |                   Device B                       |
240   |            |  |               +---------------------+            |
241   |            |  |               |       Device C      |            |
242   |  +-------+ |  | +-------+     | +-------+ +-------+ |  +-------+ |
243   |  |Clock 1|>>-->>|Clock 2|>>+-->>|Clock 3| |Clock 5|>>>>|Clock 6|>>
244   |  | (out) | |  | | (in)  |  |  | | (in)  | | (out) | |  | (out) | |
245   |  +-------+ |  | +-------+  |  | +-------+ +-------+ |  +-------+ |
246   +------------+  |            |  +---------------------+            |
247                   |            |                                     |
248                   |            |  +--------------+                   |
249                   |            |  |   Device D   |                   |
250                   |            |  | +-------+    |                   |
251                   |            +-->>|Clock 4|    |                   |
252                   |               | | (in)  |    |                   |
253                   |               | +-------+    |                   |
254                   |               +--------------+                   |
255                   +--------------------------------------------------+
257 In the above example, when *Clock 1* is updated by *Device A*, three
258 clocks get the new clock period value: *Clock 2*, *Clock 3* and *Clock 4*.
260 It is not possible to disconnect a clock or to change the clock connection
261 after it is connected.
263 Unconnected input clocks
264 ------------------------
266 A newly created input clock is disabled (period of 0). This means the
267 clock will be considered as disabled until the period is updated. If
268 the clock remains unconnected it will always keep its initial value
269 of 0. If this is not the desired behaviour, ``clock_set()``,
270 ``clock_set_ns()`` or ``clock_set_hz()`` should be called on the Clock
271 object during device instance init. For example:
273 .. code-block:: c
275     clk = qdev_init_clock_in(DEVICE(dev), "clk-in", clk_in_callback,
276                              dev, ClockUpdate);
277     /* set initial value to 10ns / 100MHz */
278     clock_set_ns(clk, 10);
280 To enforce that the clock is wired up by the board code, you can
281 call ``clock_has_source()`` in your device's realize method:
283 .. code-block:: c
285    if (!clock_has_source(s->clk)) {
286        error_setg(errp, "MyDevice: clk input must be connected");
287        return;
288    }
290 Note that this only checks that the clock has been wired up; it is
291 still possible that the output clock connected to it is disabled
292 or has not yet been configured, in which case the period will be
293 zero. You should use the clock callback to find out when the clock
294 period changes.
296 Fetching clock frequency/period
297 -------------------------------
299 To get the current state of a clock, use the functions ``clock_get()``
300 or ``clock_get_hz()``.
302 ``clock_get()`` returns the period of the clock in its fully precise
303 internal representation, as an unsigned 64-bit integer in units of
304 2^-32 nanoseconds. (For many purposes ``clock_ticks_to_ns()`` will
305 be more convenient; see the section below on expiry deadlines.)
307 ``clock_get_hz()`` returns the frequency of the clock, rounded to the
308 next lowest integer. This implies some inaccuracy due to the rounding,
309 so be cautious about using it in calculations.
311 It is also possible to register a callback on clock frequency changes.
312 Here is an example, which assumes that ``clock_callback`` has been
313 specified as the callback for the ``ClockUpdate`` event:
315 .. code-block:: c
317     void clock_callback(void *opaque, ClockEvent event) {
318         MyDeviceState *s = (MyDeviceState *) opaque;
319         /*
320          * 'opaque' is the argument passed to qdev_init_clock_in();
321          * usually this will be the device state pointer.
322          */
324         /* do something with the new period */
325         fprintf(stdout, "device new period is %" PRIu64 "* 2^-32 ns\n",
326                         clock_get(dev->my_clk_input));
327     }
329 If you are only interested in the frequency for displaying it to
330 humans (for instance in debugging), use ``clock_display_freq()``,
331 which returns a prettified string-representation, e.g. "33.3 MHz".
332 The caller must free the string with g_free() after use.
334 Calculating expiry deadlines
335 ----------------------------
337 A commonly required operation for a clock is to calculate how long
338 it will take for the clock to tick N times; this can then be used
339 to set a timer expiry deadline. Use the function ``clock_ticks_to_ns()``,
340 which takes an unsigned 64-bit count of ticks and returns the length
341 of time in nanoseconds required for the clock to tick that many times.
343 It is important not to try to calculate expiry deadlines using a
344 shortcut like multiplying a "period of clock in nanoseconds" value
345 by the tick count, because clocks can have periods which are not a
346 whole number of nanoseconds, and the accumulated error in the
347 multiplication can be significant.
349 For a clock with a very long period and a large number of ticks,
350 the result of this function could in theory be too large to fit in
351 a 64-bit value. To avoid overflow in this case, ``clock_ticks_to_ns()``
352 saturates the result to INT64_MAX (because this is the largest valid
353 input to the QEMUTimer APIs). Since INT64_MAX nanoseconds is almost
354 300 years, anything with an expiry later than that is in the "will
355 never happen" category. Callers of ``clock_ticks_to_ns()`` should
356 therefore generally not special-case the possibility of a saturated
357 result but just allow the timer to be set to that far-future value.
358 (If you are performing further calculations on the returned value
359 rather than simply passing it to a QEMUTimer function like
360 ``timer_mod_ns()`` then you should be careful to avoid overflow
361 in those calculations, of course.)
363 Obtaining tick counts
364 ---------------------
366 For calculations where you need to know the number of ticks in
367 a given duration, use ``clock_ns_to_ticks()``. This function handles
368 possible non-whole-number-of-nanoseconds periods and avoids
369 potential rounding errors. It will return '0' if the clock is stopped
370 (i.e. it has period zero). If the inputs imply a tick count that
371 overflows a 64-bit value (a very long duration for a clock with a
372 very short period) the output value is truncated, so effectively
373 the 64-bit output wraps around.
375 Changing a clock period
376 -----------------------
378 A device can change its outputs using the ``clock_update()``,
379 ``clock_update_ns()`` or ``clock_update_hz()`` function. It will trigger
380 updates on every connected input.
382 For example, let's say that we have an output clock *clkout* and we
383 have a pointer to it in the device state because we did the following
384 in init phase:
386 .. code-block:: c
388    dev->clkout = qdev_init_clock_out(DEVICE(dev), "clkout");
390 Then at any time (apart from the cases listed below), it is possible to
391 change the clock value by doing:
393 .. code-block:: c
395    clock_update_hz(dev->clkout, 1000 * 1000 * 1000); /* 1GHz */
397 Because updating a clock may trigger any side effects through
398 connected clocks and their callbacks, this operation must be done
399 while holding the qemu io lock.
401 For the same reason, one can update clocks only when it is allowed to have
402 side effects on other objects. In consequence, it is forbidden:
404 * during migration,
405 * and in the enter phase of reset.
407 Note that calling ``clock_update[_ns|_hz]()`` is equivalent to calling
408 ``clock_set[_ns|_hz]()`` (with the same arguments) then
409 ``clock_propagate()`` on the clock. Thus, setting the clock value can
410 be separated from triggering the side-effects. This is often required
411 to factorize code to handle reset and migration in devices.
413 Aliasing clocks
414 ---------------
416 Sometimes, one needs to forward, or inherit, a clock from another
417 device.  Typically, when doing device composition, a device might
418 expose a sub-device's clock without interfering with it.  The function
419 ``qdev_alias_clock()`` can be used to achieve this behaviour. Note
420 that it is possible to expose the clock under a different name.
421 ``qdev_alias_clock()`` works for both input and output clocks.
423 For example, if device B is a child of device A,
424 ``device_a_instance_init()`` may do something like this:
426 .. code-block:: c
428     void device_a_instance_init(Object *obj)
429     {
430         AState *A = DEVICE_A(obj);
431         BState *B;
432         /* create object B as child of A */
433         [...]
434         qdev_alias_clock(B, "clk", A, "b_clk");
435         /*
436          * Now A has a clock "b_clk" which is an alias to
437          * the clock "clk" of its child B.
438          */
439     }
441 This function does not return any clock object. The new clock has the
442 same direction (input or output) as the original one. This function
443 only adds a link to the existing clock. In the above example, object B
444 remains the only object allowed to use the clock and device A must not
445 try to change the clock period or set a callback to the clock. This
446 diagram describes the example with an input clock::
448     +--------------------------+
449     |        Device A          |
450     |         +--------------+ |
451     |         |   Device B   | |
452     |         | +-------+    | |
453     >>"b_clk">>>| "clk" |    | |
454     |  (in)   | |  (in) |    | |
455     |         | +-------+    | |
456     |         +--------------+ |
457     +--------------------------+
459 Migration
460 ---------
462 Clock state is not migrated automatically. Every device must handle its
463 clock migration. Alias clocks must not be migrated.
465 To ensure clock states are restored correctly during migration, there
466 are two solutions.
468 Clock states can be migrated by adding an entry into the device
469 vmstate description. You should use the ``VMSTATE_CLOCK`` macro for this.
470 This is typically used to migrate an input clock state. For example:
472 .. code-block:: c
474     MyDeviceState {
475         DeviceState parent_obj;
476         [...] /* some fields */
477         Clock *clk;
478     };
480     VMStateDescription my_device_vmstate = {
481         .name = "my_device",
482         .fields = (VMStateField[]) {
483             [...], /* other migrated fields */
484             VMSTATE_CLOCK(clk, MyDeviceState),
485             VMSTATE_END_OF_LIST()
486         }
487     };
489 The second solution is to restore the clock state using information already
490 at our disposal. This can be used to restore output clock states using the
491 device state. The functions ``clock_set[_ns|_hz]()`` can be used during the
492 ``post_load()`` migration callback.
494 When adding clock support to an existing device, if you care about
495 migration compatibility you will need to be careful, as simply adding
496 a ``VMSTATE_CLOCK()`` line will break compatibility. Instead, you can
497 put the ``VMSTATE_CLOCK()`` line into a vmstate subsection with a
498 suitable ``needed`` function, and use ``clock_set()`` in a
499 ``pre_load()`` function to set the default value that will be used if
500 the source virtual machine in the migration does not send the clock
501 state.
503 Care should be taken not to use ``clock_update[_ns|_hz]()`` or
504 ``clock_propagate()`` during the whole migration procedure because it
505 will trigger side effects to other devices in an unknown state.