sys/kern/kern_ntptime.c

   1 /*-
   2  ***********************************************************************
   3  *                                                                     *
   4  * Copyright (c) David L. Mills 1993-2001                              *
   5  *                                                                     *
   6  * Permission to use, copy, modify, and distribute this software and   *
   7  * its documentation for any purpose and without fee is hereby         *
   8  * granted, provided that the above copyright notice appears in all    *
   9  * copies and that both the copyright notice and this permission       *
  10  * notice appear in supporting documentation, and that the name        *
  11  * University of Delaware not be used in advertising or publicity      *
  12  * pertaining to distribution of the software without specific,        *
  13  * written prior permission. The University of Delaware makes no       *
  14  * representations about the suitability this software for any         *
  15  * purpose. It is provided "as is" without express or implied          *
  16  * warranty.                                                           *
  17  *                                                                     *
  18  **********************************************************************/
  19
  20 /*
  21  * Adapted from the original sources for FreeBSD and timecounters by:
  22  * Poul-Henning Kamp <phk@FreeBSD.org>.
  23  *
  24  * The 32bit version of the "LP" macros seems a bit past its "sell by"
  25  * date so I have retained only the 64bit version and included it directly
  26  * in this file.
  27  *
  28  * Only minor changes done to interface with the timecounters over in
  29  * sys/kern/kern_clock.c.   Some of the comments below may be (even more)
  30  * confusing and/or plain wrong in that context.
  31  */
  32
  33 #include <sys/cdefs.h>
  34 __FBSDID("$FreeBSD$");
  35
  36 #include "opt_ntp.h"
  37
  38 #include <sys/param.h>
  39 #include <sys/systm.h>
  40 #include <sys/sysproto.h>
  41 #include <sys/eventhandler.h>
  42 #include <sys/kernel.h>
  43 #include <sys/priv.h>
  44 #include <sys/proc.h>
  45 #include <sys/lock.h>
  46 #include <sys/mutex.h>
  47 #include <sys/time.h>
  48 #include <sys/timex.h>
  49 #include <sys/timetc.h>
  50 #include <sys/timepps.h>
  51 #include <sys/syscallsubr.h>
  52 #include <sys/sysctl.h>
  53
  54 #ifdef PPS_SYNC
  55 FEATURE(pps_sync, "Support usage of external PPS signal by kernel PLL");
  56 #endif
  57
  58 /*
  59  * Single-precision macros for 64-bit machines
  60  */
  61 typedef int64_t l_fp;
  62 #define L_ADD(v, u)     ((v) += (u))
  63 #define L_SUB(v, u)     ((v) -= (u))
  64 #define L_ADDHI(v, a)   ((v) += (int64_t)(a) << 32)
  65 #define L_NEG(v)        ((v) = -(v))
  66 #define L_RSHIFT(v, n) \
  67         do { \
  68                 if ((v) < 0) \
  69                         (v) = -(-(v) >> (n)); \
  70                 else \
  71                         (v) = (v) >> (n); \
  72         } while (0)
  73 #define L_MPY(v, a)     ((v) *= (a))
  74 #define L_CLR(v)        ((v) = 0)
  75 #define L_ISNEG(v)      ((v) < 0)
  76 #define L_LINT(v, a)    ((v) = (int64_t)(a) << 32)
  77 #define L_GINT(v)       ((v) < 0 ? -(-(v) >> 32) : (v) >> 32)
  78
  79 /*
  80  * Generic NTP kernel interface
  81  *
  82  * These routines constitute the Network Time Protocol (NTP) interfaces
  83  * for user and daemon application programs. The ntp_gettime() routine
  84  * provides the time, maximum error (synch distance) and estimated error
  85  * (dispersion) to client user application programs. The ntp_adjtime()
  86  * routine is used by the NTP daemon to adjust the system clock to an
  87  * externally derived time. The time offset and related variables set by
  88  * this routine are used by other routines in this module to adjust the
  89  * phase and frequency of the clock discipline loop which controls the
  90  * system clock.
  91  *
  92  * When the kernel time is reckoned directly in nanoseconds (NTP_NANO
  93  * defined), the time at each tick interrupt is derived directly from
  94  * the kernel time variable. When the kernel time is reckoned in
  95  * microseconds, (NTP_NANO undefined), the time is derived from the
  96  * kernel time variable together with a variable representing the
  97  * leftover nanoseconds at the last tick interrupt. In either case, the
  98  * current nanosecond time is reckoned from these values plus an
  99  * interpolated value derived by the clock routines in another
 100  * architecture-specific module. The interpolation can use either a
 101  * dedicated counter or a processor cycle counter (PCC) implemented in
 102  * some architectures.
 103  *
 104  * Note that all routines must run at priority splclock or higher.
 105  */
 106 /*
 107  * Phase/frequency-lock loop (PLL/FLL) definitions
 108  *
 109  * The nanosecond clock discipline uses two variable types, time
 110  * variables and frequency variables. Both types are represented as 64-
 111  * bit fixed-point quantities with the decimal point between two 32-bit
 112  * halves. On a 32-bit machine, each half is represented as a single
 113  * word and mathematical operations are done using multiple-precision
 114  * arithmetic. On a 64-bit machine, ordinary computer arithmetic is
 115  * used.
 116  *
 117  * A time variable is a signed 64-bit fixed-point number in ns and
 118  * fraction. It represents the remaining time offset to be amortized
 119  * over succeeding tick interrupts. The maximum time offset is about
 120  * 0.5 s and the resolution is about 2.3e-10 ns.
 121  *
 122  *                      1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
 123  *  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 124  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 125  * |s s s|                       ns                                |
 126  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 127  * |                        fraction                               |
 128  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 129  *
 130  * A frequency variable is a signed 64-bit fixed-point number in ns/s
 131  * and fraction. It represents the ns and fraction to be added to the
 132  * kernel time variable at each second. The maximum frequency offset is
 133  * about +-500000 ns/s and the resolution is about 2.3e-10 ns/s.
 134  *
 135  *                      1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
 136  *  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 137  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 138  * |s s s s s s s s s s s s s|            ns/s                     |
 139  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 140  * |                        fraction                               |
 141  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 142  */
 143 /*
 144  * The following variables establish the state of the PLL/FLL and the
 145  * residual time and frequency offset of the local clock.
 146  */
 147 #define SHIFT_PLL       4               /* PLL loop gain (shift) */
 148 #define SHIFT_FLL       2               /* FLL loop gain (shift) */
 149
 150 static int time_state = TIME_OK;        /* clock state */
 151 int time_status = STA_UNSYNC;   /* clock status bits */
 152 static long time_tai;                   /* TAI offset (s) */
 153 static long time_monitor;               /* last time offset scaled (ns) */
 154 static long time_constant;              /* poll interval (shift) (s) */
 155 static long time_precision = 1;         /* clock precision (ns) */
 156 static long time_maxerror = MAXPHASE / 1000; /* maximum error (us) */
 157 long time_esterror = MAXPHASE / 1000; /* estimated error (us) */
 158 static long time_reftime;               /* uptime at last adjustment (s) */
 159 static l_fp time_offset;                /* time offset (ns) */
 160 static l_fp time_freq;                  /* frequency offset (ns/s) */
 161 static l_fp time_adj;                   /* tick adjust (ns/s) */
 162
 163 static int64_t time_adjtime;            /* correction from adjtime(2) (usec) */
 164
 165 static struct mtx ntp_lock;
 166 MTX_SYSINIT(ntp, &ntp_lock, "ntp", MTX_SPIN);
 167
 168 #define NTP_LOCK()              mtx_lock_spin(&ntp_lock)
 169 #define NTP_UNLOCK()            mtx_unlock_spin(&ntp_lock)
 170 #define NTP_ASSERT_LOCKED()     mtx_assert(&ntp_lock, MA_OWNED)
 171
 172 #ifdef PPS_SYNC
 173 /*
 174  * The following variables are used when a pulse-per-second (PPS) signal
 175  * is available and connected via a modem control lead. They establish
 176  * the engineering parameters of the clock discipline loop when
 177  * controlled by the PPS signal.
 178  */
 179 #define PPS_FAVG        2               /* min freq avg interval (s) (shift) */
 180 #define PPS_FAVGDEF     8               /* default freq avg int (s) (shift) */
 181 #define PPS_FAVGMAX     15              /* max freq avg interval (s) (shift) */
 182 #define PPS_PAVG        4               /* phase avg interval (s) (shift) */
 183 #define PPS_VALID       120             /* PPS signal watchdog max (s) */
 184 #define PPS_MAXWANDER   100000          /* max PPS wander (ns/s) */
 185 #define PPS_POPCORN     2               /* popcorn spike threshold (shift) */
 186
 187 static struct timespec pps_tf[3];       /* phase median filter */
 188 static l_fp pps_freq;                   /* scaled frequency offset (ns/s) */
 189 static long pps_fcount;                 /* frequency accumulator */
 190 static long pps_jitter;                 /* nominal jitter (ns) */
 191 static long pps_stabil;                 /* nominal stability (scaled ns/s) */
 192 static long pps_lastsec;                /* time at last calibration (s) */
 193 static int pps_valid;                   /* signal watchdog counter */
 194 static int pps_shift = PPS_FAVG;        /* interval duration (s) (shift) */
 195 static int pps_shiftmax = PPS_FAVGDEF;  /* max interval duration (s) (shift) */
 196 static int pps_intcnt;                  /* wander counter */
 197
 198 /*
 199  * PPS signal quality monitors
 200  */
 201 static long pps_calcnt;                 /* calibration intervals */
 202 static long pps_jitcnt;                 /* jitter limit exceeded */
 203 static long pps_stbcnt;                 /* stability limit exceeded */
 204 static long pps_errcnt;                 /* calibration errors */
 205 #endif /* PPS_SYNC */
 206 /*
 207  * End of phase/frequency-lock loop (PLL/FLL) definitions
 208  */
 209
 210 static void ntp_init(void);
 211 static void hardupdate(long offset);
 212 static void ntp_gettime1(struct ntptimeval *ntvp);
 213 static bool ntp_is_time_error(int tsl);
 214
 215 static bool
 216 ntp_is_time_error(int tsl)
 217 {
 218
 219         /*
 220          * Status word error decode. If any of these conditions occur,
 221          * an error is returned, instead of the status word. Most
 222          * applications will care only about the fact the system clock
 223          * may not be trusted, not about the details.
 224          *
 225          * Hardware or software error
 226          */
 227         if ((tsl & (STA_UNSYNC | STA_CLOCKERR)) ||
 228
 229         /*
 230          * PPS signal lost when either time or frequency synchronization
 231          * requested
 232          */
 233             (tsl & (STA_PPSFREQ | STA_PPSTIME) &&
 234             !(tsl & STA_PPSSIGNAL)) ||
 235
 236         /*
 237          * PPS jitter exceeded when time synchronization requested
 238          */
 239             (tsl & STA_PPSTIME && tsl & STA_PPSJITTER) ||
 240
 241         /*
 242          * PPS wander exceeded or calibration error when frequency
 243          * synchronization requested
 244          */
 245             (tsl & STA_PPSFREQ &&
 246             tsl & (STA_PPSWANDER | STA_PPSERROR)))
 247                 return (true);
 248
 249         return (false);
 250 }
 251
 252 static void
 253 ntp_gettime1(struct ntptimeval *ntvp)
 254 {
 255         struct timespec atv;    /* nanosecond time */
 256
 257         NTP_ASSERT_LOCKED();
 258
 259         nanotime(&atv);
 260         ntvp->time.tv_sec = atv.tv_sec;
 261         ntvp->time.tv_nsec = atv.tv_nsec;
 262         ntvp->maxerror = time_maxerror;
 263         ntvp->esterror = time_esterror;
 264         ntvp->tai = time_tai;
 265         ntvp->time_state = time_state;
 266
 267         if (ntp_is_time_error(time_status))
 268                 ntvp->time_state = TIME_ERROR;
 269 }
 270
 271 /*
 272  * ntp_gettime() - NTP user application interface
 273  *
 274  * See the timex.h header file for synopsis and API description.  Note that
 275  * the TAI offset is returned in the ntvtimeval.tai structure member.
 276  */
 277 #ifndef _SYS_SYSPROTO_H_
 278 struct ntp_gettime_args {
 279         struct ntptimeval *ntvp;
 280 };
 281 #endif
 282 /* ARGSUSED */
 283 int
 284 sys_ntp_gettime(struct thread *td, struct ntp_gettime_args *uap)
 285 {
 286         struct ntptimeval ntv;
 287
 288         NTP_LOCK();
 289         ntp_gettime1(&ntv);
 290         NTP_UNLOCK();
 291
 292         td->td_retval[0] = ntv.time_state;
 293         return (copyout(&ntv, uap->ntvp, sizeof(ntv)));
 294 }
 295
 296 static int
 297 ntp_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 298 {
 299         struct ntptimeval ntv;  /* temporary structure */
 300
 301         NTP_LOCK();
 302         ntp_gettime1(&ntv);
 303         NTP_UNLOCK();
 304
 305         return (sysctl_handle_opaque(oidp, &ntv, sizeof(ntv), req));
 306 }
 307
 308 SYSCTL_NODE(_kern, OID_AUTO, ntp_pll, CTLFLAG_RW, 0, "");
 309 SYSCTL_PROC(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, gettime, CTLTYPE_OPAQUE | CTLFLAG_RD |
 310     CTLFLAG_MPSAFE, 0, sizeof(struct ntptimeval) , ntp_sysctl, "S,ntptimeval",
 311     "");
 312
 313 #ifdef PPS_SYNC
 314 SYSCTL_INT(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, pps_shiftmax, CTLFLAG_RW,
 315     &pps_shiftmax, 0, "Max interval duration (sec) (shift)");
 316 SYSCTL_INT(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, pps_shift, CTLFLAG_RW,
 317     &pps_shift, 0, "Interval duration (sec) (shift)");
 318 SYSCTL_LONG(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, time_monitor, CTLFLAG_RD,
 319     &time_monitor, 0, "Last time offset scaled (ns)");
 320
 321 SYSCTL_S64(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, pps_freq, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
 322     &pps_freq, 0,
 323     "Scaled frequency offset (ns/sec)");
 324 SYSCTL_S64(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, time_freq, CTLFLAG_RD | CTLFLAG_MPSAFE,
 325     &time_freq, 0,
 326     "Frequency offset (ns/sec)");
 327 #endif
 328
 329 /*
 330  * ntp_adjtime() - NTP daemon application interface
 331  *
 332  * See the timex.h header file for synopsis and API description.  Note that
 333  * the timex.constant structure member has a dual purpose to set the time
 334  * constant and to set the TAI offset.
 335  */
 336 #ifndef _SYS_SYSPROTO_H_
 337 struct ntp_adjtime_args {
 338         struct timex *tp;
 339 };
 340 #endif
 341
 342 int
 343 sys_ntp_adjtime(struct thread *td, struct ntp_adjtime_args *uap)
 344 {
 345         struct timex ntv;       /* temporary structure */
 346         long freq;              /* frequency ns/s) */
 347         int modes;              /* mode bits from structure */
 348         int error, retval;
 349
 350         error = copyin((caddr_t)uap->tp, (caddr_t)&ntv, sizeof(ntv));
 351         if (error)
 352                 return (error);
 353
 354         /*
 355          * Update selected clock variables - only the superuser can
 356          * change anything. Note that there is no error checking here on
 357          * the assumption the superuser should know what it is doing.
 358          * Note that either the time constant or TAI offset are loaded
 359          * from the ntv.constant member, depending on the mode bits. If
 360          * the STA_PLL bit in the status word is cleared, the state and
 361          * status words are reset to the initial values at boot.
 362          */
 363         modes = ntv.modes;
 364         if (modes)
 365                 error = priv_check(td, PRIV_NTP_ADJTIME);
 366         if (error != 0)
 367                 return (error);
 368         NTP_LOCK();
 369         if (modes & MOD_MAXERROR)
 370                 time_maxerror = ntv.maxerror;
 371         if (modes & MOD_ESTERROR)
 372                 time_esterror = ntv.esterror;
 373         if (modes & MOD_STATUS) {
 374                 if (time_status & STA_PLL && !(ntv.status & STA_PLL)) {
 375                         time_state = TIME_OK;
 376                         time_status = STA_UNSYNC;
 377 #ifdef PPS_SYNC
 378                         pps_shift = PPS_FAVG;
 379 #endif /* PPS_SYNC */
 380                 }
 381                 time_status &= STA_RONLY;
 382                 time_status |= ntv.status & ~STA_RONLY;
 383         }
 384         if (modes & MOD_TIMECONST) {
 385                 if (ntv.constant < 0)
 386                         time_constant = 0;
 387                 else if (ntv.constant > MAXTC)
 388                         time_constant = MAXTC;
 389                 else
 390                         time_constant = ntv.constant;
 391         }
 392         if (modes & MOD_TAI) {
 393                 if (ntv.constant > 0) /* XXX zero & negative numbers ? */
 394                         time_tai = ntv.constant;
 395         }
 396 #ifdef PPS_SYNC
 397         if (modes & MOD_PPSMAX) {
 398                 if (ntv.shift < PPS_FAVG)
 399                         pps_shiftmax = PPS_FAVG;
 400                 else if (ntv.shift > PPS_FAVGMAX)
 401                         pps_shiftmax = PPS_FAVGMAX;
 402                 else
 403                         pps_shiftmax = ntv.shift;
 404         }
 405 #endif /* PPS_SYNC */
 406         if (modes & MOD_NANO)
 407                 time_status |= STA_NANO;
 408         if (modes & MOD_MICRO)
 409                 time_status &= ~STA_NANO;
 410         if (modes & MOD_CLKB)
 411                 time_status |= STA_CLK;
 412         if (modes & MOD_CLKA)
 413                 time_status &= ~STA_CLK;
 414         if (modes & MOD_FREQUENCY) {
 415                 freq = (ntv.freq * 1000LL) >> 16;
 416                 if (freq > MAXFREQ)
 417                         L_LINT(time_freq, MAXFREQ);
 418                 else if (freq < -MAXFREQ)
 419                         L_LINT(time_freq, -MAXFREQ);
 420                 else {
 421                         /*
 422                          * ntv.freq is [PPM * 2^16] = [us/s * 2^16]
 423                          * time_freq is [ns/s * 2^32]
 424                          */
 425                         time_freq = ntv.freq * 1000LL * 65536LL;
 426                 }
 427 #ifdef PPS_SYNC
 428                 pps_freq = time_freq;
 429 #endif /* PPS_SYNC */
 430         }
 431         if (modes & MOD_OFFSET) {
 432                 if (time_status & STA_NANO)
 433                         hardupdate(ntv.offset);
 434                 else
 435                         hardupdate(ntv.offset * 1000);
 436         }
 437
 438         /*
 439          * Retrieve all clock variables. Note that the TAI offset is
 440          * returned only by ntp_gettime();
 441          */
 442         if (time_status & STA_NANO)
 443                 ntv.offset = L_GINT(time_offset);
 444         else
 445                 ntv.offset = L_GINT(time_offset) / 1000; /* XXX rounding ? */
 446         ntv.freq = L_GINT((time_freq / 1000LL) << 16);
 447         ntv.maxerror = time_maxerror;
 448         ntv.esterror = time_esterror;
 449         ntv.status = time_status;
 450         ntv.constant = time_constant;
 451         if (time_status & STA_NANO)
 452                 ntv.precision = time_precision;
 453         else
 454                 ntv.precision = time_precision / 1000;
 455         ntv.tolerance = MAXFREQ * SCALE_PPM;
 456 #ifdef PPS_SYNC
 457         ntv.shift = pps_shift;
 458         ntv.ppsfreq = L_GINT((pps_freq / 1000LL) << 16);
 459         if (time_status & STA_NANO)
 460                 ntv.jitter = pps_jitter;
 461         else
 462                 ntv.jitter = pps_jitter / 1000;
 463         ntv.stabil = pps_stabil;
 464         ntv.calcnt = pps_calcnt;
 465         ntv.errcnt = pps_errcnt;
 466         ntv.jitcnt = pps_jitcnt;
 467         ntv.stbcnt = pps_stbcnt;
 468 #endif /* PPS_SYNC */
 469         retval = ntp_is_time_error(time_status) ? TIME_ERROR : time_state;
 470         NTP_UNLOCK();
 471
 472         error = copyout((caddr_t)&ntv, (caddr_t)uap->tp, sizeof(ntv));
 473         if (error == 0)
 474                 td->td_retval[0] = retval;
 475         return (error);
 476 }
 477
 478 /*
 479  * second_overflow() - called after ntp_tick_adjust()
 480  *
 481  * This routine is ordinarily called immediately following the above
 482  * routine ntp_tick_adjust(). While these two routines are normally
 483  * combined, they are separated here only for the purposes of
 484  * simulation.
 485  */
 486 void
 487 ntp_update_second(int64_t *adjustment, time_t *newsec)
 488 {
 489         int tickrate;
 490         l_fp ftemp;             /* 32/64-bit temporary */
 491
 492         NTP_LOCK();
 493
 494         /*
 495          * On rollover of the second both the nanosecond and microsecond
 496          * clocks are updated and the state machine cranked as
 497          * necessary. The phase adjustment to be used for the next
 498          * second is calculated and the maximum error is increased by
 499          * the tolerance.
 500          */
 501         time_maxerror += MAXFREQ / 1000;
 502
 503         /*
 504          * Leap second processing. If in leap-insert state at
 505          * the end of the day, the system clock is set back one
 506          * second; if in leap-delete state, the system clock is
 507          * set ahead one second. The nano_time() routine or
 508          * external clock driver will insure that reported time
 509          * is always monotonic.
 510          */
 511         switch (time_state) {
 512
 513                 /*
 514                  * No warning.
 515                  */
 516                 case TIME_OK:
 517                 if (time_status & STA_INS)
 518                         time_state = TIME_INS;
 519                 else if (time_status & STA_DEL)
 520                         time_state = TIME_DEL;
 521                 break;
 522
 523                 /*
 524                  * Insert second 23:59:60 following second
 525                  * 23:59:59.
 526                  */
 527                 case TIME_INS:
 528                 if (!(time_status & STA_INS))
 529                         time_state = TIME_OK;
 530                 else if ((*newsec) % 86400 == 0) {
 531                         (*newsec)--;
 532                         time_state = TIME_OOP;
 533                         time_tai++;
 534                 }
 535                 break;
 536
 537                 /*
 538                  * Delete second 23:59:59.
 539                  */
 540                 case TIME_DEL:
 541                 if (!(time_status & STA_DEL))
 542                         time_state = TIME_OK;
 543                 else if (((*newsec) + 1) % 86400 == 0) {
 544                         (*newsec)++;
 545                         time_tai--;
 546                         time_state = TIME_WAIT;
 547                 }
 548                 break;
 549
 550                 /*
 551                  * Insert second in progress.
 552                  */
 553                 case TIME_OOP:
 554                         time_state = TIME_WAIT;
 555                 break;
 556
 557                 /*
 558                  * Wait for status bits to clear.
 559                  */
 560                 case TIME_WAIT:
 561                 if (!(time_status & (STA_INS | STA_DEL)))
 562                         time_state = TIME_OK;
 563         }
 564
 565         /*
 566          * Compute the total time adjustment for the next second
 567          * in ns. The offset is reduced by a factor depending on
 568          * whether the PPS signal is operating. Note that the
 569          * value is in effect scaled by the clock frequency,
 570          * since the adjustment is added at each tick interrupt.
 571          */
 572         ftemp = time_offset;
 573 #ifdef PPS_SYNC
 574         /* XXX even if PPS signal dies we should finish adjustment ? */
 575         if (time_status & STA_PPSTIME && time_status &
 576             STA_PPSSIGNAL)
 577                 L_RSHIFT(ftemp, pps_shift);
 578         else
 579                 L_RSHIFT(ftemp, SHIFT_PLL + time_constant);
 580 #else
 581                 L_RSHIFT(ftemp, SHIFT_PLL + time_constant);
 582 #endif /* PPS_SYNC */
 583         time_adj = ftemp;
 584         L_SUB(time_offset, ftemp);
 585         L_ADD(time_adj, time_freq);
 586
 587         /*
 588          * Apply any correction from adjtime(2).  If more than one second
 589          * off we slew at a rate of 5ms/s (5000 PPM) else 500us/s (500PPM)
 590          * until the last second is slewed the final < 500 usecs.
 591          */
 592         if (time_adjtime != 0) {
 593                 if (time_adjtime > 1000000)
 594                         tickrate = 5000;
 595                 else if (time_adjtime < -1000000)
 596                         tickrate = -5000;
 597                 else if (time_adjtime > 500)
 598                         tickrate = 500;
 599                 else if (time_adjtime < -500)
 600                         tickrate = -500;
 601                 else
 602                         tickrate = time_adjtime;
 603                 time_adjtime -= tickrate;
 604                 L_LINT(ftemp, tickrate * 1000);
 605                 L_ADD(time_adj, ftemp);
 606         }
 607         *adjustment = time_adj;
 608
 609 #ifdef PPS_SYNC
 610         if (pps_valid > 0)
 611                 pps_valid--;
 612         else
 613                 time_status &= ~STA_PPSSIGNAL;
 614 #endif /* PPS_SYNC */
 615
 616         NTP_UNLOCK();
 617 }
 618
 619 /*
 620  * ntp_init() - initialize variables and structures
 621  *
 622  * This routine must be called after the kernel variables hz and tick
 623  * are set or changed and before the next tick interrupt. In this
 624  * particular implementation, these values are assumed set elsewhere in
 625  * the kernel. The design allows the clock frequency and tick interval
 626  * to be changed while the system is running. So, this routine should
 627  * probably be integrated with the code that does that.
 628  */
 629 static void
 630 ntp_init(void)
 631 {
 632
 633         /*
 634          * The following variables are initialized only at startup. Only
 635          * those structures not cleared by the compiler need to be
 636          * initialized, and these only in the simulator. In the actual
 637          * kernel, any nonzero values here will quickly evaporate.
 638          */
 639         L_CLR(time_offset);
 640         L_CLR(time_freq);
 641 #ifdef PPS_SYNC
 642         pps_tf[0].tv_sec = pps_tf[0].tv_nsec = 0;
 643         pps_tf[1].tv_sec = pps_tf[1].tv_nsec = 0;
 644         pps_tf[2].tv_sec = pps_tf[2].tv_nsec = 0;
 645         pps_fcount = 0;
 646         L_CLR(pps_freq);
 647 #endif /* PPS_SYNC */
 648 }
 649
 650 SYSINIT(ntpclocks, SI_SUB_CLOCKS, SI_ORDER_MIDDLE, ntp_init, NULL);
 651
 652 /*
 653  * hardupdate() - local clock update
 654  *
 655  * This routine is called by ntp_adjtime() to update the local clock
 656  * phase and frequency. The implementation is of an adaptive-parameter,
 657  * hybrid phase/frequency-lock loop (PLL/FLL). The routine computes new
 658  * time and frequency offset estimates for each call. If the kernel PPS
 659  * discipline code is configured (PPS_SYNC), the PPS signal itself
 660  * determines the new time offset, instead of the calling argument.
 661  * Presumably, calls to ntp_adjtime() occur only when the caller
 662  * believes the local clock is valid within some bound (+-128 ms with
 663  * NTP). If the caller's time is far different than the PPS time, an
 664  * argument will ensue, and it's not clear who will lose.
 665  *
 666  * For uncompensated quartz crystal oscillators and nominal update
 667  * intervals less than 256 s, operation should be in phase-lock mode,
 668  * where the loop is disciplined to phase. For update intervals greater
 669  * than 1024 s, operation should be in frequency-lock mode, where the
 670  * loop is disciplined to frequency. Between 256 s and 1024 s, the mode
 671  * is selected by the STA_MODE status bit.
 672  */
 673 static void
 674 hardupdate(offset)
 675         long offset;            /* clock offset (ns) */
 676 {
 677         long mtemp;
 678         l_fp ftemp;
 679
 680         NTP_ASSERT_LOCKED();
 681
 682         /*
 683          * Select how the phase is to be controlled and from which
 684          * source. If the PPS signal is present and enabled to
 685          * discipline the time, the PPS offset is used; otherwise, the
 686          * argument offset is used.
 687          */
 688         if (!(time_status & STA_PLL))
 689                 return;
 690         if (!(time_status & STA_PPSTIME && time_status &
 691             STA_PPSSIGNAL)) {
 692                 if (offset > MAXPHASE)
 693                         time_monitor = MAXPHASE;
 694                 else if (offset < -MAXPHASE)
 695                         time_monitor = -MAXPHASE;
 696                 else
 697                         time_monitor = offset;
 698                 L_LINT(time_offset, time_monitor);
 699         }
 700
 701         /*
 702          * Select how the frequency is to be controlled and in which
 703          * mode (PLL or FLL). If the PPS signal is present and enabled
 704          * to discipline the frequency, the PPS frequency is used;
 705          * otherwise, the argument offset is used to compute it.
 706          */
 707         if (time_status & STA_PPSFREQ && time_status & STA_PPSSIGNAL) {
 708                 time_reftime = time_uptime;
 709                 return;
 710         }
 711         if (time_status & STA_FREQHOLD || time_reftime == 0)
 712                 time_reftime = time_uptime;
 713         mtemp = time_uptime - time_reftime;
 714         L_LINT(ftemp, time_monitor);
 715         L_RSHIFT(ftemp, (SHIFT_PLL + 2 + time_constant) << 1);
 716         L_MPY(ftemp, mtemp);
 717         L_ADD(time_freq, ftemp);
 718         time_status &= ~STA_MODE;
 719         if (mtemp >= MINSEC && (time_status & STA_FLL || mtemp >
 720             MAXSEC)) {
 721                 L_LINT(ftemp, (time_monitor << 4) / mtemp);
 722                 L_RSHIFT(ftemp, SHIFT_FLL + 4);
 723                 L_ADD(time_freq, ftemp);
 724                 time_status |= STA_MODE;
 725         }
 726         time_reftime = time_uptime;
 727         if (L_GINT(time_freq) > MAXFREQ)
 728                 L_LINT(time_freq, MAXFREQ);
 729         else if (L_GINT(time_freq) < -MAXFREQ)
 730                 L_LINT(time_freq, -MAXFREQ);
 731 }
 732
 733 #ifdef PPS_SYNC
 734 /*
 735  * hardpps() - discipline CPU clock oscillator to external PPS signal
 736  *
 737  * This routine is called at each PPS interrupt in order to discipline
 738  * the CPU clock oscillator to the PPS signal. There are two independent
 739  * first-order feedback loops, one for the phase, the other for the
 740  * frequency. The phase loop measures and grooms the PPS phase offset
 741  * and leaves it in a handy spot for the seconds overflow routine. The
 742  * frequency loop averages successive PPS phase differences and
 743  * calculates the PPS frequency offset, which is also processed by the
 744  * seconds overflow routine. The code requires the caller to capture the
 745  * time and architecture-dependent hardware counter values in
 746  * nanoseconds at the on-time PPS signal transition.
 747  *
 748  * Note that, on some Unix systems this routine runs at an interrupt
 749  * priority level higher than the timer interrupt routine hardclock().
 750  * Therefore, the variables used are distinct from the hardclock()
 751  * variables, except for the actual time and frequency variables, which
 752  * are determined by this routine and updated atomically.
 753  *
 754  * tsp  - time at PPS
 755  * nsec - hardware counter at PPS
 756  */
 757 void
 758 hardpps(struct timespec *tsp, long nsec)
 759 {
 760         long u_sec, u_nsec, v_nsec; /* temps */
 761         l_fp ftemp;
 762
 763         NTP_LOCK();
 764
 765         /*
 766          * The signal is first processed by a range gate and frequency
 767          * discriminator. The range gate rejects noise spikes outside
 768          * the range +-500 us. The frequency discriminator rejects input
 769          * signals with apparent frequency outside the range 1 +-500
 770          * PPM. If two hits occur in the same second, we ignore the
 771          * later hit; if not and a hit occurs outside the range gate,
 772          * keep the later hit for later comparison, but do not process
 773          * it.
 774          */
 775         time_status |= STA_PPSSIGNAL | STA_PPSJITTER;
 776         time_status &= ~(STA_PPSWANDER | STA_PPSERROR);
 777         pps_valid = PPS_VALID;
 778         u_sec = tsp->tv_sec;
 779         u_nsec = tsp->tv_nsec;
 780         if (u_nsec >= (NANOSECOND >> 1)) {
 781                 u_nsec -= NANOSECOND;
 782                 u_sec++;
 783         }
 784         v_nsec = u_nsec - pps_tf[0].tv_nsec;
 785         if (u_sec == pps_tf[0].tv_sec && v_nsec < NANOSECOND - MAXFREQ)
 786                 goto out;
 787         pps_tf[2] = pps_tf[1];
 788         pps_tf[1] = pps_tf[0];
 789         pps_tf[0].tv_sec = u_sec;
 790         pps_tf[0].tv_nsec = u_nsec;
 791
 792         /*
 793          * Compute the difference between the current and previous
 794          * counter values. If the difference exceeds 0.5 s, assume it
 795          * has wrapped around, so correct 1.0 s. If the result exceeds
 796          * the tick interval, the sample point has crossed a tick
 797          * boundary during the last second, so correct the tick. Very
 798          * intricate.
 799          */
 800         u_nsec = nsec;
 801         if (u_nsec > (NANOSECOND >> 1))
 802                 u_nsec -= NANOSECOND;
 803         else if (u_nsec < -(NANOSECOND >> 1))
 804                 u_nsec += NANOSECOND;
 805         pps_fcount += u_nsec;
 806         if (v_nsec > MAXFREQ || v_nsec < -MAXFREQ)
 807                 goto out;
 808         time_status &= ~STA_PPSJITTER;
 809
 810         /*
 811          * A three-stage median filter is used to help denoise the PPS
 812          * time. The median sample becomes the time offset estimate; the
 813          * difference between the other two samples becomes the time
 814          * dispersion (jitter) estimate.
 815          */
 816         if (pps_tf[0].tv_nsec > pps_tf[1].tv_nsec) {
 817                 if (pps_tf[1].tv_nsec > pps_tf[2].tv_nsec) {
 818                         v_nsec = pps_tf[1].tv_nsec;     /* 0 1 2 */
 819                         u_nsec = pps_tf[0].tv_nsec - pps_tf[2].tv_nsec;
 820                 } else if (pps_tf[2].tv_nsec > pps_tf[0].tv_nsec) {
 821                         v_nsec = pps_tf[0].tv_nsec;     /* 2 0 1 */
 822                         u_nsec = pps_tf[2].tv_nsec - pps_tf[1].tv_nsec;
 823                 } else {
 824                         v_nsec = pps_tf[2].tv_nsec;     /* 0 2 1 */
 825                         u_nsec = pps_tf[0].tv_nsec - pps_tf[1].tv_nsec;
 826                 }
 827         } else {
 828                 if (pps_tf[1].tv_nsec < pps_tf[2].tv_nsec) {
 829                         v_nsec = pps_tf[1].tv_nsec;     /* 2 1 0 */
 830                         u_nsec = pps_tf[2].tv_nsec - pps_tf[0].tv_nsec;
 831                 } else if (pps_tf[2].tv_nsec < pps_tf[0].tv_nsec) {
 832                         v_nsec = pps_tf[0].tv_nsec;     /* 1 0 2 */
 833                         u_nsec = pps_tf[1].tv_nsec - pps_tf[2].tv_nsec;
 834                 } else {
 835                         v_nsec = pps_tf[2].tv_nsec;     /* 1 2 0 */
 836                         u_nsec = pps_tf[1].tv_nsec - pps_tf[0].tv_nsec;
 837                 }
 838         }
 839
 840         /*
 841          * Nominal jitter is due to PPS signal noise and interrupt
 842          * latency. If it exceeds the popcorn threshold, the sample is
 843          * discarded. otherwise, if so enabled, the time offset is
 844          * updated. We can tolerate a modest loss of data here without
 845          * much degrading time accuracy.
 846          *
 847          * The measurements being checked here were made with the system
 848          * timecounter, so the popcorn threshold is not allowed to fall below
 849          * the number of nanoseconds in two ticks of the timecounter.  For a
 850          * timecounter running faster than 1 GHz the lower bound is 2ns, just
 851          * to avoid a nonsensical threshold of zero.
 852         */
 853         if (u_nsec > lmax(pps_jitter << PPS_POPCORN,
 854             2 * (NANOSECOND / (long)qmin(NANOSECOND, tc_getfrequency())))) {
 855                 time_status |= STA_PPSJITTER;
 856                 pps_jitcnt++;
 857         } else if (time_status & STA_PPSTIME) {
 858                 time_monitor = -v_nsec;
 859                 L_LINT(time_offset, time_monitor);
 860         }
 861         pps_jitter += (u_nsec - pps_jitter) >> PPS_FAVG;
 862         u_sec = pps_tf[0].tv_sec - pps_lastsec;
 863         if (u_sec < (1 << pps_shift))
 864                 goto out;
 865
 866         /*
 867          * At the end of the calibration interval the difference between
 868          * the first and last counter values becomes the scaled
 869          * frequency. It will later be divided by the length of the
 870          * interval to determine the frequency update. If the frequency
 871          * exceeds a sanity threshold, or if the actual calibration
 872          * interval is not equal to the expected length, the data are
 873          * discarded. We can tolerate a modest loss of data here without
 874          * much degrading frequency accuracy.
 875          */
 876         pps_calcnt++;
 877         v_nsec = -pps_fcount;
 878         pps_lastsec = pps_tf[0].tv_sec;
 879         pps_fcount = 0;
 880         u_nsec = MAXFREQ << pps_shift;
 881         if (v_nsec > u_nsec || v_nsec < -u_nsec || u_sec != (1 << pps_shift)) {
 882                 time_status |= STA_PPSERROR;
 883                 pps_errcnt++;
 884                 goto out;
 885         }
 886
 887         /*
 888          * Here the raw frequency offset and wander (stability) is
 889          * calculated. If the wander is less than the wander threshold
 890          * for four consecutive averaging intervals, the interval is
 891          * doubled; if it is greater than the threshold for four
 892          * consecutive intervals, the interval is halved. The scaled
 893          * frequency offset is converted to frequency offset. The
 894          * stability metric is calculated as the average of recent
 895          * frequency changes, but is used only for performance
 896          * monitoring.
 897          */
 898         L_LINT(ftemp, v_nsec);
 899         L_RSHIFT(ftemp, pps_shift);
 900         L_SUB(ftemp, pps_freq);
 901         u_nsec = L_GINT(ftemp);
 902         if (u_nsec > PPS_MAXWANDER) {
 903                 L_LINT(ftemp, PPS_MAXWANDER);
 904                 pps_intcnt--;
 905                 time_status |= STA_PPSWANDER;
 906                 pps_stbcnt++;
 907         } else if (u_nsec < -PPS_MAXWANDER) {
 908                 L_LINT(ftemp, -PPS_MAXWANDER);
 909                 pps_intcnt--;
 910                 time_status |= STA_PPSWANDER;
 911                 pps_stbcnt++;
 912         } else {
 913                 pps_intcnt++;
 914         }
 915         if (pps_intcnt >= 4) {
 916                 pps_intcnt = 4;
 917                 if (pps_shift < pps_shiftmax) {
 918                         pps_shift++;
 919                         pps_intcnt = 0;
 920                 }
 921         } else if (pps_intcnt <= -4 || pps_shift > pps_shiftmax) {
 922                 pps_intcnt = -4;
 923                 if (pps_shift > PPS_FAVG) {
 924                         pps_shift--;
 925                         pps_intcnt = 0;
 926                 }
 927         }
 928         if (u_nsec < 0)
 929                 u_nsec = -u_nsec;
 930         pps_stabil += (u_nsec * SCALE_PPM - pps_stabil) >> PPS_FAVG;
 931
 932         /*
 933          * The PPS frequency is recalculated and clamped to the maximum
 934          * MAXFREQ. If enabled, the system clock frequency is updated as
 935          * well.
 936          */
 937         L_ADD(pps_freq, ftemp);
 938         u_nsec = L_GINT(pps_freq);
 939         if (u_nsec > MAXFREQ)
 940                 L_LINT(pps_freq, MAXFREQ);
 941         else if (u_nsec < -MAXFREQ)
 942                 L_LINT(pps_freq, -MAXFREQ);
 943         if (time_status & STA_PPSFREQ)
 944                 time_freq = pps_freq;
 945
 946 out:
 947         NTP_UNLOCK();
 948 }
 949 #endif /* PPS_SYNC */
 950
 951 #ifndef _SYS_SYSPROTO_H_
 952 struct adjtime_args {
 953         struct timeval *delta;
 954         struct timeval *olddelta;
 955 };
 956 #endif
 957 /* ARGSUSED */
 958 int
 959 sys_adjtime(struct thread *td, struct adjtime_args *uap)
 960 {
 961         struct timeval delta, olddelta, *deltap;
 962         int error;
 963
 964         if (uap->delta) {
 965                 error = copyin(uap->delta, &delta, sizeof(delta));
 966                 if (error)
 967                         return (error);
 968                 deltap = &delta;
 969         } else
 970                 deltap = NULL;
 971         error = kern_adjtime(td, deltap, &olddelta);
 972         if (uap->olddelta && error == 0)
 973                 error = copyout(&olddelta, uap->olddelta, sizeof(olddelta));
 974         return (error);
 975 }
 976
 977 int
 978 kern_adjtime(struct thread *td, struct timeval *delta, struct timeval *olddelta)
 979 {
 980         struct timeval atv;
 981         int64_t ltr, ltw;
 982         int error;
 983
 984         if (delta != NULL) {
 985                 error = priv_check(td, PRIV_ADJTIME);
 986                 if (error != 0)
 987                         return (error);
 988                 ltw = (int64_t)delta->tv_sec * 1000000 + delta->tv_usec;
 989         }
 990         NTP_LOCK();
 991         ltr = time_adjtime;
 992         if (delta != NULL)
 993                 time_adjtime = ltw;
 994         NTP_UNLOCK();
 995         if (olddelta != NULL) {
 996                 atv.tv_sec = ltr / 1000000;
 997                 atv.tv_usec = ltr % 1000000;
 998                 if (atv.tv_usec < 0) {
 999                         atv.tv_usec += 1000000;
1000                         atv.tv_sec--;
1001                 }
1002                 *olddelta = atv;
1003         }
1004         return (0);
1005 }
1006
1007 static struct callout resettodr_callout;
1008 static int resettodr_period = 1800;
1009
1010 static void
1011 periodic_resettodr(void *arg __unused)
1012 {
1013
1014         /*
1015          * Read of time_status is lock-less, which is fine since
1016          * ntp_is_time_error() operates on the consistent read value.
1017          */
1018         if (!ntp_is_time_error(time_status))
1019                 resettodr();
1020         if (resettodr_period > 0)
1021                 callout_schedule(&resettodr_callout, resettodr_period * hz);
1022 }
1023
1024 static void
1025 shutdown_resettodr(void *arg __unused, int howto __unused)
1026 {
1027
1028         callout_drain(&resettodr_callout);
1029         /* Another unlocked read of time_status */
1030         if (resettodr_period > 0 && !ntp_is_time_error(time_status))
1031                 resettodr();
1032 }
1033
1034 static int
1035 sysctl_resettodr_period(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
1036 {
1037         int error;
1038
1039         error = sysctl_handle_int(oidp, oidp->oid_arg1, oidp->oid_arg2, req);
1040         if (error || !req->newptr)
1041                 return (error);
1042         if (cold)
1043                 goto done;
1044         if (resettodr_period == 0)
1045                 callout_stop(&resettodr_callout);
1046         else
1047                 callout_reset(&resettodr_callout, resettodr_period * hz,
1048                     periodic_resettodr, NULL);
1049 done:
1050         return (0);
1051 }
1052
1053 SYSCTL_PROC(_machdep, OID_AUTO, rtc_save_period, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RWTUN |
1054     CTLFLAG_MPSAFE, &resettodr_period, 1800, sysctl_resettodr_period, "I",
1055     "Save system time to RTC with this period (in seconds)");
1056
1057 static void
1058 start_periodic_resettodr(void *arg __unused)
1059 {
1060
1061         EVENTHANDLER_REGISTER(shutdown_pre_sync, shutdown_resettodr, NULL,
1062             SHUTDOWN_PRI_FIRST);
1063         callout_init(&resettodr_callout, 1);
1064         if (resettodr_period == 0)
1065                 return;
1066         callout_reset(&resettodr_callout, resettodr_period * hz,
1067             periodic_resettodr, NULL);
1068 }
1069
1070 SYSINIT(periodic_resettodr, SI_SUB_LAST, SI_ORDER_MIDDLE,
1071         start_periodic_resettodr, NULL);