6c0ed53848d302336c49369d464f2e519616b7e8
[dragonfly.git] / sys / kern / kern_ntptime.c
1 /***********************************************************************
2  *                                                                     *
3  * Copyright (c) David L. Mills 1993-2001                              *
4  *                                                                     *
5  * Permission to use, copy, modify, and distribute this software and   *
6  * its documentation for any purpose and without fee is hereby         *
7  * granted, provided that the above copyright notice appears in all    *
8  * copies and that both the copyright notice and this permission       *
9  * notice appear in supporting documentation, and that the name        *
10  * University of Delaware not be used in advertising or publicity      *
11  * pertaining to distribution of the software without specific,        *
12  * written prior permission. The University of Delaware makes no       *
13  * representations about the suitability this software for any         *
14  * purpose. It is provided "as is" without express or implied          *
15  * warranty.                                                           *
16  *                                                                     *
17  **********************************************************************/
18
19 /*
20  * Adapted from the original sources for FreeBSD and timecounters by:
21  * Poul-Henning Kamp <phk@FreeBSD.org>.
22  *
23  * The 32bit version of the "LP" macros seems a bit past its "sell by" 
24  * date so I have retained only the 64bit version and included it directly
25  * in this file.
26  *
27  * Only minor changes done to interface with the timecounters over in
28  * sys/kern/kern_clock.c.   Some of the comments below may be (even more)
29  * confusing and/or plain wrong in that context.
30  *
31  * $FreeBSD: src/sys/kern/kern_ntptime.c,v 1.32.2.2 2001/04/22 11:19:46 jhay Exp $
32  * $DragonFly: src/sys/kern/kern_ntptime.c,v 1.5 2003/07/24 01:41:25 dillon Exp $
33  */
34
35 #include "opt_ntp.h"
36
37 #include <sys/param.h>
38 #include <sys/systm.h>
39 #include <sys/sysproto.h>
40 #include <sys/kernel.h>
41 #include <sys/proc.h>
42 #include <sys/time.h>
43 #include <sys/timex.h>
44 #include <sys/timepps.h>
45 #include <sys/sysctl.h>
46
47 /*
48  * Single-precision macros for 64-bit machines
49  */
50 typedef long long l_fp;
51 #define L_ADD(v, u)     ((v) += (u))
52 #define L_SUB(v, u)     ((v) -= (u))
53 #define L_ADDHI(v, a)   ((v) += (long long)(a) << 32)
54 #define L_NEG(v)        ((v) = -(v))
55 #define L_RSHIFT(v, n) \
56         do { \
57                 if ((v) < 0) \
58                         (v) = -(-(v) >> (n)); \
59                 else \
60                         (v) = (v) >> (n); \
61         } while (0)
62 #define L_MPY(v, a)     ((v) *= (a))
63 #define L_CLR(v)        ((v) = 0)
64 #define L_ISNEG(v)      ((v) < 0)
65 #define L_LINT(v, a)    ((v) = (long long)(a) << 32)
66 #define L_GINT(v)       ((v) < 0 ? -(-(v) >> 32) : (v) >> 32)
67
68 /*
69  * Generic NTP kernel interface
70  *
71  * These routines constitute the Network Time Protocol (NTP) interfaces
72  * for user and daemon application programs. The ntp_gettime() routine
73  * provides the time, maximum error (synch distance) and estimated error
74  * (dispersion) to client user application programs. The ntp_adjtime()
75  * routine is used by the NTP daemon to adjust the system clock to an
76  * externally derived time. The time offset and related variables set by
77  * this routine are used by other routines in this module to adjust the
78  * phase and frequency of the clock discipline loop which controls the
79  * system clock.
80  *
81  * When the kernel time is reckoned directly in nanoseconds (NTP_NANO
82  * defined), the time at each tick interrupt is derived directly from
83  * the kernel time variable. When the kernel time is reckoned in
84  * microseconds, (NTP_NANO undefined), the time is derived from the
85  * kernel time variable together with a variable representing the
86  * leftover nanoseconds at the last tick interrupt. In either case, the
87  * current nanosecond time is reckoned from these values plus an
88  * interpolated value derived by the clock routines in another
89  * architecture-specific module. The interpolation can use either a
90  * dedicated counter or a processor cycle counter (PCC) implemented in
91  * some architectures.
92  *
93  * Note that all routines must run at priority splclock or higher.
94  */
95 /*
96  * Phase/frequency-lock loop (PLL/FLL) definitions
97  *
98  * The nanosecond clock discipline uses two variable types, time
99  * variables and frequency variables. Both types are represented as 64-
100  * bit fixed-point quantities with the decimal point between two 32-bit
101  * halves. On a 32-bit machine, each half is represented as a single
102  * word and mathematical operations are done using multiple-precision
103  * arithmetic. On a 64-bit machine, ordinary computer arithmetic is
104  * used.
105  *
106  * A time variable is a signed 64-bit fixed-point number in ns and
107  * fraction. It represents the remaining time offset to be amortized
108  * over succeeding tick interrupts. The maximum time offset is about
109  * 0.5 s and the resolution is about 2.3e-10 ns.
110  *
111  *                      1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
112  *  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
113  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
114  * |s s s|                       ns                                |
115  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
116  * |                        fraction                               |
117  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
118  *
119  * A frequency variable is a signed 64-bit fixed-point number in ns/s
120  * and fraction. It represents the ns and fraction to be added to the
121  * kernel time variable at each second. The maximum frequency offset is
122  * about +-500000 ns/s and the resolution is about 2.3e-10 ns/s.
123  *
124  *                      1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
125  *  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
126  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
127  * |s s s s s s s s s s s s s|            ns/s                     |
128  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
129  * |                        fraction                               |
130  * +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
131  */
132 /*
133  * The following variables establish the state of the PLL/FLL and the
134  * residual time and frequency offset of the local clock.
135  */
136 #define SHIFT_PLL       4               /* PLL loop gain (shift) */
137 #define SHIFT_FLL       2               /* FLL loop gain (shift) */
138
139 static int time_state = TIME_OK;        /* clock state */
140 static int time_status = STA_UNSYNC;    /* clock status bits */
141 static long time_tai;                   /* TAI offset (s) */
142 static long time_monitor;               /* last time offset scaled (ns) */
143 static long time_constant;              /* poll interval (shift) (s) */
144 static long time_precision = 1;         /* clock precision (ns) */
145 static long time_maxerror = MAXPHASE / 1000; /* maximum error (us) */
146 static long time_esterror = MAXPHASE / 1000; /* estimated error (us) */
147 static long time_reftime;               /* time at last adjustment (s) */
148 static long time_tick;                  /* nanoseconds per tick (ns) */
149 static l_fp time_offset;                /* time offset (ns) */
150 static l_fp time_freq;                  /* frequency offset (ns/s) */
151 static l_fp time_adj;                   /* tick adjust (ns/s) */
152
153 #ifdef PPS_SYNC
154 /*
155  * The following variables are used when a pulse-per-second (PPS) signal
156  * is available and connected via a modem control lead. They establish
157  * the engineering parameters of the clock discipline loop when
158  * controlled by the PPS signal.
159  */
160 #define PPS_FAVG        2               /* min freq avg interval (s) (shift) */
161 #define PPS_FAVGDEF     8               /* default freq avg int (s) (shift) */
162 #define PPS_FAVGMAX     15              /* max freq avg interval (s) (shift) */
163 #define PPS_PAVG        4               /* phase avg interval (s) (shift) */
164 #define PPS_VALID       120             /* PPS signal watchdog max (s) */
165 #define PPS_MAXWANDER   100000          /* max PPS wander (ns/s) */
166 #define PPS_POPCORN     2               /* popcorn spike threshold (shift) */
167
168 static struct timespec pps_tf[3];       /* phase median filter */
169 static l_fp pps_freq;                   /* scaled frequency offset (ns/s) */
170 static long pps_fcount;                 /* frequency accumulator */
171 static long pps_jitter;                 /* nominal jitter (ns) */
172 static long pps_stabil;                 /* nominal stability (scaled ns/s) */
173 static long pps_lastsec;                /* time at last calibration (s) */
174 static int pps_valid;                   /* signal watchdog counter */
175 static int pps_shift = PPS_FAVG;        /* interval duration (s) (shift) */
176 static int pps_shiftmax = PPS_FAVGDEF;  /* max interval duration (s) (shift) */
177 static int pps_intcnt;                  /* wander counter */
178
179 /*
180  * PPS signal quality monitors
181  */
182 static long pps_calcnt;                 /* calibration intervals */
183 static long pps_jitcnt;                 /* jitter limit exceeded */
184 static long pps_stbcnt;                 /* stability limit exceeded */
185 static long pps_errcnt;                 /* calibration errors */
186 #endif /* PPS_SYNC */
187 /*
188  * End of phase/frequency-lock loop (PLL/FLL) definitions
189  */
190
191 static void ntp_init(void);
192 static void hardupdate(long offset);
193
194 /*
195  * ntp_gettime() - NTP user application interface
196  *
197  * See the timex.h header file for synopsis and API description. Note
198  * that the TAI offset is returned in the ntvtimeval.tai structure
199  * member.
200  */
201 static int
202 ntp_sysctl(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
203 {
204         struct ntptimeval ntv;  /* temporary structure */
205         struct timespec atv;    /* nanosecond time */
206
207         nanotime(&atv);
208         ntv.time.tv_sec = atv.tv_sec;
209         ntv.time.tv_nsec = atv.tv_nsec;
210         ntv.maxerror = time_maxerror;
211         ntv.esterror = time_esterror;
212         ntv.tai = time_tai;
213         ntv.time_state = time_state;
214
215         /*
216          * Status word error decode. If any of these conditions occur,
217          * an error is returned, instead of the status word. Most
218          * applications will care only about the fact the system clock
219          * may not be trusted, not about the details.
220          *
221          * Hardware or software error
222          */
223         if ((time_status & (STA_UNSYNC | STA_CLOCKERR)) ||
224
225         /*
226          * PPS signal lost when either time or frequency synchronization
227          * requested
228          */
229             (time_status & (STA_PPSFREQ | STA_PPSTIME) &&
230             !(time_status & STA_PPSSIGNAL)) ||
231
232         /*
233          * PPS jitter exceeded when time synchronization requested
234          */
235             (time_status & STA_PPSTIME &&
236             time_status & STA_PPSJITTER) ||
237
238         /*
239          * PPS wander exceeded or calibration error when frequency
240          * synchronization requested
241          */
242             (time_status & STA_PPSFREQ &&
243             time_status & (STA_PPSWANDER | STA_PPSERROR)))
244                 ntv.time_state = TIME_ERROR;
245         return (sysctl_handle_opaque(oidp, &ntv, sizeof ntv, req));
246 }
247
248 SYSCTL_NODE(_kern, OID_AUTO, ntp_pll, CTLFLAG_RW, 0, "");
249 SYSCTL_PROC(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, gettime, CTLTYPE_OPAQUE|CTLFLAG_RD,
250         0, sizeof(struct ntptimeval) , ntp_sysctl, "S,ntptimeval", "");
251
252 #ifdef PPS_SYNC
253 SYSCTL_INT(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, pps_shiftmax, CTLFLAG_RW, &pps_shiftmax, 0, "");
254 SYSCTL_INT(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, pps_shift, CTLFLAG_RW, &pps_shift, 0, "");
255 SYSCTL_INT(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, time_monitor, CTLFLAG_RD, &time_monitor, 0, "");
256
257 SYSCTL_OPAQUE(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, pps_freq, CTLFLAG_RD, &pps_freq, sizeof(pps_freq), "I", "");
258 SYSCTL_OPAQUE(_kern_ntp_pll, OID_AUTO, time_freq, CTLFLAG_RD, &time_freq, sizeof(time_freq), "I", "");
259 #endif
260 /*
261  * ntp_adjtime() - NTP daemon application interface
262  *
263  * See the timex.h header file for synopsis and API description. Note
264  * that the timex.constant structure member has a dual purpose to set
265  * the time constant and to set the TAI offset.
266  */
267 int
268 ntp_adjtime(struct ntp_adjtime_args *uap)
269 {
270         struct thread *td = curthread;
271         struct timex ntv;       /* temporary structure */
272         long freq;              /* frequency ns/s) */
273         int modes;              /* mode bits from structure */
274         int s;                  /* caller priority */
275         int error;
276
277         error = copyin((caddr_t)uap->tp, (caddr_t)&ntv, sizeof(ntv));
278         if (error)
279                 return(error);
280
281         /*
282          * Update selected clock variables - only the superuser can
283          * change anything. Note that there is no error checking here on
284          * the assumption the superuser should know what it is doing.
285          * Note that either the time constant or TAI offset are loaded
286          * from the ntv.constant member, depending on the mode bits. If
287          * the STA_PLL bit in the status word is cleared, the state and
288          * status words are reset to the initial values at boot.
289          */
290         modes = ntv.modes;
291         if (modes)
292                 error = suser(td);
293         if (error)
294                 return (error);
295         s = splclock();
296         if (modes & MOD_MAXERROR)
297                 time_maxerror = ntv.maxerror;
298         if (modes & MOD_ESTERROR)
299                 time_esterror = ntv.esterror;
300         if (modes & MOD_STATUS) {
301                 if (time_status & STA_PLL && !(ntv.status & STA_PLL)) {
302                         time_state = TIME_OK;
303                         time_status = STA_UNSYNC;
304 #ifdef PPS_SYNC
305                         pps_shift = PPS_FAVG;
306 #endif /* PPS_SYNC */
307                 }
308                 time_status &= STA_RONLY;
309                 time_status |= ntv.status & ~STA_RONLY;
310         }
311         if (modes & MOD_TIMECONST) {
312                 if (ntv.constant < 0)
313                         time_constant = 0;
314                 else if (ntv.constant > MAXTC)
315                         time_constant = MAXTC;
316                 else
317                         time_constant = ntv.constant;
318         }
319         if (modes & MOD_TAI) {
320                 if (ntv.constant > 0) /* XXX zero & negative numbers ? */
321                         time_tai = ntv.constant;
322         }
323 #ifdef PPS_SYNC
324         if (modes & MOD_PPSMAX) {
325                 if (ntv.shift < PPS_FAVG)
326                         pps_shiftmax = PPS_FAVG;
327                 else if (ntv.shift > PPS_FAVGMAX)
328                         pps_shiftmax = PPS_FAVGMAX;
329                 else
330                         pps_shiftmax = ntv.shift;
331         }
332 #endif /* PPS_SYNC */
333         if (modes & MOD_NANO)
334                 time_status |= STA_NANO;
335         if (modes & MOD_MICRO)
336                 time_status &= ~STA_NANO;
337         if (modes & MOD_CLKB)
338                 time_status |= STA_CLK;
339         if (modes & MOD_CLKA)
340                 time_status &= ~STA_CLK;
341         if (modes & MOD_OFFSET) {
342                 if (time_status & STA_NANO)
343                         hardupdate(ntv.offset);
344                 else
345                         hardupdate(ntv.offset * 1000);
346         }
347         if (modes & MOD_FREQUENCY) {
348                 freq = (ntv.freq * 1000LL) >> 16;
349                 if (freq > MAXFREQ)
350                         L_LINT(time_freq, MAXFREQ);
351                 else if (freq < -MAXFREQ)
352                         L_LINT(time_freq, -MAXFREQ);
353                 else
354                         L_LINT(time_freq, freq);
355 #ifdef PPS_SYNC
356                 pps_freq = time_freq;
357 #endif /* PPS_SYNC */
358         }
359
360         /*
361          * Retrieve all clock variables. Note that the TAI offset is
362          * returned only by ntp_gettime();
363          */
364         if (time_status & STA_NANO)
365                 ntv.offset = time_monitor;
366         else
367                 ntv.offset = time_monitor / 1000; /* XXX rounding ? */
368         ntv.freq = L_GINT((time_freq / 1000LL) << 16);
369         ntv.maxerror = time_maxerror;
370         ntv.esterror = time_esterror;
371         ntv.status = time_status;
372         ntv.constant = time_constant;
373         if (time_status & STA_NANO)
374                 ntv.precision = time_precision;
375         else
376                 ntv.precision = time_precision / 1000;
377         ntv.tolerance = MAXFREQ * SCALE_PPM;
378 #ifdef PPS_SYNC
379         ntv.shift = pps_shift;
380         ntv.ppsfreq = L_GINT((pps_freq / 1000LL) << 16);
381         if (time_status & STA_NANO)
382                 ntv.jitter = pps_jitter;
383         else
384                 ntv.jitter = pps_jitter / 1000;
385         ntv.stabil = pps_stabil;
386         ntv.calcnt = pps_calcnt;
387         ntv.errcnt = pps_errcnt;
388         ntv.jitcnt = pps_jitcnt;
389         ntv.stbcnt = pps_stbcnt;
390 #endif /* PPS_SYNC */
391         splx(s);
392
393         error = copyout((caddr_t)&ntv, (caddr_t)uap->tp, sizeof(ntv));
394         if (error)
395                 return (error);
396
397         /*
398          * Status word error decode. See comments in
399          * ntp_gettime() routine.
400          */
401         if ((time_status & (STA_UNSYNC | STA_CLOCKERR)) ||
402             (time_status & (STA_PPSFREQ | STA_PPSTIME) &&
403             !(time_status & STA_PPSSIGNAL)) ||
404             (time_status & STA_PPSTIME &&
405             time_status & STA_PPSJITTER) ||
406             (time_status & STA_PPSFREQ &&
407             time_status & (STA_PPSWANDER | STA_PPSERROR)))
408                 curproc->p_retval[0] = TIME_ERROR;
409         else
410                 curproc->p_retval[0] = time_state;
411         return (error);
412 }
413
414 /*
415  * second_overflow() - called after ntp_tick_adjust()
416  *
417  * This routine is ordinarily called immediately following the above
418  * routine ntp_tick_adjust(). While these two routines are normally
419  * combined, they are separated here only for the purposes of
420  * simulation.
421  */
422 void
423 ntp_update_second(struct timecounter *tcp)
424 {
425         u_int32_t *newsec;
426         l_fp ftemp;             /* 32/64-bit temporary */
427
428         newsec = &tcp->tc_offset_sec;
429         /*
430          * On rollover of the second both the nanosecond and microsecond
431          * clocks are updated and the state machine cranked as
432          * necessary. The phase adjustment to be used for the next
433          * second is calculated and the maximum error is increased by
434          * the tolerance.
435          */
436         time_maxerror += MAXFREQ / 1000;
437
438         /*
439          * Leap second processing. If in leap-insert state at
440          * the end of the day, the system clock is set back one
441          * second; if in leap-delete state, the system clock is
442          * set ahead one second. The nano_time() routine or
443          * external clock driver will insure that reported time
444          * is always monotonic.
445          */
446         switch (time_state) {
447
448                 /*
449                  * No warning.
450                  */
451                 case TIME_OK:
452                 if (time_status & STA_INS)
453                         time_state = TIME_INS;
454                 else if (time_status & STA_DEL)
455                         time_state = TIME_DEL;
456                 break;
457
458                 /*
459                  * Insert second 23:59:60 following second
460                  * 23:59:59.
461                  */
462                 case TIME_INS:
463                 if (!(time_status & STA_INS))
464                         time_state = TIME_OK;
465                 else if ((*newsec) % 86400 == 0) {
466                         (*newsec)--;
467                         time_state = TIME_OOP;
468                 }
469                 break;
470
471                 /*
472                  * Delete second 23:59:59.
473                  */
474                 case TIME_DEL:
475                 if (!(time_status & STA_DEL))
476                         time_state = TIME_OK;
477                 else if (((*newsec) + 1) % 86400 == 0) {
478                         (*newsec)++;
479                         time_tai--;
480                         time_state = TIME_WAIT;
481                 }
482                 break;
483
484                 /*
485                  * Insert second in progress.
486                  */
487                 case TIME_OOP:
488                         time_tai++;
489                         time_state = TIME_WAIT;
490                 break;
491
492                 /*
493                  * Wait for status bits to clear.
494                  */
495                 case TIME_WAIT:
496                 if (!(time_status & (STA_INS | STA_DEL)))
497                         time_state = TIME_OK;
498         }
499
500         /*
501          * Compute the total time adjustment for the next second
502          * in ns. The offset is reduced by a factor depending on
503          * whether the PPS signal is operating. Note that the
504          * value is in effect scaled by the clock frequency,
505          * since the adjustment is added at each tick interrupt.
506          */
507         ftemp = time_offset;
508 #ifdef PPS_SYNC
509         /* XXX even if PPS signal dies we should finish adjustment ? */
510         if (time_status & STA_PPSTIME && time_status &
511             STA_PPSSIGNAL)
512                 L_RSHIFT(ftemp, pps_shift);
513         else
514                 L_RSHIFT(ftemp, SHIFT_PLL + time_constant);
515 #else
516                 L_RSHIFT(ftemp, SHIFT_PLL + time_constant);
517 #endif /* PPS_SYNC */
518         time_adj = ftemp;
519         L_SUB(time_offset, ftemp);
520         L_ADD(time_adj, time_freq);
521         tcp->tc_adjustment = time_adj;
522 #ifdef PPS_SYNC
523         if (pps_valid > 0)
524                 pps_valid--;
525         else
526                 time_status &= ~STA_PPSSIGNAL;
527 #endif /* PPS_SYNC */
528 }
529
530 /*
531  * ntp_init() - initialize variables and structures
532  *
533  * This routine must be called after the kernel variables hz and tick
534  * are set or changed and before the next tick interrupt. In this
535  * particular implementation, these values are assumed set elsewhere in
536  * the kernel. The design allows the clock frequency and tick interval
537  * to be changed while the system is running. So, this routine should
538  * probably be integrated with the code that does that.
539  */
540 static void
541 ntp_init()
542 {
543
544         /*
545          * The following variable must be initialized any time the
546          * kernel variable hz is changed.
547          */
548         time_tick = NANOSECOND / hz;
549
550         /*
551          * The following variables are initialized only at startup. Only
552          * those structures not cleared by the compiler need to be
553          * initialized, and these only in the simulator. In the actual
554          * kernel, any nonzero values here will quickly evaporate.
555          */
556         L_CLR(time_offset);
557         L_CLR(time_freq);
558 #ifdef PPS_SYNC
559         pps_tf[0].tv_sec = pps_tf[0].tv_nsec = 0;
560         pps_tf[1].tv_sec = pps_tf[1].tv_nsec = 0;
561         pps_tf[2].tv_sec = pps_tf[2].tv_nsec = 0;
562         pps_fcount = 0;
563         L_CLR(pps_freq);
564 #endif /* PPS_SYNC */      
565 }
566
567 SYSINIT(ntpclocks, SI_SUB_CLOCKS, SI_ORDER_FIRST, ntp_init, NULL)
568
569 /*
570  * hardupdate() - local clock update
571  *
572  * This routine is called by ntp_adjtime() to update the local clock
573  * phase and frequency. The implementation is of an adaptive-parameter,
574  * hybrid phase/frequency-lock loop (PLL/FLL). The routine computes new
575  * time and frequency offset estimates for each call. If the kernel PPS
576  * discipline code is configured (PPS_SYNC), the PPS signal itself
577  * determines the new time offset, instead of the calling argument.
578  * Presumably, calls to ntp_adjtime() occur only when the caller
579  * believes the local clock is valid within some bound (+-128 ms with
580  * NTP). If the caller's time is far different than the PPS time, an
581  * argument will ensue, and it's not clear who will lose.
582  *
583  * For uncompensated quartz crystal oscillators and nominal update
584  * intervals less than 256 s, operation should be in phase-lock mode,
585  * where the loop is disciplined to phase. For update intervals greater
586  * than 1024 s, operation should be in frequency-lock mode, where the
587  * loop is disciplined to frequency. Between 256 s and 1024 s, the mode
588  * is selected by the STA_MODE status bit.
589  */
590 static void
591 hardupdate(offset)
592         long offset;            /* clock offset (ns) */
593 {
594         long mtemp;
595         l_fp ftemp;
596
597         /*
598          * Select how the phase is to be controlled and from which
599          * source. If the PPS signal is present and enabled to
600          * discipline the time, the PPS offset is used; otherwise, the
601          * argument offset is used.
602          */
603         if (!(time_status & STA_PLL))
604                 return;
605         if (!(time_status & STA_PPSTIME && time_status &
606             STA_PPSSIGNAL)) {
607                 if (offset > MAXPHASE)
608                         time_monitor = MAXPHASE;
609                 else if (offset < -MAXPHASE)
610                         time_monitor = -MAXPHASE;
611                 else
612                         time_monitor = offset;
613                 L_LINT(time_offset, time_monitor);
614         }
615
616         /*
617          * Select how the frequency is to be controlled and in which
618          * mode (PLL or FLL). If the PPS signal is present and enabled
619          * to discipline the frequency, the PPS frequency is used;
620          * otherwise, the argument offset is used to compute it.
621          */
622         if (time_status & STA_PPSFREQ && time_status & STA_PPSSIGNAL) {
623                 time_reftime = time_second;
624                 return;
625         }
626         if (time_status & STA_FREQHOLD || time_reftime == 0)
627                 time_reftime = time_second;
628         mtemp = time_second - time_reftime;
629         L_LINT(ftemp, time_monitor);
630         L_RSHIFT(ftemp, (SHIFT_PLL + 2 + time_constant) << 1);
631         L_MPY(ftemp, mtemp);
632         L_ADD(time_freq, ftemp);
633         time_status &= ~STA_MODE;
634         if (mtemp >= MINSEC && (time_status & STA_FLL || mtemp >
635             MAXSEC)) {
636                 L_LINT(ftemp, (time_monitor << 4) / mtemp);
637                 L_RSHIFT(ftemp, SHIFT_FLL + 4);
638                 L_ADD(time_freq, ftemp);
639                 time_status |= STA_MODE;
640         }
641         time_reftime = time_second;
642         if (L_GINT(time_freq) > MAXFREQ)
643                 L_LINT(time_freq, MAXFREQ);
644         else if (L_GINT(time_freq) < -MAXFREQ)
645                 L_LINT(time_freq, -MAXFREQ);
646 }
647
648 #ifdef PPS_SYNC
649 /*
650  * hardpps() - discipline CPU clock oscillator to external PPS signal
651  *
652  * This routine is called at each PPS interrupt in order to discipline
653  * the CPU clock oscillator to the PPS signal. There are two independent
654  * first-order feedback loops, one for the phase, the other for the
655  * frequency. The phase loop measures and grooms the PPS phase offset
656  * and leaves it in a handy spot for the seconds overflow routine. The
657  * frequency loop averages successive PPS phase differences and
658  * calculates the PPS frequency offset, which is also processed by the
659  * seconds overflow routine. The code requires the caller to capture the
660  * time and architecture-dependent hardware counter values in
661  * nanoseconds at the on-time PPS signal transition.
662  *
663  * Note that, on some Unix systems this routine runs at an interrupt
664  * priority level higher than the timer interrupt routine hardclock().
665  * Therefore, the variables used are distinct from the hardclock()
666  * variables, except for the actual time and frequency variables, which
667  * are determined by this routine and updated atomically.
668  */
669 void
670 hardpps(tsp, nsec)
671         struct timespec *tsp;   /* time at PPS */
672         long nsec;              /* hardware counter at PPS */
673 {
674         long u_sec, u_nsec, v_nsec; /* temps */
675         l_fp ftemp;
676
677         /*
678          * The signal is first processed by a range gate and frequency
679          * discriminator. The range gate rejects noise spikes outside
680          * the range +-500 us. The frequency discriminator rejects input
681          * signals with apparent frequency outside the range 1 +-500
682          * PPM. If two hits occur in the same second, we ignore the
683          * later hit; if not and a hit occurs outside the range gate,
684          * keep the later hit for later comparison, but do not process
685          * it.
686          */
687         time_status |= STA_PPSSIGNAL | STA_PPSJITTER;
688         time_status &= ~(STA_PPSWANDER | STA_PPSERROR);
689         pps_valid = PPS_VALID;
690         u_sec = tsp->tv_sec;
691         u_nsec = tsp->tv_nsec;
692         if (u_nsec >= (NANOSECOND >> 1)) {
693                 u_nsec -= NANOSECOND;
694                 u_sec++;
695         }
696         v_nsec = u_nsec - pps_tf[0].tv_nsec;
697         if (u_sec == pps_tf[0].tv_sec && v_nsec < NANOSECOND -
698             MAXFREQ)
699                 return;
700         pps_tf[2] = pps_tf[1];
701         pps_tf[1] = pps_tf[0];
702         pps_tf[0].tv_sec = u_sec;
703         pps_tf[0].tv_nsec = u_nsec;
704
705         /*
706          * Compute the difference between the current and previous
707          * counter values. If the difference exceeds 0.5 s, assume it
708          * has wrapped around, so correct 1.0 s. If the result exceeds
709          * the tick interval, the sample point has crossed a tick
710          * boundary during the last second, so correct the tick. Very
711          * intricate.
712          */
713         u_nsec = nsec;
714         if (u_nsec > (NANOSECOND >> 1))
715                 u_nsec -= NANOSECOND;
716         else if (u_nsec < -(NANOSECOND >> 1))
717                 u_nsec += NANOSECOND;
718         pps_fcount += u_nsec;
719         if (v_nsec > MAXFREQ || v_nsec < -MAXFREQ)
720                 return;
721         time_status &= ~STA_PPSJITTER;
722
723         /*
724          * A three-stage median filter is used to help denoise the PPS
725          * time. The median sample becomes the time offset estimate; the
726          * difference between the other two samples becomes the time
727          * dispersion (jitter) estimate.
728          */
729         if (pps_tf[0].tv_nsec > pps_tf[1].tv_nsec) {
730                 if (pps_tf[1].tv_nsec > pps_tf[2].tv_nsec) {
731                         v_nsec = pps_tf[1].tv_nsec;     /* 0 1 2 */
732                         u_nsec = pps_tf[0].tv_nsec - pps_tf[2].tv_nsec;
733                 } else if (pps_tf[2].tv_nsec > pps_tf[0].tv_nsec) {
734                         v_nsec = pps_tf[0].tv_nsec;     /* 2 0 1 */
735                         u_nsec = pps_tf[2].tv_nsec - pps_tf[1].tv_nsec;
736                 } else {
737                         v_nsec = pps_tf[2].tv_nsec;     /* 0 2 1 */
738                         u_nsec = pps_tf[0].tv_nsec - pps_tf[1].tv_nsec;
739                 }
740         } else {
741                 if (pps_tf[1].tv_nsec < pps_tf[2].tv_nsec) {
742                         v_nsec = pps_tf[1].tv_nsec;     /* 2 1 0 */
743                         u_nsec = pps_tf[2].tv_nsec - pps_tf[0].tv_nsec;
744                 } else if (pps_tf[2].tv_nsec < pps_tf[0].tv_nsec) {
745                         v_nsec = pps_tf[0].tv_nsec;     /* 1 0 2 */
746                         u_nsec = pps_tf[1].tv_nsec - pps_tf[2].tv_nsec;
747                 } else {
748                         v_nsec = pps_tf[2].tv_nsec;     /* 1 2 0 */
749                         u_nsec = pps_tf[1].tv_nsec - pps_tf[0].tv_nsec;
750                 }
751         }
752
753         /*
754          * Nominal jitter is due to PPS signal noise and interrupt
755          * latency. If it exceeds the popcorn threshold, the sample is
756          * discarded. otherwise, if so enabled, the time offset is
757          * updated. We can tolerate a modest loss of data here without
758          * much degrading time accuracy.
759          */
760         if (u_nsec > (pps_jitter << PPS_POPCORN)) {
761                 time_status |= STA_PPSJITTER;
762                 pps_jitcnt++;
763         } else if (time_status & STA_PPSTIME) {
764                 time_monitor = -v_nsec;
765                 L_LINT(time_offset, time_monitor);
766         }
767         pps_jitter += (u_nsec - pps_jitter) >> PPS_FAVG;
768         u_sec = pps_tf[0].tv_sec - pps_lastsec;
769         if (u_sec < (1 << pps_shift))
770                 return;
771
772         /*
773          * At the end of the calibration interval the difference between
774          * the first and last counter values becomes the scaled
775          * frequency. It will later be divided by the length of the
776          * interval to determine the frequency update. If the frequency
777          * exceeds a sanity threshold, or if the actual calibration
778          * interval is not equal to the expected length, the data are
779          * discarded. We can tolerate a modest loss of data here without
780          * much degrading frequency accuracy.
781          */
782         pps_calcnt++;
783         v_nsec = -pps_fcount;
784         pps_lastsec = pps_tf[0].tv_sec;
785         pps_fcount = 0;
786         u_nsec = MAXFREQ << pps_shift;
787         if (v_nsec > u_nsec || v_nsec < -u_nsec || u_sec != (1 <<
788             pps_shift)) {
789                 time_status |= STA_PPSERROR;
790                 pps_errcnt++;
791                 return;
792         }
793
794         /*
795          * Here the raw frequency offset and wander (stability) is
796          * calculated. If the wander is less than the wander threshold
797          * for four consecutive averaging intervals, the interval is
798          * doubled; if it is greater than the threshold for four
799          * consecutive intervals, the interval is halved. The scaled
800          * frequency offset is converted to frequency offset. The
801          * stability metric is calculated as the average of recent
802          * frequency changes, but is used only for performance
803          * monitoring.
804          */
805         L_LINT(ftemp, v_nsec);
806         L_RSHIFT(ftemp, pps_shift);
807         L_SUB(ftemp, pps_freq);
808         u_nsec = L_GINT(ftemp);
809         if (u_nsec > PPS_MAXWANDER) {
810                 L_LINT(ftemp, PPS_MAXWANDER);
811                 pps_intcnt--;
812                 time_status |= STA_PPSWANDER;
813                 pps_stbcnt++;
814         } else if (u_nsec < -PPS_MAXWANDER) {
815                 L_LINT(ftemp, -PPS_MAXWANDER);
816                 pps_intcnt--;
817                 time_status |= STA_PPSWANDER;
818                 pps_stbcnt++;
819         } else {
820                 pps_intcnt++;
821         }
822         if (pps_intcnt >= 4) {
823                 pps_intcnt = 4;
824                 if (pps_shift < pps_shiftmax) {
825                         pps_shift++;
826                         pps_intcnt = 0;
827                 }
828         } else if (pps_intcnt <= -4 || pps_shift > pps_shiftmax) {
829                 pps_intcnt = -4;
830                 if (pps_shift > PPS_FAVG) {
831                         pps_shift--;
832                         pps_intcnt = 0;
833                 }
834         }
835         if (u_nsec < 0)
836                 u_nsec = -u_nsec;
837         pps_stabil += (u_nsec * SCALE_PPM - pps_stabil) >> PPS_FAVG;
838
839         /*
840          * The PPS frequency is recalculated and clamped to the maximum
841          * MAXFREQ. If enabled, the system clock frequency is updated as
842          * well.
843          */
844         L_ADD(pps_freq, ftemp);
845         u_nsec = L_GINT(pps_freq);
846         if (u_nsec > MAXFREQ)
847                 L_LINT(pps_freq, MAXFREQ);
848         else if (u_nsec < -MAXFREQ)
849                 L_LINT(pps_freq, -MAXFREQ);
850         if (time_status & STA_PPSFREQ)
851                 time_freq = pps_freq;
852 }
853 #endif /* PPS_SYNC */