virtio驅動是如何同設備交互

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irtio是對虛擬化環境下guest kernel中io操作的一種優化。
首先需要說明的是，在內核的角度來看，virtio設備及其driver，和其他設備及驅動一樣，都是普通的設備，并沒有什么特殊性。也就是說，內核并不知道這種io優化的存在。
virtio設備，在系統層面看，就是pci設備。但是，為了提高io效率，對io操作做出了優化。
主要方案是：
1) 當virtio設備輸出數據時，driver將數據送到buffer隊列中(從virtio網卡驅動的代碼來看，此操作無內存拷貝，直接將數據所占的內存 作為buffer添加到隊列中就完成了），然后通過io指令寫設備寄存器(vp_dev->ioaddr + VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY)，以通知虛擬機系統（kvm+qemu）。虛擬機系統捕獲了io指令，就得到了通知，從buffer隊 列中獲取設備輸出的數據。

2) 當需要向virtio設備輸入數據時，虛擬機系統將數據送到buffer隊列中，然后觸發設備中斷。driver收到中斷后，直接從隊列中取出數據即可 (從virtio網卡驅動的代碼來看，隊列中的數據已經不需要再進行內存拷貝，隊列中的數據已經是sk_buff結構了)。

從上面的機制來看，virtio并不是完全沒有了io操作。例如，設備輸出數據時，在將數據送入buffer隊列后，還是執行了io操作，以通知虛擬機系統。但是，這個io操作，并不是將輸出數據寫入設備，而是將數據已入隊這件事，寫入設備。


以上是virtio的大體原理。下面來看看virtio的設計思路。
大體分如下4個層次。


一、buffer隊列


既然virtio通過buffer隊列實現設備輸入輸出。那么，如果每一種設備都來實現一下buffer隊列，不是浪費么？沒錯，virtio考慮到這個 共性需求，因此就實現一個共同的buffer隊列模塊——virtio_ring(一個環型隊列)。但是，如果哪天buffer隊列的實現，需要重新設計 怎么辦？考慮到這一點，再對buffer隊列的操作包裝出一個抽象層——struct virtqueue_ops。每一種buffer隊列的實現，只要提供一個virtqueue_ops結構變量給用戶使用即可。這就實現了隊列操作與隊列 實現的解耦。
struct virtqueue_ops 
{
int (*add_buf)(struct virtqueue *vq,
      struct scatterlist sg[],
      unsigned int out_num,
      unsigned int in_num,
      void *data);


void (*kick)(struct virtqueue *vq);


void *(*get_buf)(struct virtqueue *vq, unsigned int *len);


void (*disable_cb)(struct virtqueue *vq);
bool (*enable_cb)(struct virtqueue *vq);
};




二、pci層
每一個virtio設備（例如：塊設備或網卡），在系統層面看來，都是一個pci設備。這些設備之間，有共性部分，也有差異部分。
1)共性部分：這些設備都需要掛接相應的buffer隊列操作virtqueue_ops，都需要申請若干個buffer隊列，當執行io輸出時，需要向 隊列寫入數據；都需要執行pci_iomap將設備配置寄存器區間映射到內存區間；都需要設置中斷處理；等中斷來了，都需要從隊列讀出數據，并通知虛擬機 系統，數據已入隊。
2) 差異部分：設備中系統中，如何與業務關聯起來。各個設備不相同。例如，網卡在內核中是一個net_device，與協議棧系統關聯起來。同時，向隊列中寫入什么數據，數據的含義如何，各個設備不相同。隊列中來了數據，是什么含義，如何處理，各個設備不相同。


如果每個virtio設備都完整實現自己的功能，又會形成浪費。
針對這個現象，virtio又設計了virtio_pci模塊，以處理所有virtio設備的共性部分。這樣一來，所有的virtio設備，在系統層面看來，都是一個pci設備，其設備驅動都是virtio_pci。
但是，virtio_pci并不能完整的驅動任何一個設備。因此，virtio_pci在probe（接管）每一個設備時，根據每個pci設備的 subsystem vendor/device id來識別出這具體是哪一種virtio設備，然后相應的向內核注冊一個virtio設備。當然，在注冊virtio設備之前，virtio_pci驅動 已經為此設備做了諸多共性的操作。同時，還為設備提供了各種操作的適配接口，例如，一些常用的pci設備操作，還有申請buffer隊列的操作。這些操 作，都通過virtio_config_ops結構變量來適配。

三、virtio驅動
這里講virtio驅動，指的是具體的各個設備的驅動了。例如，網卡或塊設備。有了前面所述的各模塊的工作，virtio各個設備的驅動實現，就相對簡單了。大體來說，除了完成本設備特有的功能以外，剩下的基本就是buffer隊列相關操作了。
那就是申請幾個隊列，并提供相應的回調函數。有數據要輸出，往隊列中送就行了。隊列來數據了，自然會有中斷產生，中斷處理中，自然會觸發回調來處理。

四、virtio_bus
內核中的各種對象，總是有秩序的。為了管理每種具體的virtio驅動及每個具體的virtio設備，干脆搞了一個virtio_bus出來。當然，這個 bus并不存在實際的硬件電路，純粹起個管理與適配作用。就這個管理與適配功能而言，他和pci總線是相似的。全部的virtio driver與virtio device，在virtio_bus中都能夠找到。每當有新的virtio driver或者virtio device注冊到系統中時，系統都會執行一次設備與驅動的匹配操作。

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