virtio驱动是如何同设备交互

共计 2569 个字符，预计需要花费 7 分钟才能阅读完成。

这篇文章将为大家详细讲解有关 virtio 驱动是如何同设备交互，文章内容质量较高，因此丸趣 TV 小编分享给大家做个参考，希望大家阅读完这篇文章后对相关知识有一定的了解。

irtio 是对虚拟化环境下 guest kernel 中 io 操作的一种优化。
首先需要说明的是，在内核的角度来看，virtio 设备及其 driver，和其他设备及驱动一样，都是普通的设备，并没有什么特殊性。也就是说，内核并不知道这种 io 优化的存在。
virtio 设备，在系统层面看，就是 pci 设备。但是，为了提高 io 效率，对 io 操作做出了优化。
主要方案是：
1) 当 virtio 设备输出数据时，driver 将数据送到 buffer 队列中(从 virtio 网卡驱动的代码来看，此操作无内存拷贝，直接将数据所占的内存 作为 buffer 添加到队列中就完成了），然后通过 io 指令写设备寄存器(vp_dev- ioaddr + VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY)，以通知虚拟机系统（kvm+qemu）。虚拟机系统捕获了 io 指令，就得到了通知，从 buffer 队 列中获取设备输出的数据。

2) 当需要向 virtio 设备输入数据时，虚拟机系统将数据送到 buffer 队列中，然后触发设备中断。driver 收到中断后，直接从队列中取出数据即可 (从 virtio 网卡驱动的代码来看，队列中的数据已经不需要再进行内存拷贝，队列中的数据已经是 sk_buff 结构了)。

从上面的机制来看，virtio 并不是完全没有了 io 操作。例如，设备输出数据时，在将数据送入 buffer 队列后，还是执行了 io 操作，以通知虚拟机系统。但是，这个 io 操作，并不是将输出数据写入设备，而是将数据已入队这件事，写入设备。

以上是 virtio 的大体原理。下面来看看 virtio 的设计思路。
大体分如下 4 个层次。

一、buffer 队列

既然 virtio 通过 buffer 队列实现设备输入输出。那么，如果每一种设备都来实现一下 buffer 队列，不是浪费么？没错，virtio 考虑到这个 共性需求，因此就实现一个共同的 buffer 队列模块——virtio_ring(一个环型队列)。但是，如果哪天 buffer 队列的实现，需要重新设计 怎么办？考虑到这一点，再对 buffer 队列的操作包装出一个抽象层——struct virtqueue_ops。每一种 buffer 队列的实现，只要提供一个 virtqueue_ops 结构变量给用户使用即可。这就实现了队列操作与队列 实现的解耦。
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 层
每一个 virtio 设备（例如：块设备或网卡），在系统层面看来，都是一个 pci 设备。这些设备之间，有共性部分，也有差异部分。
1) 共性部分：这些设备都需要挂接相应的 buffer 队列操作 virtqueue_ops，都需要申请若干个 buffer 队列，当执行 io 输出时，需要向 队列写入数据；都需要执行 pci_iomap 将设备配置寄存器区间映射到内存区间；都需要设置中断处理；等中断来了，都需要从队列读出数据，并通知虚拟机 系统，数据已入队。
2) 差异部分：设备中系统中，如何与业务关联起来。各个设备不相同。例如，网卡在内核中是一个 net_device，与协议栈系统关联起来。同时，向队列中写入什么数据，数据的含义如何，各个设备不相同。队列中来了数据，是什么含义，如何处理，各个设备不相同。

如果每个 virtio 设备都完整实现自己的功能，又会形成浪费。
针对这个现象，virtio 又设计了 virtio_pci 模块，以处理所有 virtio 设备的共性部分。这样一来，所有的 virtio 设备，在系统层面看来，都是一个 pci 设备，其设备驱动都是 virtio_pci。
但是，virtio_pci 并不能完整的驱动任何一个设备。因此，virtio_pci 在 probe（接管）每一个设备时，根据每个 pci 设备的 subsystem vendor/device id 来识别出这具体是哪一种 virtio 设备，然后相应的向内核注册一个 virtio 设备。当然，在注册 virtio 设备之前，virtio_pci 驱动 已经为此设备做了诸多共性的操作。同时，还为设备提供了各种操作的适配接口，例如，一些常用的 pci 设备操作，还有申请 buffer 队列的操作。这些操 作，都通过 virtio_config_ops 结构变量来适配。

三、virtio 驱动
这里讲 virtio 驱动，指的是具体的各个设备的驱动了。例如，网卡或块设备。有了前面所述的各模块的工作，virtio 各个设备的驱动实现，就相对简单了。大体来说，除了完成本设备特有的功能以外，剩下的基本就是 buffer 队列相关操作了。
那就是申请几个队列，并提供相应的回调函数。有数据要输出，往队列中送就行了。队列来数据了，自然会有中断产生，中断处理中，自然会触发回调来处理。

四、virtio_bus
内核中的各种对象，总是有秩序的。为了管理每种具体的 virtio 驱动及每个具体的 virtio 设备，干脆搞了一个 virtio_bus 出来。当然，这个 bus 并不存在实际的硬件电路，纯粹起个管理与适配作用。就这个管理与适配功能而言，他和 pci 总线是相似的。全部的 virtio driver 与 virtio device，在 virtio_bus 中都能够找到。每当有新的 virtio driver 或者 virtio device 注册到系统中时，系统都会执行一次设备与驱动的匹配操作。

关于 virtio 驱动是如何同设备交互 就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，可以学到更多知识。如果觉得文章不错，可以把它分享出去让更多的人看到。