[virtio]（五）：virtio-mmio 与 virtio-pci transport-北京尧图网络

第四篇讨论了 virtio notification。本篇看 transportvirtio device 定义设备语义但 guest 还需要一种方式发现、配置和通知设备。virtio-mmio 与 virtio-pci 就是两种常见 transport。1. device、transport、backend 的区别virtio 源码里经常同时出现三个概念device、transport、backend。它们解决的问题不同。virtio device: 设备做什么例如 block、net、scsi、balloon transport: guest 如何发现、配置和通知设备例如 mmio、pci backend: 请求最终落到 host 哪里例如 image file、tap、vhost以 virtio-blk 为例virtio-blk: 设备语义是块 I/O virtio-mmio / virtio-pci: guest 通过哪种方式看到这个块设备 QEMU block backend: 请求最终访问哪个 host 文件或块设备这一层区分非常关键。同一个 virtio-blk device可以通过 virtio-mmio 暴露也可以通过 virtio-pci 暴露。设备语义不变transport 变了。2. transport 层负责什么transport 层主要负责设备发现feature 访问status 访问config space 访问queue selectionqueue address setupqueue notifyinterrupt delivery wiringreset path它把 guest 的“总线访问”转换成对VirtIODevice的操作。抽象模型Guest transport driver | | MMIO register / PCI BAR / PCI capability v QEMU transport implementation | v VirtIODevice common state | v specific virtio device因此 transport 是 guest driver 和 QEMU virtio core 之间的适配层。3. virtio-mmio 的直觉virtio-mmio 用一段 MMIO register region 暴露 virtio device。Guest 通过读写这些 MMIO register 完成识别设备读取 feature写入 accepted feature设置 queue 地址设置 queue ready写 notify register读取 interrupt status在 RISC-V QEMUvirtmachine 中virtio-mmio 很常见。原因是它简单、适合设备树描述也符合很多嵌入式或简化虚拟平台的设计。路径大概是QEMU virt machine | | creates virtio-mmio device v Device Tree virtio-mmio node | v Guest Linux virtio-mmio driver | v MMIO register access | v QEMU virtio-mmio transport | v VirtIODevice4. Device Tree 与 virtio-mmio在 RISC-Vvirtmachine 中guest 发现 virtio-mmio 设备通常依赖 Device Tree。DTB 中会有类似 virtio-mmio 的节点描述MMIO base addressMMIO sizeinterrupt linecompatible stringGuest Linux 解析 DTB 后匹配 virtio-mmio driver。然后 driver 通过 MMIO register 与 QEMU 中的 virtio-mmio transport 通信。所以 device tree 是 virtio-mmio 设备发现的关键契约。简化模型QEMU creates virtual device | v QEMU emits DTB node | v Guest probes virtio-mmio | v Guest configures VirtIODevice through MMIO5. virtio-pci 的直觉virtio-pci 用 PCI 设备的形式暴露 virtio device。Guest 通过 PCI enumeration 发现设备再通过 PCI BAR 和 virtio capability 访问 virtio common config、notify config、ISR config 和 device config。路径大概是PCI enumeration | v Guest virtio-pci driver | v PCI BAR / capabilities | v QEMU virtio-pci transport | v VirtIODevicevirtio-pci 在服务器虚拟化里非常常见。原因包括PCI 是通用设备发现模型支持 MSI/MSI-X适合多队列和复杂设备配置更接近传统服务器平台形态6. legacy 与 modern virtio-pcivirtio-pci 有 legacy 和 modern 之分。legacy virtio-pci 主要为了兼容早期 virtio driver。modern virtio-pci 使用更规范的 PCI capability 结构暴露 common config、notify config、ISR config、device config 等区域。源码阅读时要注意区分路径。很多兼容逻辑会让 virtio-pci 代码看起来比 virtio-mmio 更复杂。建议先理解 modern virtio-pci 的模型再回头看 legacy 兼容。7. queue 配置在 transport 中如何发生无论是 mmio 还是 pciguest 最终都要把 virtqueue 的地址告诉 QEMU。配置内容包括queue index queue size descriptor table address available ring address used ring address queue ready / enabletransport 收到这些写入后会更新VirtQueue。抽象路径Guest writes queue config | v transport decodes access | v virtio core updates VirtQueue | v specific device can process queue这说明 queue 是 virtio core 的对象但 queue 的配置入口由 transport 提供。8. notification 在 transport 中的位置guest kick device 的动作也通过 transport 发生。virtio-mmioGuest writes QueueNotify MMIO register | v QEMU virtio-mmio handles notify | v VirtQueue handler runsvirtio-pciGuest writes notify BAR area | v QEMU virtio-pci handles notify | v VirtQueue handler runs如果启用了 ioeventfd这个通知可以被 KVM 更快地转成 eventfd signal减少完整 MMIO exit 到 QEMU 的开销。9. interrupt wiring 的差异virtio-mmio 和 virtio-pci 的完成通知也不同。virtio-mmio 通常通过平台中断控制器接线。例如在 RISC-Vvirtmachine 上virtio-mmio interrupt 会连接到虚拟 PLIC 或 AIA 相关模型。virtio-pci 则通常使用 INTx、MSI 或 MSI-X。路径差异virtio-mmio completion | v platform interrupt line | v Guest interrupt controllervirtio-pci completion | v MSI/MSI-X | v Guest PCI interrupt handling这也是 virtio-pci 更适合复杂服务器设备模型的原因之一。10. transport 不应该承载设备语义一个常见误区是把 transport 和 device-specific logic 混在一起。transport 不应该关心 virtio-blk 请求里的 sector也不应该关心 virtio-net packet 的 checksum。transport 只负责这个设备如何被 guest 发现和配置这个 queue 如何被设置这个 notify 如何到达 virtio core 这个 interrupt 如何交给 guest设备语义应该在具体 virtio device 中处理。这条边界让 virtio-blk 可以同时支持 mmio 和 pci而不需要复制块设备逻辑。11. RISC-V 场景下的 virtio-mmio在 RISC-V QEMUvirtmachine 中常见路径是QEMU hw/riscv/virt.c | | creates virtio-mmio devices v DTB virtio-mmio nodes | v Guest Linux probes virtio-mmio | v Guest virtio driver binds device | v virtqueue requests reach QEMU device model这和前面 RISC-V/QEMU/KVM 系列中的 Device Tree 主题正好衔接。Guest 不是凭空知道 virtio-mmio 设备的。它依赖 QEMU 生成的 DTB 知道 MMIO 地址和中断线。12. 源码阅读入口本篇可以看hw/virtio/virtio-mmio.chw/virtio/virtio-pci.cinclude/hw/virtio/virtio-mmio.hinclude/hw/virtio/virtio-pci.hhw/riscv/virt.cinclude/standard-headers/linux/virtio_mmio.hinclude/standard-headers/linux/virtio_pci.h阅读问题virtio-mmio register read/write 如何映射到VirtIODevicequeue notify 在哪里处理virtio-pci common config 如何访问MSI/MSI-X interrupt 如何接到 virtio deviceRISC-Vvirtmachine 在哪里创建 virtio-mmio 设备DTB 中 virtio-mmio 节点如何生成13. 本篇小结virtio device 定义设备语义transport 定义 guest 如何发现、配置和通知设备。virtio-mmio 简洁适合通过 Device Tree 描述virtio-pci 更适合服务器平台支持 PCI enumeration、BAR、capability 和 MSI/MSI-X。两者最终都会连接到同一个 virtio core 和具体设备模型。可以把本篇压缩成一句话virtio transport 是 guest driver 和 QEMUVirtIODevice之间的外观适配层它不决定设备做什么只决定设备如何被 guest 看见和操作。14. 下一篇预告virtio-blk 请求路径下一篇用 virtio-blk 作为第一个具体设备例子。会讨论guest block request 如何变成 descriptor chainQEMU 如何解析 virtio-blk header请求如何进入 QEMU block layercompletion 如何写回 status 和 used ring下一篇的问题可以写成Guest Linux 的一次块设备读写如何穿过 virtqueue 并落到 host 文件或块后端

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