QEMU源码全解析 —— virtio（28）

于 2024-03-08 08:19:10 发布
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分类专栏： QEMU/KVM 文章标签： QEMU KVM virtio
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接： https://blog.csdn.net/phmatthaus/article/details/136505549
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本文详细分析了QEMU中virtio设备的virtio_vring_create函数，特别是针对vring_create_virtqueue_packed()和vring_create_virtqueue_split()两个函数进行了深入探讨。文章首先回顾了setup_vq函数的步骤，接着重点讲解了virtio_device、virtio_device_id和virtio_config_ops等关键结构体，为理解virtio设备的工作原理提供了基础。
摘要由CSDN通过智能技术生成

接前一篇文章：

本文内容参考：

https://note.youdao.com/ynoteshare/index.html?id=f247acce8c21eb4ca4a7e37403f065f9&type=note&_time=1633000040495

特此致谢！

上回书讲到了setup_vq函数的第4步：调用vring_create_virtqueue函数实际生成virtqueue。为了便于理解了加深印象，再次贴出该函数源码，在 Linux 内核源码/drivers/virtio/virtio_ring.c中，代码如下： 

  1. struct virtqueue *vring_create_virtqueue(
  2. 	unsigned int index,
  3. 	unsigned int num,
  4. 	unsigned int vring_align,
  5. 	struct virtio_device *vdev,
  6. 	bool weak_barriers,
  7. 	bool may_reduce_num,
  8. 	bool context,
  9. 	bool (*notify)(struct virtqueue *),
  10. 	void (*callback)(struct virtqueue *),
  11. 	const char *name)
  12. {
  13.  
  14. 	if (virtio_has_feature(vdev, VIRTIO_F_RING_PACKED))
  15. 		return vring_create_virtqueue_packed(index, num, vring_align,
  16. 				vdev, weak_barriers, may_reduce_num,
  17. 				context, notify, callback, name, vdev->dev.parent);
  18.  
  19. 	return vring_create_virtqueue_split(index, num, vring_align,
  20. 			vdev, weak_barriers, may_reduce_num,
  21. 			context, notify, callback, name, vdev->dev.parent);
  22. }
  23. EXPORT_SYMBOL_GPL(vring_create_virtqueue);

引出来两个函数：vring_create_virtqueue_packed()和vring_create_virtqueue_split()。上一回只是宏观介绍了两个函数的作用，本回分别对于两个函数的具体内容进行详细解析。

一个一个来看，先来看传统的vring_create_virtqueue_split()。再次贴出其源码，在Linux内核源码/drivers/virtio/virtio_ring.c中，代码如下： 

  1. static struct virtqueue *vring_create_virtqueue_split(
  2. 	unsigned int index,
  3. 	unsigned int num,
  4. 	unsigned int vring_align,
  5. 	struct virtio_device *vdev,
  6. 	bool weak_barriers,
  7. 	bool may_reduce_num,
  8. 	bool context,
  9. 	bool (*notify)(struct virtqueue *),
  10. 	void (*callback)(struct virtqueue *),
  11. 	const char *name,
  12. 	struct device *dma_dev)
  13. {
  14. 	struct vring_virtqueue_split vring_split = {};
  15. 	struct virtqueue *vq;
  16. 	int err;
  17.  
  18. 	err = vring_alloc_queue_split(&vring_split, vdev, num, vring_align,
  19. 				      may_reduce_num, dma_dev);
  20. 	if (err)
  21. 		return NULL;
  22.  
  23. 	vq = __vring_new_virtqueue(index, &vring_split, vdev, weak_barriers,
  24. 				   context, notify, callback, name, dma_dev);
  25. 	if (!vq) {
  26. 		vring_free_split(&vring_split, vdev, dma_dev);
  27. 		return NULL;
  28. 	}
  29.  
  30. 	to_vvq(vq)->we_own_ring = true;
  31.  
  32. 	return vq;
  33. }

在讲解具体的函数功能之前，先得对于函数中用到的各结构进行详细就说明，这样才能更好地理解函数代码和功能。

（1）virtio_device结构

struct virtio_device前文提到过，其定义在Linux内核源码/include/linux/virtio.h中，代码如下： 

  1. /**
  2.  * struct virtio_device - representation of a device using virtio
  3.  * @index: unique position on the virtio bus
  4.  * @failed: saved value for VIRTIO_CONFIG_S_FAILED bit (for restore)
  5.  * @config_enabled: configuration change reporting enabled
  6.  * @config_change_pending: configuration change reported while disabled
  7.  * @config_lock: protects configuration change reporting
  8.  * @vqs_list_lock: protects @vqs.
  9.  * @dev: underlying device.
  10.  * @id: the device type identification (used to match it with a driver).
  11.  * @config: the configuration ops for this device.
  12.  * @vringh_config: configuration ops for host vrings.
  13.  * @vqs: the list of virtqueues for this device.
  14.  * @features: the features supported by both driver and device.
  15.  * @priv: private pointer for the driver's use.
  16.  */
  17. struct virtio_device {
  18. 	int index;
  19. 	bool failed;
  20. 	bool config_enabled;
  21. 	bool config_change_pending;
  22. 	spinlock_t config_lock;
  23. 	spinlock_t vqs_list_lock;
  24. 	struct device dev;
  25. 	struct virtio_device_id id;
  26. 	const struct virtio_config_ops *config;
  27. 	const struct vringh_config_ops *vringh_config;
  28. 	struct list_head vqs;
  29. 	u64 features;
  30. 	void *priv;
  31. };

struct virtio_device是Linux内核中用于表示virtio设备的数据结构，其包含了与virtio设备相关的各种信息和操作函数。如下图中间部分所示：

struct virtio_device各成员详细描述如下：

  • int index：virtio总线（bus）上的唯一位置。
  • bool failed：VIRTIO_CONFIG_S_FAILED位的保存值（用于恢复）。
  • bool config_enabled：是否使能配置（信息）变化报告。
  • bool config_change_pending：当禁用时，是否报告配置（信息）变化。
  • spinlock_t config_lock：保护配置更改报告的自旋锁。
  • spinlock_t vqs_list_lock：保护vqs（成员）的自旋锁。
  • struct device dev：底层设备。即Linux设备模型中的struct device结构体，用于表示virtio设备在内核中的抽象。
  • struct virtio_device_id id：设备类型标识（用于将其与驱动程序相匹配）。
  • const struct virtio_config_ops *config：此设备的配置操作。
  • const struct vringh_config_ops *vringh_config：宿主机vrings的配置操作。
  • struct list_head vqs：此设备的virtqueues列表。
  • u64 features：驱动程序和设备都支持的功能。
  • void *priv：供驱动程序使用的专用指针。

（2）virtio_device_id结构

struct virtio_device_id的定义在Linux内核源码/include/linux/mod_devicetable.h中，代码如下： 

  1. struct virtio_device_id {
  2. 	__u32 device;
  3. 	__u32 vendor;
  4. };

此结构体很简单也很好理解，只有两个成员：

  • device：设备ID。
  • vendor：厂商（制造商）ID。

其中的device成员标识了当前virtio_device的用途。在Linux内核源码/include/uapi/linux/virtio_ids.h中定义了各种类型： 

  1. #define VIRTIO_ID_NET			1 /* virtio net */
  2. #define VIRTIO_ID_BLOCK			2 /* virtio block */
  3. #define VIRTIO_ID_CONSOLE		3 /* virtio console */
  4. #define VIRTIO_ID_RNG			4 /* virtio rng */
  5. #define VIRTIO_ID_BALLOON		5 /* virtio balloon */
  6. #define VIRTIO_ID_IOMEM			6 /* virtio ioMemory */
  7. #define VIRTIO_ID_RPMSG			7 /* virtio remote processor messaging */
  8. #define VIRTIO_ID_SCSI			8 /* virtio scsi */
  9. #define VIRTIO_ID_9P			9 /* 9p virtio console */
  10. #define VIRTIO_ID_MAC80211_WLAN		10 /* virtio WLAN MAC */
  11. #define VIRTIO_ID_RPROC_SERIAL		11 /* virtio remoteproc serial link */
  12. #define VIRTIO_ID_CAIF			12 /* Virtio caif */
  13. #define VIRTIO_ID_MEMORY_BALLOON	13 /* virtio memory balloon */
  14. #define VIRTIO_ID_GPU			16 /* virtio GPU */
  15. #define VIRTIO_ID_CLOCK			17 /* virtio clock/timer */
  16. #define VIRTIO_ID_INPUT			18 /* virtio input */
  17. #define VIRTIO_ID_VSOCK			19 /* virtio vsock transport */
  18. #define VIRTIO_ID_CRYPTO		20 /* virtio crypto */
  19. #define VIRTIO_ID_SIGNAL_DIST		21 /* virtio signal distribution device */
  20. #define VIRTIO_ID_PSTORE		22 /* virtio pstore device */
  21. #define VIRTIO_ID_IOMMU			23 /* virtio IOMMU */
  22. #define VIRTIO_ID_MEM			24 /* virtio mem */
  23. #define VIRTIO_ID_SOUND			25 /* virtio sound */
  24. #define VIRTIO_ID_FS			26 /* virtio filesystem */
  25. #define VIRTIO_ID_PMEM			27 /* virtio pmem */
  26. #define VIRTIO_ID_RPMB			28 /* virtio rpmb */
  27. #define VIRTIO_ID_MAC80211_HWSIM	29 /* virtio mac80211-hwsim */
  28. #define VIRTIO_ID_VIDEO_ENCODER		30 /* virtio video encoder */
  29. #define VIRTIO_ID_VIDEO_DECODER		31 /* virtio video decoder */
  30. #define VIRTIO_ID_SCMI			32 /* virtio SCMI */
  31. #define VIRTIO_ID_NITRO_SEC_MOD		33 /* virtio nitro secure module*/
  32. #define VIRTIO_ID_I2C_ADAPTER		34 /* virtio i2c adapter */
  33. #define VIRTIO_ID_WATCHDOG		35 /* virtio watchdog */
  34. #define VIRTIO_ID_CAN			36 /* virtio can */
  35. #define VIRTIO_ID_DMABUF		37 /* virtio dmabuf */
  36. #define VIRTIO_ID_PARAM_SERV		38 /* virtio parameter server */
  37. #define VIRTIO_ID_AUDIO_POLICY		39 /* virtio audio policy */
  38. #define VIRTIO_ID_BT			40 /* virtio bluetooth */
  39. #define VIRTIO_ID_GPIO			41 /* virtio gpio */

我们当前示例中的balloon设备就是其中的一种： 

#define VIRTIO_ID_BALLOON		5 /* virtio balloon */

（3）virtio_config_ops结构

struct virtio_config_ops前文书也讲过，包含了配置（一个）virtio设备的操作。其定义在Linunx内核源码/include/linux/virtio_config.h中，代码如下： 

  1. /**
  2.  * struct virtio_config_ops - operations for configuring a virtio device
  3.  * Note: Do not assume that a transport implements all of the operations
  4.  *       getting/setting a value as a simple read/write! Generally speaking,
  5.  *       any of @get/@set, @get_status/@set_status, or @get_features/
  6.  *       @finalize_features are NOT safe to be called from an atomic
  7.  *       context.
  8.  * @get: read the value of a configuration field
  9.  *	vdev: the virtio_device
  10.  *	offset: the offset of the configuration field
  11.  *	buf: the buffer to write the field value into.
  12.  *	len: the length of the buffer
  13.  * @set: write the value of a configuration field
  14.  *	vdev: the virtio_device
  15.  *	offset: the offset of the configuration field
  16.  *	buf: the buffer to read the field value from.
  17.  *	len: the length of the buffer
  18.  * @generation: config generation counter (optional)
  19.  *	vdev: the virtio_device
  20.  *	Returns the config generation counter
  21.  * @get_status: read the status byte
  22.  *	vdev: the virtio_device
  23.  *	Returns the status byte
  24.  * @set_status: write the status byte
  25.  *	vdev: the virtio_device
  26.  *	status: the new status byte
  27.  * @reset: reset the device
  28.  *	vdev: the virtio device
  29.  *	After this, status and feature negotiation must be done again
  30.  *	Device must not be reset from its vq/config callbacks, or in
  31.  *	parallel with being added/removed.
  32.  * @find_vqs: find virtqueues and instantiate them.
  33.  *	vdev: the virtio_device
  34.  *	nvqs: the number of virtqueues to find
  35.  *	vqs: on success, includes new virtqueues
  36.  *	callbacks: array of callbacks, for each virtqueue
  37.  *		include a NULL entry for vqs that do not need a callback
  38.  *	names: array of virtqueue names (mainly for debugging)
  39.  *		include a NULL entry for vqs unused by driver
  40.  *	Returns 0 on success or error status
  41.  * @del_vqs: free virtqueues found by find_vqs().
  42.  * @synchronize_cbs: synchronize with the virtqueue callbacks (optional)
  43.  *      The function guarantees that all memory operations on the
  44.  *      queue before it are visible to the vring_interrupt() that is
  45.  *      called after it.
  46.  *      vdev: the virtio_device
  47.  * @get_features: get the array of feature bits for this device.
  48.  *	vdev: the virtio_device
  49.  *	Returns the first 64 feature bits (all we currently need).
  50.  * @finalize_features: confirm what device features we'll be using.
  51.  *	vdev: the virtio_device
  52.  *	This sends the driver feature bits to the device: it can change
  53.  *	the dev->feature bits if it wants.
  54.  *	Note that despite the name this	can be called any number of
  55.  *	times.
  56.  *	Returns 0 on success or error status
  57.  * @bus_name: return the bus name associated with the device (optional)
  58.  *	vdev: the virtio_device
  59.  *      This returns a pointer to the bus name a la pci_name from which
  60.  *      the caller can then copy.
  61.  * @set_vq_affinity: set the affinity for a virtqueue (optional).
  62.  * @get_vq_affinity: get the affinity for a virtqueue (optional).
  63.  * @get_shm_region: get a shared memory region based on the index.
  64.  * @disable_vq_and_reset: reset a queue individually (optional).
  65.  *	vq: the virtqueue
  66.  *	Returns 0 on success or error status
  67.  *	disable_vq_and_reset will guarantee that the callbacks are disabled and
  68.  *	synchronized.
  69.  *	Except for the callback, the caller should guarantee that the vring is
  70.  *	not accessed by any functions of virtqueue.
  71.  * @enable_vq_after_reset: enable a reset queue
  72.  *	vq: the virtqueue
  73.  *	Returns 0 on success or error status
  74.  *	If disable_vq_and_reset is set, then enable_vq_after_reset must also be
  75.  *	set.
  76.  */
  77. struct virtio_config_ops {
  78. 	void (*get)(struct virtio_device *vdev, unsigned offset,
  79. 		    void *buf, unsigned len);
  80. 	void (*set)(struct virtio_device *vdev, unsigned offset,
  81. 		    const void *buf, unsigned len);
  82. 	u32 (*generation)(struct virtio_device *vdev);
  83. 	u8 (*get_status)(struct virtio_device *vdev);
  84. 	void (*set_status)(struct virtio_device *vdev, u8 status);
  85. 	void (*reset)(struct virtio_device *vdev);
  86. 	int (*find_vqs)(struct virtio_device *, unsigned nvqs,
  87. 			struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[],
  88. 			const char * const names[], const bool *ctx,
  89. 			struct irq_affinity *desc);
  90. 	void (*del_vqs)(struct virtio_device *);
  91. 	void (*synchronize_cbs)(struct virtio_device *);
  92. 	u64 (*get_features)(struct virtio_device *vdev);
  93. 	int (*finalize_features)(struct virtio_device *vdev);
  94. 	const char *(*bus_name)(struct virtio_device *vdev);
  95. 	int (*set_vq_affinity)(struct virtqueue *vq,
  96. 			       const struct cpumask *cpu_mask);
  97. 	const struct cpumask *(*get_vq_affinity)(struct virtio_device *vdev,
  98. 			int index);
  99. 	bool (*get_shm_region)(struct virtio_device *vdev,
  100. 			       struct virtio_shm_region *region, u8 id);
  101. 	int (*disable_vq_and_reset)(struct virtqueue *vq);
  102. 	int (*enable_vq_after_reset)(struct virtqueue *vq);
  103. };

struct virtio_config_ops的各成员详细描述如下：

  • void (*get)(struct virtio_device *vdev, unsigned offset, void *buf, unsigned len)

回调函数（指针），读取配置字段的值。

参数：

vdev：virtio_device。

offset：配置字段的偏移量。

buf：将字段值写入的缓冲区。

len：缓冲区的长度。

  • void (*set)(struct virtio_device *vdev, unsigned offset, const void *buf, unsigned len)

回调函数（指针），写入配置字段。

参数：

vdev：virtio_device。

offset：配置字段的偏移量。

buf：从中读取字段值的缓冲区。

len：缓冲区的长度。

  • u32 (*generation)(struct virtio_device *vdev)

回调函数（指针），配置生成计数器（可选）。

参数：

vdev：virtio_device。

  • u8 (*get_status)(struct virtio_device *vdev)

回调函数（指针），读取状态字节。

参数：

vdev：virtio_device。

返回状态字节。

  • void (*set_status)(struct virtio_device *vdev, u8 status)

回调函数（指针），设置状态字节。

参数：

vdev：virtio_device。

status：新的状态字节。

  • void (*reset)(struct virtio_device *vdev)

回调函数（指针），重置设备。

参数：

vdev：virtio_device。

重置设备之后，必须再次进行状态和功能协商。设备不能从其vq/config回调中重置，也不能与添加/删除并行重置。

  • int (*find_vqs)(struct virtio_device *, unsigned nvqs, struct virtqueue *vqs[], vq_callback_t *callbacks[], const char * const names[], const bool *ctx, struct irq_affinity *desc)

回调函数（指针），找到virtqueues并实例化它们。

参数：

vdev：virtio_device。

nvqs：要查找的virtqueues的数量。

vqs：调用成功后，包括新的virtqueues。

callbacks：回调数组，每个virtqueue都包括一个，对于不需要回调的vqs，则置为NULL。

names：virtqueue名称数组（主要用于调试），包括驱动程序未使用的vqs的NULL条目。

  • void (*del_vqs)(struct virtio_device *)

回调函数（指针），释放find_vqs()找到的空闲virtqueues。

参数：

vdev：virtio_device。

  • void (*synchronize_cbs)(struct virtio_device *)

回调函数（指针），与virtqueue回调同步（可选）。

该函数保证在其之前的队列上的所有内存操作，对其后调用的vring_interrupt()可见。

参数：

vdev：virtio_device。

  • u64 (*get_features)(struct virtio_device *vdev)

回调函数（指针），获取该设备的特征位数组。

参数：

vdev：virtio_device。

返回前64个特征位（我们当前所需的全部）。

  • int (*finalize_features)(struct virtio_device *vdev)

回调函数（指针），确认将使用哪些设备特性。

参数：

vdev：virtio_device。

这会将驱动程序特性（特征）位发送到设备：如果需要，它可以更改dev->feature位。

注意，尽管叫这个名称，但它可以被调用任意次数。

成功返回0，失败返回错误状态。

  • const char *(*bus_name)(struct virtio_device *vdev)

回调函数（指针），返回与设备关联的总线名称（可选）

参数：

vdev：virtio_device。

这将返回一个指向总线名称，一个仿pci_name的指针，然后调用方可以从该名称进行复制。

  • int (*set_vq_affinity)(struct virtqueue *vq, const struct cpumask *cpu_mask)

回调函数（指针），设置virtqueue的亲和性（可选）。即设置指定的虚拟队列（Virtual Queue）与特定的CPU核心之间的亲和性（affinity）。

参数：

vq：virtqueue。

cpu_mask：CPU掩码。

  • const struct cpumask *(*get_vq_affinity)(struct virtio_device *vdev, int index);

回调函数（指针），获取virtqueue的亲和性（可选）。即获取指定的虚拟队列（Virtual Queue）与特定的CPU核心之间的亲和性（affinity）

参数：

vq：virtqueue。

index：队列的索引值。

  • bool (*get_shm_region)(struct virtio_device *vdev, struct virtio_shm_region *region, u8 id)

回调函数（指针），基于索引获取共享内存区域。

参数：

vdev：virtio_device。

region：共享内存区域。

id：索引值。

  • int (*disable_vq_and_reset)(struct virtqueue *vq)

回调函数（指针），单独重置队列（可选）。

参数：

vq：virtqueue。

成功返回0，失败返回错误状态。

disable_vq_and_reset将确保回调被禁用并同步。

除了回调之外，调用者应该保证virtqueue的任何函数都不会访问vring。

  • int (*enable_vq_after_reset)(struct virtqueue *vq)

回调函数（指针），启用重置队列。

参数：

vq：virtqueue。

成功返回0，失败返回错误状态。

如果设置了disable_vq_and_reset，则还必须设置enable_vq_after_reset。

如下图（就是上面那张图）右上角所示：

更多相关结构的介绍请看下回。

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