概述

作为一个通用半虚拟化框架，virtio技术能够应用到不同的体系架构中，并为各种业务类型提供服务。virtio协议支持基于多种类型设备总线进行实现，包括PCI、MMIO、channel IO等，同时也扩展实现了多种设备类型。

virtio设备管理

virtio设备属性

一个标准的virtio设备通常定义了以下几个部分的属性：

• Device status field：用于指示设备状态；
• Feature bits：用于设备功能协商；
• Notifications：通知机制；
• Device Configuration space：特定于设备的配置；
• Virtqueues：设备支持一个或多个virtqueue实现前后端通信。

Device status field

virtio驱动需要遵循标准定义的顺序来对virtio设备进行初始化，Device status field提供了特定的一些位，用于配合完成设备的初始化。

• ACKNOWLEDGE：表示GuestOS已正确探测到virtio设备；
• DRIVER：表示GuestOS已经知道如何驱动设备；
• FAILED：表示GuestOS出现问题，并且已放弃使用设备；
• FEATURES_OK：表示GuestOS已经完成Feature的协商；
• DRIVER_OK：表示驱动程序已经完成设置并准备使用；
• DEVICE_NEEDS_RESET：表示设备出现错误，需要复位进行修复。

Feature Bits

virtio设备使用Feature bits描述它所支持的所有功能，在设备初始化期间，驱动程序读取此信息，并选择需要的功能与设备进行协商。

Feature bits	作用
0~23	特定设备类型的Feature bits
24~37	保留，用于队列和Feature协商机制的扩展
38及以上	保留，用于未来扩展的Feature bits

virtio设备类型

virtio协议规范中定义的virtio设备类型如下：

Virtio Device ID	Virio Device Type
0	reserved(invalid)
1	network card
2	block device
3	console
4	entropy source
5	memory ballooning(traditional)
6	ioMemory
7	rpmsg
8	SCSI host
9	9P transport
10	mac80211 wlan
11	rproc serial
12	virtio CAIF
13	memory ballon
16	GPU device
17	Timer/Clock device
18	Input device

virtio设备初始化

在virtio协议规范中，约束了驱动程序如何初始化和配置一个virtio设备。

驱动必须遵循定义的顺序对设备进行初始化：

1. 重置设备；
2. 设置ACKNOWLEDGE状态位：GuestOS已经探测到该设备；
3. 设置DRIVER状态位：GuestOS已经确定如何驱动设备；
4. 读取设备Feature bits，并将驱动需要配置的Feature bits写入设备。这个步骤中，驱动程序可以读取设备特定的配置字段，以在接受设备之前检查其是否能够支持设备；
5. 设置FEATURES_OK状态位，执行完成之后，驱动程序不得再更改Feature；如果驱动需要与设备重新协商功能，唯一方法就是是重置设备；
6. 重新读取设备状态，以确保FEATURES_OK位仍然设置：否则，设备不支持我们的功能子集，设备不可用；
7. 执行特定于设备的设置，包括配置virtqueues，读取和修改设备的virtio配置空间，以及生成virtqueues等；
8. 设置DRIVER_OK状态。

virtio-pci设备

在通用服务器上，virtio设备主要基于PCI总线进行实现。基于PCI总线的virtio设备有着专属的Vendor ID（0x1AF4）和特定的Device ID区间（0x1000～0x107F），其中0x1000~0x103F用于传统模式设备，0x1040～0x107F用于现代模式设备。系统可以通过Vendor ID可以识别出virtio pci设备，而Device ID则可以用于指示该virtio pci设备支持的virtio设备类型。

virtio-pci设备发现

virito使用PCI接口实现时，Hypervisor会在后端模拟一个PCI设备，并将这个设备添加到虚拟机配置中，虚拟机启动的时候会发现设备并接入到系统中。virtio-pci设备接入系统的拓扑关系如下：

为了支持PCI总线，每种virtio设备需要对应一个virtio-pci代理设备。virtio-pci代理设备能够通过与PCI设备相似的方式被虚拟机中的BIOS或客户机操作系统识别，并挂载到PCI总线。virtio-pci代理设备的一个重要作用是提供virtio设备的访问接口，它会创建一条virtio总线，并将virtio设备挂载到virtio总线，这样virtio驱动便能够访问virtio设备。

virtio-pci设备配置

传统virtio-pci设备的配置

传统virtio-pci设备使用PCI设备的BAR0指向的IO区域来对virtio-pci设备进行配置。该IO区域包含一个virito-header结构，用于存放virtio设备的通用配置项以及设备的专属配置。下图展示了virtio-header中的通用配置项：

各个配置项的作用描述如下：

• Device Features：由virtio设备填写，用于告诉驱动支持的设备特性；
• Guest Features：用于告诉驱动支持的设备特性；
• Queue Address：表示virtqueue所在的地址，这个地址由驱动分配，并告知设备；
• Queue Size：表示virtqueue的描述符表中描述符的个数，设备端初始化队列时设置；
• Queue Select：当某个操作是针对某个virtqueue时，驱动通过Queue Select指定这个virtqueue；
• Queue Notify：当某个virtqueue准备好后，驱动需要通知设备进行消费，virtio协议采用的方式就是对某个约定地址进行IO，触发CPU从Guest切换到Host；
• Device Status：用于表示设备的状态；
• ISR Status：中断相关。

现代virtio-pci设备的配置

和传统设备固定使用BAR0不同，现代virtio-pci设备通过标准的PCI配置空间中的能力列表（capability list），可以指定配置信息的存储位置（使用哪个BAR，从BAR空间开始的偏移地址等）。1.0规范中定义了4种配置信息：通用配置、中断配置、通知配置、设备专属配置。相应的配置信息和内存区域的空间分布图如下：

相关参考

• 《深入浅出DPDK》
• 《深入浅出系统虚拟化：原理与实践》
• 《深度探索Linux系统虚拟化：原理与实现》