Linux内核 — 虚拟化之virtio驱动程序实现

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背景

Linux kernel 中的 virtio_driver 是为 Virtio 设备设计的驱动程序接口。Virtio 是一种虚拟化标准，它允许虚拟机和物理主机之间高效地传输数据。Virtio 设备通常用于虚拟化环境，如 KVM 和 QEMU。Virtio 设备通过一个标准化的接口提供虚拟化功能，减少了虚拟设备的开发和维护复杂性。

设计思想

virtio_driver 的设计思想包括以下几个方面：

1. 抽象性：提供了一种抽象接口，简化了虚拟设备和驱动程序之间的交互。
2. 高效性：通过直接的数据传输机制（如 Virtqueues）提高数据传输效率。
3. 可扩展性：支持各种类型的 Virtio 设备，如块设备、网络设备、控制台设备等。
4. 兼容性：与各种虚拟化平台（如 KVM 和 QEMU）兼容。

基本用法

1. 定义 Virtio 驱动程序：编写一个 virtio_driver 结构体并实现必要的回调函数。

#include <linux/virtio.h> #include <linux/virtio_config.h> static int my_virtio_probe(struct virtio_device *vdev) { 
    // 初始化设备 return 0; } static void my_virtio_remove(struct virtio_device *vdev) { 
    // 清理设备 } static struct virtio_device_id id_table[] = { 
    { 
    VIRTIO_ID_MY_DEVICE, VIRTIO_DEV_ANY_ID }, { 
    0 }, }; static struct virtio_driver my_virtio_driver = { 
    .feature_table = features, .feature_table_size = ARRAY_SIZE(features), .driver.name = KBUILD_MODNAME, .driver.owner = THIS_MODULE, .id_table = id_table, .probe = my_virtio_probe, .remove = my_virtio_remove, }; module_virtio_driver(my_virtio_driver); 

2. 注册驱动程序：使用 module_virtio_driver 宏注册驱动程序。

module_virtio_driver(my_virtio_driver); 

3. 实现回调函数：实现 probe 和 remove 回调函数，用于设备的初始化和清理。

高级用法

1. 使用 Virtqueues：Virtio 设备通过 Virtqueues 进行数据传输。驱动程序需要管理这些队列。

struct virtqueue *vq; vq = virtio_find_single_vq(vdev, my_vq_callback, "my_queue"); 

2. 支持多功能：利用 Virtio 特性表来支持设备的多功能性。

static const unsigned int features[] = { 
    VIRTIO_F_MY_FEATURE, ... }; 

3. 设备配置空间：配置和读取设备配置空间。

int val; virtio_cread(vdev, struct my_config, field, &val); virtio_cwrite(vdev, struct my_config, field, &val); 

4. 错误处理：实现错误处理机制，确保设备在出现错误时能够安全地恢复或关闭。
5. 动态调整 Virtqueues
   在某些场景中，可能需要动态调整 Virtqueues 的数量和属性。Virtio 支持动态地添加和删除 Virtqueues，这使得驱动程序能够根据负载和其他条件调整性能。
   

// 创建新的 Virtqueue struct virtqueue *vq; vq = virtio_find_single_vq(vdev, my_vq_callback, "my_queue"); // 删除现有的 Virtqueue vdev->config->del_vq(vq); 

6. 多队列支持
   某些 Virtio 设备支持多个队列（例如，Virtio 网络设备）。驱动程序需要管理多个 Virtqueue，以提高数据传输的并发性和效率。
   

struct virtqueue *vqs[2]; vqs[0] = virtio_find_single_vq(vdev, my_vq_callback_0, "rx_queue"); vqs[1] = virtio_find_single_vq(vdev, my_vq_callback_1, "tx_queue"); 

7. 中断处理
   Virtio 设备通常使用中断通知驱动程序有新的数据或事件。驱动程序需要实现中断处理函数，并在 Virtqueue 上注册这些处理函数。
   

static irqreturn_t my_virtio_interrupt(int irq, void *opaque) { 
    // 处理中断 return IRQ_HANDLED; } // 注册中断处理函数 request_irq(irq, my_virtio_interrupt, 0, "my_virtio_device", dev); 

8. 特性协商
   Virtio 设备和驱动程序在初始化期间通过协商特性来确定支持的功能。驱动程序需要检查设备的特性，并启用或禁用相应的功能。
   

if (virtio_has_feature(vdev, VIRTIO_F_MY_FEATURE)) { 
    // 启用特性 } else { 
    // 禁用特性 } 

示例代码

以下是一个简单的 Virtio 驱动程序示例：

#include <linux/module.h> #include <linux/virtio.h> #include <linux/virtio_config.h> static int my_virtio_probe(struct virtio_device *vdev) { 
    // 初始化设备 pr_info("My Virtio device probed\n"); return 0; } static void my_virtio_remove(struct virtio_device *vdev) { 
    // 清理设备 pr_info("My Virtio device removed\n"); } static struct virtio_device_id id_table[] = { 
    { 
    VIRTIO_ID_MY_DEVICE, VIRTIO_DEV_ANY_ID }, { 
    0 }, }; static struct virtio_driver my_virtio_driver = { 
    .driver.name = KBUILD_MODNAME, .driver.owner = THIS_MODULE, .id_table = id_table, .probe = my_virtio_probe, .remove = my_virtio_remove, }; module_virtio_driver(my_virtio_driver); MODULE_DEVICE_TABLE(virtio, id_table); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_DESCRIPTION("My Virtio Driver"); MODULE_AUTHOR("Author Name"); 

这个示例展示了一个最小的 Virtio 驱动程序框架，包括设备探测和移除的基本功能。

典型应用

Virtio 网络设备驱动程序

Virtio 网络设备驱动程序是最常见的 Virtio 驱动程序之一。它通过 Virtio 网络设备提供虚拟化网络功能。以下是一个简单的 Virtio 网络设备驱动程序的示例：

#include <linux/module.h> #include <linux/virtio.h> #include <linux/virtio_net.h> #include <linux/netdevice.h> static int my_virtio_net_probe(struct virtio_device *vdev) { 
    struct net_device *ndev; struct virtio_net_config config; ndev = alloc_etherdev(sizeof(struct virtnet_info)); if (!ndev) return -ENOMEM; vdev->priv = ndev; virtio_cread(vdev, struct virtio_net_config, mac, ndev->dev_addr); // 其他初始化操作 register_netdev(ndev); return 0; } static void my_virtio_net_remove(struct virtio_device *vdev) { 
    struct net_device *ndev = vdev->priv; unregister_netdev(ndev); free_netdev(ndev); } static struct virtio_device_id id_table[] = { 
    { 
    VIRTIO_ID_NET, VIRTIO_DEV_ANY_ID }, { 
    0 }, }; static struct virtio_driver my_virtio_net_driver = { 
    .driver.name = KBUILD_MODNAME, .driver.owner = THIS_MODULE, .id_table = id_table, .probe = my_virtio_net_probe, .remove = my_virtio_net_remove, }; module_virtio_driver(my_virtio_net_driver); MODULE_DEVICE_TABLE(virtio, id_table); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_DESCRIPTION("My Virtio Net Driver"); MODULE_AUTHOR("Author Name"); 

注意事项

• 版本兼容性：确保驱动程序兼容不同版本的 Virtio 设备。
• 资源管理：合理管理内存和其他资源，避免内存泄漏和资源枯竭。
• 同步问题：处理好并发和同步问题，避免竞态条件。
• 调试与日志：充分利用内核日志和调试工具，方便排查问题。