VirtIO实现原理——PCI基础
文章目录
- PCI配置空间
-
- 通用配置空间
- virtio配置空间
- virtio通用配置空间
- virtio磁盘配置空间
- VirtIO-PCI初始化
-
- PCI初始化
-
- 枚举
- 配置
- 加载virtio-pci驱动
-
- PCI总线的注册
- PCI驱动的注册
- PCI设备的match
- PCI设备的探测
-
- 映射BAR空间
-
- 使能BAR空间
- 识别cap
- 映射
- 注册virtio-pci方法
- 注册设备到virtio总线
virtio设备可以基于不同总线来实现，本文介绍基于pci实现的virtio-pci设备。以virtio-blk为例，首先介绍PCI配置空间内容，virtio-pci实现的硬件基础——capability，最后分析PIC设备的初始化以及virtio-pci设备的初始化。
PCI配置空间
- virtio设备作为pci设备，必须实现pci local bus spec规定的配置空间（最大256字节），前64字节是spec中定义好的，称预定义空间，其中前16字节对所有类型的pci设备都相同，之后的空间格式因类型而不同，对前16字节空间，我称它为通用配置空间
通用配置空间
- 前16字节中有4个地方用来识别virtio设备
- vendor id：厂商ID，用来标识pci设备出自哪个厂商，这里是0x1af4，来自Red Hat。
- device id：厂商下的产品ID，传统virtio-blk设备，这里是0x1001
- revision id：厂商决定是否使用，设备版本ID，这里未使用
- header type：pci设备类型，0x00（普通设备），0x01（pci bridge），0x02（CardBus bridge）。virtio是普通设备，这里是0x00
- command字段用来控制pci设备，打开某些功能的开关，virtio-blk设备是（0x0507 = 0b1010111），command的各字段含义如下图，低三位的含义如下：
- I/O Space：如果PCI设备实现了IO空间，该字段用来控制是否接收总线上对IO空间的访问。如果PCI设备没有IO空间，该字段不可写。
- Memory Space：如果PCI设备实现了内存空间，该字段用来控制是否接收总线上对内存空间的访问。如果PCI设备没有内存空间，该字段不可写。
- Bus Master：控制pci设备是否具有作为Master角色的权限。
- status字段用来记录pci设备的状态信息，virtio-blk是（0x10 = 0x10000），status各字段含义如下图：
其中有一位是Capabilities List，它是pci规范定义的附加空间标志位，Capabilities List的意义是允许在pci设备配置空间之后加上额外的寄存器，这些寄存器由Capability List组织起来，用来实现特定的功能，附加空间在64字节配置空间之后，最大不能超过256字节。以virtio-blk为例，它标记了这个位，因此在virtio-blk设备配置空间之后，还有一段空间用来实现virtio-blk的一些特有功能。1表示capabilities pointer字段（0x34）存放了附加寄存器组的起始地址。这里的地址表示附加空间在pci设备空间内的偏移 - virtio-blk配置空间的内容可以通过lspci命令查看到，如下
virtio配置空间
- virtio-pci设备实现pci spec规定的通用配置空间后，设计了自己的配置空间，用来实现virtio-pci的功能。pci通过
status字段的capabilities listbit标记自己在64字节预定义配置空间之后有附加的寄存器组，capabilities pointer会存放寄存器组链表的头部指针，这里的指针代表寄存器在配置空间内的偏移
- pci spec中描述的
capabilities list格式如下，第1个字节存放capability ID，标识后面配置空间实现的是哪种capability，第2个字节存放下一个capability的地址。capability ID查阅参见pci spec3.0 附录H。virtio-blk实现的capability有两种，一种是MSI-X（ Message Signaled Interrupts - Extension），ID为0x11，一种是Vendor Specific，ID为0x9，后面一种capability设计目的就是让厂商实现自己的功能。virtio-blk的实现以此为基础
- virtio-pci根据自己的功能需求，设计了如下的capabilities布局，右侧是6个capability，其中5个用做描述virtio-pci的capability，1个用作描述MSI-X的capability，这里我们只介绍用作virtio-pci的capability。再看下图，右边描述了virtio-blk的
capability布局，左边是每个capability指向的物理地址空间布局。virtio-pci设备的初始化，前后端通知，数据传递等核心功能，就在这5个capability中实现
- 根据virtio spec的规范，要实现virtio-pci的capabilty，其布局应该如下
vndr表示capability类型，next表示下一个capability在pci配置空间的位置，len表示capability这个数据结构的长度，type有如下取值，将virtio-pci的capability又细分成几类
virtio通用配置空间
- capability中最核心的内容是
virtio_pci_common_cfg，它是virtio前后端沟通的主要桥梁，common config分两部分，第一部分用于设备配置，第二部分用于virtqueue使用。virtio驱动初始化利用第一部分来和后端进行沟通协商，比如支持的特性（guest_feature），初始化时设备的状态（device_status），设备的virtqueue个数（num_queues）。第二部分用来实现前后段数据传输。后面会详细提到两部分在virtio初始化和数据传输中的作用。virtio_pci_common_cfg数据结构如下
virtio磁盘配置空间
- TODO
VirtIO-PCI初始化
- virtio-blk基于virtio-pci，virtio-pci基于pci，所以virtio-blk初始化要从pci设备初始化说起
PCI初始化
- PCI驱动框架初始化在内核中有两个入口，分别如下：
- arch_initcall(pci_arch_init)，体系结构的初始化，包括初始化IO地址0XCF8
- subsys_initcall(pci_subsys_init)，PCI子系统初始化，这个过程会完成PIC总线树上设备的枚举，Host bridge会为PCI设备分配地址空间并将其写入BAR寄存器。体系结构初始化不做介绍，这张主要介绍PCI总线树的枚举和配置
枚举
- 枚举的前提该PCI设备可以访问，PCI规范规定，设备在还没有配置地址前，CPU往两个IO端口分别写入地址和数据，实现对PCI设备的读写。如下图所示，这两个IO端口对应的是两个Host桥上的寄存器，它们可以直接通过io指令访问
- 这两个寄存器位于Host桥上，翻看Host桥(Intel 5000X MCH 3.5章节)的手册可以找到寄存器各字段具体含义，如下图所示。当cpu要访问某个pci设备时，先往0XCF8写入4字节的
bus/slot/function地址，然后通过0XCFC的IO空间读取或者写入数据。地址空间0XCF8的初始化发生在pci_arch_init里面。
- 有了读写pci设备寄存器的方法，cpu可以读取任意pci总线上任意设备配置空间的任意寄存器。读取slot设备配置空间的vendor id，如果返回全1表示没有设备，如果返回具体值表示slot上存在function，继续判断是否为multifunction。通过这样的方式逐总线搜索下去，枚举每一个slot上存在的pci设备，直到遍历完总线树。其中两处涉及到配置空间寄存器的读写，一是识别设备的时候需要读取vendor id和device id，一是读取bar空间大小时需要读写bar寄存器。枚举发生在pci_subsys_init，如下：
pci_subsys_init
x86_init.pci.init => x86_default_pci_init
pci_legacy_init
pcibios_scan_root
x86_pci_root_bus_resources // 为Host bridge分配资源，通常情况下就是64K IO空间地址和内存空间地址就在这里划分
pci_scan_root_bus // 枚举总线树上的设备
pci_create_root_bus // 创建Host bridge
pci_scan_child_bus // 扫描总线树上所有设备，如果有pci桥，递归扫描下去
pci_scan_slot
pci_scan_single_device // 扫描设备，读取vendor id和device id
pci_scan_device
pci_setup_device
pci_read_bases
__pci_read_base // 读取bar空间大小
- 读取到PCI设备BAR空间大小后，就可以向Host bridge申请物理地址区间了，如果成功，PCI设备就得到了一段PCI空间的，大于等于BAR空间大小的物理地址。注意，Host bridge掌握着PCI总线上所有设备可以使用的IO资源和存储资源，这里说的资源，就是物理地址空间。下面是两个关键的数据结构
/*
* Resources are tree-like, allowing
* nesting etc..
*/
struct resource {
resource_size_t start;
resource_size_t end;
const char *name;
unsigned long flags;
unsigned long desc;
struct resource *parent, *sibling, *child;
};
resource代表一个资源，可以是一段IO地址区间，或者Mem地址区间，总线树上每枚举一个设备，Host bridge就根据设备的BAR空间大小分配合适的资源给这个PCI设备用，这里的资源就是IO或者内存空间的物理地址。PCI设备BAR寄存器的值就是从这里申请得来的。申请的流程如下
pci_read_bases
/* 遍历每个BAR寄存器，读取其内容，并为其申请物理地址空间 */
for (pos = 0; pos < howmany; pos++) {
struct resource *res = &dev->resource[pos]; // 申请的地址空间放在这里面
reg = PCI_BASE_ADDRESS_0 + (pos << 2);
pos += __pci_read_base(dev, pci_bar_unknown, res, reg);
}
region.start = l64;
region.end = l64 + sz64;
/* 申请资源，将申请到的资源放在res中， region存放PCI设备BAR空间区间 */
pcibios_bus_to_resource(dev->bus, res, ®ion);
分析资源申请函数，它首先取出PCI设备所在的Host bridge，pci_host_bridge.windows链表维护了Host bridge管理的所有资源，遍历其windows成员链表，找到合适的区间，然后分给PCI设备。
至此，PCI设备有了PCI域的物理地址，当扫描结束后，内核会逐一为这些PCI设备配置这个物理地址
- 枚举过程中识别设备的代码如下
- 枚举过程中获取bar占用的空间大小步骤如下，代码如下
- 读取BAR空间32bit的原始内容，保存
- BAR空间所有bit写1
- 再次读取BAR空间内容，右起第一个非0位所在的bit位，它的值就是BAR空间大小
假设是右起第12bit为1，那么BAR空间的大小就是2^12 = 4KB - 将原始内容写入BAR空间，恢复其原始状态，留待下一次读取
- 枚举之后，内核记录PCI总线树上所有PCI设备的基本硬件信息，比如vendor id，device id，同时也建立了一张所有设备的内存拓扑图，填充了大部分pci_dev数据结构，余下部分比如PCI设备的驱动（pci_dev.driver）在这个时候还没有找到
/*
* The pci_dev structure is used to describe PCI devices.
*/
struct pci_dev {
struct list_head bus_list; /* node in per-bus list */
struct pci_bus *bus; /* bus this device is on */
struct pci_bus *subordinate; /* bus this device bridges to */
void *sysdata; /* hook for sys-specific extension */
struct proc_dir_entry *procent; /* device entry in /proc/bus/pci */
struct pci_slot *slot; /* Physical slot this device is in */
unsigned int devfn; /* encoded device & function index */
unsigned short vendor;
unsigned short device;
unsigned short subsystem_vendor;
unsigned short subsystem_device;
unsigned int class; /* 3 bytes: (base,sub,prog-if) */
u8 revision; /* PCI revision, low byte of class word */
u8 hdr_type; /* PCI header type (`multi' flag masked out) */
#ifdef CONFIG_PCIEAER
u16 aer_cap; /* AER capability offset */
#endif
u8 pcie_cap; /* PCIe capability offset */
u8 msi_cap; /* MSI capability offset */
u8 msix_cap; /* MSI-X capability offset */
u8 pcie_mpss:3; /* PCIe Max Payload Size Supported */
u8 rom_base_reg; /* which config register controls the ROM */
u8 pin; /* which interrupt pin this device uses */
u16 pcie_flags_reg; /* cached PCIe Capabilities Register */
unsigned long *dma_alias_mask;/* mask of enabled devfn aliases */
struct pci_driver *driver; /* which driver has allocated this device */
u64 dma_mask; /* Mask of the bits of bus address this
device implements. Normally this is
0xffffffff. You only need to change
this if your device has broken DMA
or supports 64-bit transfers. */
......
}
配置
- 枚举完成之后，内核得到pci总线树的拓扑图，然后开始配置总线树上的所有设备。Host bridge按照枚举过程中读取的pci设备的bar空间大小，将这段地址空间分成大小不同的地址空间。简单说就是为每个pci设备分配一个能够满足它使用的pci总线域地址段。确立了每个pci设备拥有的地址空间后，Host bridge将其首地址写到bar寄存器中，这就是配置，注意，bar空间写入的起始地址是pci总线域的，不是cpu域的。配置过程在pci_subsys_init中完成，首先遍历总线树上所有设备，统一检查在枚举阶段设备申请的资源，判断多个设备之前是否有资源冲突，内核要保证资源统一并且正确的分配给每一个PCI设备。检查完成后分配资源。最后向每个PCI设备的
BAR寄存器写入分配到的地址空间起始值，完成配置。流程如下：
pci_subsys_init
pcibios_resource_survey
pcibios_allocate_bus_resources(&pci_root_buses); // 首先将整个资源按照总线再分成一段段空间
pcibios_allocate_resources(0); // 检查资源是否统一并且不冲突
pcibios_allocate_resources(1);
pcibios_assign_resources(); // 写入地址到BAR寄存器
pci_assign_resource
_pci_assign_resource
__pci_assign_resource
pci_bus_alloc_resource
pci_update_resource
pci_std_update_resource
pci_write_config_dword(dev, reg, new) // 往BAR寄存器写入起始地址
BAR寄存器中写入的地址，乍一看就是系统的物理地址，但实际上，它与CPU域的物理地址有所不同，它是PCI域的物理地址。两个域的地址需要通过Host bridge的转换。只不过，X86上Host bridge偷懒了，直接采用了一一映射的方式。因此两个域的地址空间看起来一样。在别的结构上（PowerPC）这个地址不一样。
- 下面是virtio-blk设备配置空间的格式，截图自pci3.0 spec 6.2.5，bar寄存器配置之后，它的内容是bar空间的pci总线域起始地址，其中低4bit描述了这段空间的属性，在取地址的时候要作与0操作。最低位表示这个pci设备的bar空间，映射到的是cpu总线域的哪类空间，为1是IO空间，为0是内存空间。当映射到内存空间时，还用[2-1]这两位区分cpu域地址总线的宽度，为00表示映射到32位宽总线的cpu域内存空间，为10时表示映射到64位宽总线的cpu域内存空间。
- 下面是一个典型的virtio-blk设备配置空间bar寄存器内容
- BAR0：0XC041，将低4位与0，BAR0空间的起始地址0XC040，从最低位可以看出来这映射的是IO空间
- BAR1：0XFEBD2000，BAR1空间的起始地址0XFEBD2000，这是个内存空间
- BAR4：0XFE00800C，将低4位与0，BAR2空间的起始地址0XFE008000，这是个内存空间，64-bit，支持prefetch
- 在系统的IO地址空间中，可以看到BAR0占用的IO地址，
cat /proc/ioports
- 在系统的内存空间中，可以看到BAR1和BAR4占用的内存空间，
cat /proc/iomem
- 从主机上可以看到qemu统计的virtio-blk设备BAR空间的使用情况，
virsh qemu-monitor-command vm --hmp info pci
- pci设备的配置有几个地方容易混淆，特此说明自己的理解，如有不对，请留言指出：
- 枚举过程中访问pci配置空间寄存器，软件接口是往特定寄存器写东西，真正发起读写请求的，是host bridge，它在pci总线上传输的是command type为configuration wirte/read的transaction。
配置完成后，软件对pci bar空间关联的内存进行读写，可以直接使用mov内存访问指令，这时候host bridge在pci总线上传输的是command type为IO Read/Write或者Memory Read/Write的transaction。 - pci设备被配置之后，bar寄存器中存放了关联的内存起始地址，这个地址是pci总线域的物理地址，不是cpu域的物理地址，虽然这两个值一样，但这只是x86这种架构的特殊情况，因为host bridge转换的时候是一一映射的，才造成这种假象。在别的架构上，比如power pc，cpu域的地址想要访问pci总线域的地址，需要通过host bridge进行地址转换才能进行，两种地址并不相同。
- pci设备被配置之后，虽然看上去软件可以像访问内存一样访问pci设备的bar的空间，但cpu真正访问的时候，是要把地址交给host bridge，让它去访问才可以。可以说，访问pci设备bar空间的不是cpu，而是host bridge。至始至终，cpu都不能直接管理pci设备的bar空间，它只能通过host bridge来间接管理。
加载virtio-pci驱动
- virtio-blk最底层是pci，其上是virtio-pci，因此初始化流程从pci bus的注册开始，然后是virtio-pci，然后是virtio-blk逐级往上介绍，virtio-blk的驱动加载会留到下一章介绍。
- linux设备驱动有一套bus，device，driver基础框架，这种设计将设备与板载信息解耦，使得设备和驱动可以灵活加载，屏蔽了板载信息的变化。当内核从一个平台移植到另外一个平台时，bus，device，driver这套机制的实现使得设备驱动的加载可以自适应。驱动不会因为板载设备的变化而重写代码。
- 设备驱动框架中，bus是连接device和driver的桥梁，因此在系统启动过程中它首先被注册。bus的作用，就是让系统启动时注册的设备可以找到对应的驱动，注册的驱动可以找到对应的设备，这个过程称为设备与驱动的绑定。
- 总线上发生两类事件可以导致设备与驱动绑定行为的发生：一是通过device_register函数向某一bus上注册设备，这种情况下内核除了将该设备加入到bus上设备链表的尾端，同时会试图将此设备与总线上所有驱动对象进行绑定操作；二是通过driver_register将某一驱动注册到其所属的bus上，内核此时除了将驱动对象加入到bus所有驱动对象构成的链表的尾部，也会试图将驱动与器上的所有设备进行绑定操作。
- virtio-pci设备是注册到pci总线上的，因此加载它的驱动应该时pci总线上的驱动，首先介绍PCI总线的注册，然后介绍总线如何将设备和驱动绑定，最后介绍设备的探测。
PCI总线的注册
- PCI总线声明了一个bus_type的结构，称为pci_bus_type，它由下面的值初始化：
struct bus_type pci_bus_type = {
.name = "pci",
.match = pci_bus_match,
.uevent = pci_uevent,
.probe = pci_device_probe,
.remove = pci_device_remove,
......
};
- 将PCI模块加载到内核时，通过调用bus_register将pci_bus_type注册到驱动程序核心的顶层bus中，这个过程将在/sys/bus下创建pci目录，然后在/sys/bus/pci中创建两个目录：devices和drivers，代码如下：
pci_driver_init
bus_register(&pci_bus_type) // pci总线数据结构
priv->subsys.kobj.kset = bus_kset; // 指向代表顶层bus的kset
priv->devices_kset = kset_create_and_add("devices", NULL, &priv->subsys.kobj);
priv->drivers_kset = kset_create_and_add("drivers", NULL, &priv->subsys.kobj);
生成的pci目录如下：
创建的devices和drivers如下：
- PCI总线注册后，重要的一个功能就是绑定设备和驱动，当由PCI设备注册到总线上时，它遍历总线上的所有驱动，调用match函数判断这对驱动和设备是否匹配。下一节具体介绍match的流程。
PCI驱动的注册
- 所有pci总线上的驱动都必须实现一个pci_driver的变量，这个结构中有一个device_driver结构，在注册PCI驱动程序时，这个结构将被初始化，如下：
static struct pci_driver virtio_pci_driver = {
.name = "virtio-pci",
.id_table = virtio_pci_id_table,
.probe = virtio_pci_probe,
.remove = virtio_pci_remove,
......
}
module_pci_driver(virtio_pci_driver)
pci_register_driver
__pci_register_driver
int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner,
const char *mod_name)
{
/* initialize common driver fields */
drv->driver.name = drv->name;
drv->driver.bus = &pci_bus_type; // 将驱动程序的总线指向了pci_bus_type
drv->driver.owner = owner;
drv->driver.mod_name = mod_name;
drv->driver.groups = drv->groups;
spin_lock_init(&drv->dynids.lock);
INIT_LIST_HEAD(&drv->dynids.list);
/* register with core */
return driver_register(&drv->driver); // 向驱动核心注册
}
- PCI驱动注册调用内核驱动核心接口driver_register，该接口会在sysfs目录建立相应的目录和属性文件，为用户空间提供控制驱动卸载和加载的接口，具体流程如下：
driver_register
driver_find // 查找是否总线上已存在相同驱动，防止重复注册
bus_add_driver
driver_create_file(drv, &driver_attr_uevent) // 在virtio-pci目录下创建uevent属性文件
add_bind_files(drv) // 在virtio-pci目录下创建bind/unbind属性文件
/* driver_attr_uevent 变量通过以下宏定义，其余driver属性文件类似 */
static DRIVER_ATTR_WO(uevent)
#define DRIVER_ATTR_WO(_name) \
struct driver_attribute driver_attr_##_name = __ATTR_WO(_name)
重点看unbind属性文件的创建，它为用户提供了卸载驱动的接口，当用户向unbind属性文件里面写入pci设备的地址时，内核会将该设备与其驱动解绑，相当于绑定的逆操作，对应的解邦操作函数unbind_store，如下：
/* Manually detach a device from its associated driver. */
static ssize_t unbind_store(struct device_driver *drv, const char *buf,
size_t count)
{
struct bus_type *bus = bus_get(drv->bus); // 找到驱动所在总线
struct device *dev;
int err = -ENODEV;
dev = bus_find_device_by_name(bus, NULL, buf); // 通过buf中存放的设备名字找到其在内核中对应的device
if (dev && dev->driver == drv) { // 确认设备的驱动就是自己
if (dev->parent) /* Needed for USB */
device_lock(dev->parent);
device_release_driver(dev); // 解绑定！！！
if (dev->parent)
device_unlock(dev->parent);
err = count;
}
put_device(dev);
bus_put(bus);
return err;
}
static DRIVER_ATTR_IGNORE_LOCKDEP(unbind, S_IWUSR, NULL, unbind_store)
#define DRIVER_ATTR_IGNORE_LOCKDEP(_name, _mode, _show, _store) \
struct driver_attribute driver_attr_##_name = \
__ATTR_IGNORE_LOCKDEP(_name, _mode, _show, _store)
回到virtio-pci驱动的注册流程都走完之后，sysfs中多了virtio-pci驱动的目录和属性文件，如下：
PCI设备的match
- PCI设备注册后，驱动核心遍历总线上每个驱动，依次执行match函数，查看是否能配对，下面这个函数时内核提供的遍历总线上所有驱动的工具函数，遍历PCI总线似乎没有用这个函数，但动作应该类似。
int bus_for_each_drv(struct bus_type * bus, struct device_driver * start,
void * data, int (*fn)(struct device_driver *, void *));
- match动作的具体流程如下，它判断设备和驱动能否绑定的标志，对virtio-pci设备来说，就是vendor id相等就可以了
pci_bus_match
pci_match_device
pci_match_id
pci_match_one_device
static inline const struct pci_device_id *
pci_match_one_device(const struct pci_device_id *id, const struct pci_dev *dev)
{
if ((id->vendor == PCI_ANY_ID || id->vendor == dev->vendor) &&
(id->device == PCI_ANY_ID || id->device == dev->device) &&
(id->subvendor == PCI_ANY_ID || id->subvendor == dev->subsystem_vendor) &&
(id->subdevice == PCI_ANY_ID || id->subdevice == dev->subsystem_device) &&
!((id->class ^ dev->class) & id->class_mask))
return id;
return NULL;
}
pci_match_one_device函数中，第一个参数是设备驱动注册时硬编码的ID结构体，第二个参数是pci设备，当PCI驱动指定的ID为PCI_ANY_ID时，表示可以匹配任何的ID，查看virtio_pci_driver注册时设置的virtio_pci_id_table，如下，可以看到，驱动只设置了vendor id，所有只要vendor id为0x1af4，都可以match成功。在系统枚举PCI设备时，已经从PCI设备的配置空间中读到了vendor id。因此，如果是virtio设备，不论是哪一种，都可以成功绑定virtio-pci驱动
static const struct pci_device_id virtio_pci_id_table[] = {
{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_REDHAT_QUMRANET, PCI_ANY_ID) },
{ 0 }
};
#define PCI_VENDOR_ID_REDHAT_QUMRANET 0x1af4
#define PCI_DEVICE(vend,dev) \
.vendor = (vend), .device = (dev), \
.subvendor = PCI_ANY_ID, .subdevice = PCI_ANY_ID
PCI设备的探测
PCI总线match设备和驱动成功后，驱动程序核心会把device结构中的driver指针指向这个驱动程序，两者就联系起来，然后调用device_driver结构中的probe函数探测PCI设备。这里就是virtio_pci_driver指定的virtio_pci_probe函数。probe的主要动作包含：
- 使能PCI设备BAR空间的映射能力，设置command寄存器的I/O space和memory space为1，将pci设备映射IO空间和内存空间的开关打开
- 读取virtio-pci设备配置空间的附加寄存器组，识别capability，读取PCI设备每个BAR内容到内存，并映射BAR空间到内核高地址
- 完善内核驱动核心数据结构，将virtio-pci设备注册到virtio总线上，这一步会触发virtio总线的match动作
映射BAR空间
- PCI设备的BAR寄存器已经被写入了PCI域的起始地址，但BAR空间还不能被驱动程序使用，需要将其映射到内核虚拟地址空间（3G-4G），才能使用
使能BAR空间
- PCI配置空间的command寄存器，控制着PCI设备对来自总线上的访问是否响应的开关。使能BAR空间，就是让PCI设备开放总线对PCI设备中IO或Memory空间的访问权限
virtio_pci_driver.probe
virtio_pci_probe
pci_enable_device
pci_enable_device
pci_enable_device_flags(dev, IORESOURCE_MEM | IORESOURCE_IO) // 打开内存和IO访问权限
do_pci_enable_device
pcibios_enable_device
pci_enable_resources
pci_write_config_word(dev, PCI_COMMAND, cmd) //向command寄存器字段写1
识别cap
- 使能BAR空间之后，开始查找BAR空间在设备上的位置，根据PCI的规范，我们首先要查看设备是否开启capability，如果开启再到PCI规范中约定的地方获取cap链表的起始偏移，virtio-pci cap布局如下：
cap探测入口在virtio_pci_modern_probe，如果是传统模式，入口在virtio_pci_legacy_probe，这里以modern probe为例
virtio_pci_probe
virtio_pci_modern_probe
virtio_pci_find_capability
pci_find_capability(dev, PCI_CAP_ID_VNDR)
pos = __pci_bus_find_cap_start // 判断入口点，如果是普通pci设备，返回0x34，这个地方存放cap链表的入口偏移
pos = __pci_find_next_cap // 依次搜索每一条cap，找到类型为PCI_CAP_ID_VNDR的第一个cap，返回它在配置空间的偏移
__pci_find_next_cap_ttl
函数首先通过pci_find_capability查找类型为PCI_CAP_ID_VNDR（0x9）的capability bar位置，这是PCI规范中定义的扩展capability类型，在查找前首先确定capability在配置空间的位置入口，检查PCI设备是否实现capabilty，如果实现了，是普通设备或者pci桥，它在配置空间偏移0x34的地方，如果是Card Bus，它在配置空间偏移0x14的地方，找到capabitliy起始位置后依次查找链表上每个cap，直到找到PCI_CAP_ID_VNDR类型的cap（检查cap空间type字段是否为PCI_CAP_ID_VNDR），找到后返回cap在配置空间中的偏移。整个过程关键代码和示意图如下
/**
* virtio_pci_find_capability - walk capabilities to find device info.
* @dev: the pci device
* @cfg_type: the VIRTIO_PCI_CAP_* value we seek
* @ioresource_types: IORESOURCE_MEM and/or IORESOURCE_IO.
*
* Returns offset of the capability, or 0.
*/
static inline int virtio_pci_find_capability(struct pci_dev *dev, u8 cfg_type,
u32 ioresource_types, int *bars)
{
int pos;
/* 查找cap结构的在配置空间中的偏移地址 */
for (pos = pci_find_capability(dev, PCI_CAP_ID_VNDR);
pos > 0;
pos = pci_find_next_capability(dev, pos, PCI_CAP_ID_VNDR)) {
u8 type, bar;
/* 取出virtio_pci_cap数据结构中type成员的值 */
pci_read_config_byte(dev, pos + offsetof(struct virtio_pci_cap, cfg_type), &type);
/* 取出virtio_pci_cap数据结构中bar成员的值 */
pci_read_config_byte(dev, pos + offsetof(struct virtio_pci_cap, bar), &bar);
/* Ignore structures with reserved BAR values */
if (bar > 0x5)
continue;
/* 如果是我们想要的type，返回该cap在配置空间中的偏移 */
if (type == cfg_type) {
if (pci_resource_len(dev, bar) &&
pci_resource_flags(dev, bar) & ioresource_types) {
*bars |= (1 << bar);
return pos;
}
}
}
return 0;
}
- cap偏移确认后，就可以找到virtio-pci存放在BAR空间的数据，cap中有4个成员是描述这个数据，bar指示数据放在第几个bar空间（取值0-5），cfg_type指示数据的类型，offset指示数据在bar空间的偏移，length存放数据长度。
/* This is the PCI capability header: */
struct virtio_pci_cap {
__u8 cap_vndr; /* Generic PCI field: PCI_CAP_ID_VNDR */
__u8 cap_next; /* Generic PCI field: next ptr. */
__u8 cap_len; /* Generic PCI field: capability length */
__u8 cfg_type; /* Identifies the structure. */
__u8 bar; /* Where to find it. */
__u8 padding[3]; /* Pad to full dword. */
__le32 offset; /* Offset within bar. */
__le32 length; /* Length of the structure, in bytes. */
};
映射
- 回到virtio_pci_modern_probe，依次找到virtio规范定义的几种类型的cap在配置空间的偏移，注意common，isr，notify和device变量存放的是配置空间的偏移，最后的device结构与具体virtio设备有关，每种virtio设备实现自己的配置空间，virtio-blk的device-specific结构为
virtio_blk_config
common = virtio_pci_find_capability(pci_dev, VIRTIO_PCI_CAP_COMMON_CFG,
IORESOURCE_IO | IORESOURCE_MEM,
&vp_dev->modern_bars);
isr = virtio_pci_find_capability(pci_dev, VIRTIO_PCI_CAP_ISR_CFG,
IORESOURCE_IO | IORESOURCE_MEM,
&vp_dev->modern_bars);
notify = virtio_pci_find_capability(pci_dev, VIRTIO_PCI_CAP_NOTIFY_CFG,
IORESOURCE_IO | IORESOURCE_MEM,
&vp_dev->modern_bars);
/* Device capability is only mandatory for devices that have
* device-specific configuration.
*/
device = virtio_pci_find_capability(pci_dev, VIRTIO_PCI_CAP_DEVICE_CFG,
IORESOURCE_IO | IORESOURCE_MEM,
&vp_dev->modern_bars);
map_capability将BAR空间映射到内核的虚拟地址空间（3G - 4G）
vp_dev->common = map_capability(pci_dev, common,
sizeof(struct virtio_pci_common_cfg), 4,
0, sizeof(struct virtio_pci_common_cfg),
NULL);
vp_dev->device = map_capability(pci_dev, device, 0, 4,
0, PAGE_SIZE,
&vp_dev->device_len);
map_capability
pci_iomap_range(dev, bar, offset, length)
if (flags & IORESOURCE_IO) // 如果BAR空间实现的是IO空间，将其映射到CPU的IO地址空间
return __pci_ioport_map(dev, start, len);
if (flags & IORESOURCE_MEM) // 如果BAR空间实现的内存空间，将其映射到CPU的内存地址空间
return ioremap(start, len);
注册virtio-pci方法
- 当PCI设备的物理探测完成后，virtio-pci设备的探测接近尾声，最后是注册所有virtio-pci设备都需要基本方法，包括操作virtqueue和virtio-pci配置空间的
/* Again, we don't know how much we should map, but PAGE_SIZE
* is more than enough for all existing devices.
*/
if (device) {
vp_dev->device = map_capability(pci_dev, device, 0, 4,
0, PAGE_SIZE,
&vp_dev->device_len);
if (!vp_dev->device)
goto err_map_device;
vp_dev->vdev.config = &virtio_pci_config_ops; // 注册配置空间操作函数
} else {
vp_dev->vdev.config = &virtio_pci_config_nodev_ops;
}
vp_dev->config_vector = vp_config_vector;
vp_dev->setup_vq = setup_vq; // 注册virtqueue初始化函数
vp_dev->del_vq = del_vq;
注册设备到virtio总线
- virtio-pci设备的probe过程，完成了BAR空间映射，注册config操作函数和virtqueue操作函数。作为virtio设备的父类，virtio-pci设备为它们完成了这些通用操作，接下来就是每个virtio设备的probe。通过
register_virtio_device函数向virtio总线注册设备，可以触发virtio总线上的match操作，然后进行virtio设备的探测，这里我们以virtio-blk设备为例，流程如下：
virtio_pci_probe
pci_enable_device
virtio_pci_modern_probe
register_virtio_device
dev->dev.bus = &virtio_bus // 将virtio_device.dev.bus设置成virito总线！！！
dev->config->reset(dev) // 复位virtio设备
virtio_add_status(dev, VIRTIO_CONFIG_S_ACKNOWLEDGE) // 设置设备状态为ACKNOWLEDGE，表示我们已经发现这个virtio设备
device_register(&dev->dev) // 向virtio总线注册设备，触发总线上的match操作
- 将PCI设备注册到virtio总线后，关于virtio-pci设备的初始化就告一段落，后面就是具体virtio设备的驱动加载和探测，包括以下设备，下面一章我们选取block device继续进行分析
1af4:1041 network device (modern)
1af4:1042 block device (modern)
1af4:1043 console device (modern)
1af4:1044 entropy generator device (modern)
1af4:1045 balloon device (modern)
1af4:1048 SCSI host bus adapter device (modern)
1af4:1049 9p filesystem device (modern)
1af4:1050 virtio gpu device (modern)
1af4:1052 virtio input device (modern)
legacy:
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_NET 0x1000
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_BLOCK 0x1001
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_BALLOON 0x1002
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_CONSOLE 0x1003
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_SCSI 0x1004
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_RNG 0x1005
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_9P 0x1009
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_VSOCK 0x1012
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_PMEM 0x1013
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_IOMMU 0x1014
#define PCI_DEVICE_ID_VIRTIO_MEM 0x1015