virtio技术（2）设备规范

概述

virtio协议定义了virtio通信遵循的接口，包含设备状态、设备支持的特性以及前后端数据传输的通道（virtqueue）。目前在使用的virtio规范有三个版本：0.95、1.0和1.1。0.95版本是目前广泛在使用的版本，称为传统模式；1.0版本中协议将设备的配置部分做了一些调整，被称为现代模式；1.1版本则主要是新增了packed virtqueue的支持。本文重点关注于virtio设备相关的规范定义。

virtio设备

virtio作为一个通用半虚拟化框架，可以在不同类型设备总线之上实现，包括PCI、MMIO、channel IO等。virtio协议规范的定义的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

在此我们基于最普遍的PCI总线介绍virtio设备实现。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。

传统virtio-pci设备的配置空间

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设备的配置空间

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》