Linux内核 -- 虚拟化之virtio驱动程序实现

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：

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。
高效性：通过直接的数据传输机制（如 Virtqueues）提高数据传输效率。
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。
兼容性：与各种虚拟化平台（如 KVM 和 QEMU）兼容。

基本用法

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);

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

module_virtio_driver(my_virtio_driver);

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

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");

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,
    ...
};

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);

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。
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);

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");

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);

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");