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");
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。