VirtIO实现原理 —— PCI基础（1）

摘要

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。

一、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，我称其为通用配置空间。

1. 通用配置空间

通用配置空间如下图所示：

（1）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。

（2）device id

厂商下的产品ID。传统virtio-blk设备，这里是0x1001。

（3）revision id

设备版本ID。厂商决定是否使用，这里未使用。

（4）header type

pci设备类型。0x00表示普通设备、0x01表示pci bridge、0x02表示CardBus bridge。virtio是普通设备，这里是0x00。

通用配置空间即PCI配置空间前16字节中的以上4个地方用来识别virtio设备。

（5）command

command字段用来控制pci设备，打开某些功能的开关。对于virtio-blk设备来说，是（0x0507 = 0b01010111）。command的各字段含义如下图所示：

其中，低三位的含义如下：

• I/O Space位

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位

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位

控制PCI设备是否具有作为Master角色的权限。

（6）status

status字段用来记录pci设备的状态信息。对于virtio-blk设备，是（0x10 = 0b00010000）。status各字段含义如下图所示：

其中，Capabilities List位的含义如下：

• Capabilities List位

Capabilities List是pci规范定义的附加空间标志位，其意义是允许在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设备为例，它标记了这个位，因此在virtio-blk设备的配置空间之后，还有一段空间用来实现virtio-blk的一些特有功能。此处，Capabilities List位为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设备配置空间的内容可以通过lspci命令查看到，如下图所示：

2. 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。

上面已提到，PCI规范通过status字段的capabilities list位标记自己在64字节预定义配置空间之后有附加的寄存器组，capabilities pointer字段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。如下图所示（仍然是上图中的信息）：

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；另一种是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：

上图中右侧是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。右侧描述了virtio-blk的capability布局，左边是每个capability指向的物理地址空间布局。

根据virtio spec的规范，要实现virtio-pci的capabilty，其布局应该如下：

• cap_vndr

表示capability类型。

• cap_next

表示下一个capability在pci配置空间的位置。

• cap_len

表示capability这个数据结构的长度。

• cfg_type

表示配置类型。cfg_type通过如下取值，将virtio-pci的capability又细分成几类：

3. 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端数据传输。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：

本文内容较多，为了更好地理解与消化，其余内容放在下一回。