virtio

virtio 是一种 I/O 半虚拟化解决方案，是一套通用 I/O 设备虚拟化的程序，是对半虚拟化 Hypervisor 中的一组通用 I/O 设备的抽象。提供了一套上层应用与各 Hypervisor 虚拟化设备（KVM，Xen，VMware等）之间的通信框架和编程接口，减少跨平台所带来的兼容性问题，大大提高驱动程序开发效率。

历史背景

qemu支持多种设备，例如网卡有e1000,virtio等，其中e1000属于全虚拟化设备，它模拟了一个真实的硬件设备，提供的访问接口完全遵循硬件手册，当虚拟机使用全虚拟化设备时根本感知不到自身属于虚拟机。而virtio设备是一个专为虚拟化而设计的，早期并没有对应的硬件设备，需要重新编写驱动来使用这个设备，从而一定程度上根据驱动可以判定自身处于虚拟机环境中。相比于半虚拟化设备，访问完全仿真的硬件设备需要更多的陷入/陷出操作和更多的内存拷贝操作。早期的开发者Rusty Russell设计并实现了virtio，之后成为了virtio规范, 经历了0.95, 1.0, 1.1版本的演进。0.95之前称为传统virtio设备，1.0修改了一些PCI配置空间访问方式和virtqueue的优化和特定设备的约定，查看详情。之后虚拟化技术飞速发展，纯粹的virtio软件性能已经满足不了需要，有部分半导体厂商就开始将virtio固化成硬件来提升性能，发现原来为半虚拟化软件实现设计的virtqueue对硬件cache性能不友好，那么干脆找人修改规范，也就有了1.1版本中增加的packed virtqueue支持.

基于PCI的virtio设备

virtio设备可以是基于MMIO，PCI，Channel I/O,目前基于PCI实现最为广泛，下面也主要是基于PCI的virtio 设备解释规范。规范分为两部分，一部分是virtio设备规范，另外一部分是virtio设备接入系统的方式规范，层级关系为:

半虚拟化接口 半虚拟化和e1000_数据

virtio设备本身的规范

1.1 status,可以判断当前的设备和驱动的状态，主要在驱动初始化时显示状态。
    ACKNOWLEDGE：guest已经识别到设备，准备匹配驱动了
    DRIVER：guest已经找到设备的驱动
    FEATURES_OK:驱动已经和设备协商好feature
    DRIVER_OK:驱动已经ready，可以工作了
    FAILED:驱动匹配过程中出错了
    DEVICE_NEEDS_RESET:设备需要重置
1.2 feature协商:device和driver各自有自己的feature集合，device向driver提供它支持的feature，driver读取device的feature并告诉device它支持的feature子集，这样不同版本的驱动和device可以互相兼容，找一个最大子集进行工作。
    0-23：device和driver自定义使用
    24-37：给queue和feature协商使用
    38+：目前是reserved状态，未使用
1.3 中断和notify
	device通过中断通知driver，driver通过notify通知device，还有一个是device配置空间改变时发送中断给driver
1.4 virtqueue
	设备和驱动数据通信的方式，每个设备包含1个和多个queue, 又称为vring：Descriptor table，available buffer table, used buffer table;

virtio PCI规范

PCI virtio设备的VID和PID:

Vendor ID:0x1AF4
Device ID: 0x1000- 0x107f;
	0x1000- 0x1040是legacy, 0x1040- 0x107f是modern,其中driver识别device ID, id - 0x1040就是传统的virtio device id. 例如网卡可以是0x1000也可以是0x1041

linux kernel中PCI总线通过VID和PID来匹配PCI驱动，通过VID判断是virtio设备，注册到virtio bus;virtio bus根据注册设备的PID来进一步匹配设备驱动

legacy的device id,在此基础上加0x40即是Modern PCI设备的PID，主要是两者规范不同且部分不兼容，在驱动中使用两种方式来操作virtio PCI设备:virtio_pci_modern.c, virtio_pci_legacy.c。

0x1000 network card
0x1001 block device
0x1002 memory ballooning (traditional)
0x1003 console
0x1004 SCSI host
0x1005 entropy source
0x1009 9P transport

virtio ring

split virtqueue

一个vring实际上就包含三个环形的buffer，因为存放的信息都不是数据而是元数据，所以换了个名称:descriptor table，available table，used table。

  1. 这些表只能被device或driver写，不能两个同时写，因为写要加锁，就需要临界区保护
  2. 通过读/写顺序保证，不会有两方同时读/写一块区域的情况，免除同步问题
  3. 允许读写同时操作的区域都是原子操作来保证数据的完整性
  4. 通过buffer的角度看，driver是生产者，device是消费者，无论是提供空数据的buffer让device写，还是提供数据buffer让device处理。buffer是有driver维护的，device只有读/写数据的权限，对buffer本身是没有任何主权的
  • descriptor table
    保存有buffer的信息，driver可写
  • available table
    保存有descriptor table的索引，间接指向buffer,提供buffer给device
  • used table
    保存有descriptor table的索引，间接指向buffer，指示已经消费完成的buffer

半虚拟化接口 半虚拟化和e1000_数据_02

逻辑上三个表的关系如上图：

  1. 每个表的大小都是nr queue
  2. descriptor table中保存的信息buffer
  3. 如果一次插入多个多个buffer，buffer的数量不能超过queue的queue_size;有两种方式，如果支持INDIRECT特性，则会申请一个indirect descriptor buffer用来存储buffer的信息，descriptor table指向indirect descriptor table区域并且flag反映这种情况，置位INDIRECT位；如果不支持INDIRECT特性则插入多个descriptor的信息，并置位NEXT位flag表示后续还有buffer，最后一个descriptor table项没有NEXT；两者方式目前不会混用，优先使用indirect descriptor table方式。
  4. 如果device可写则置位WRITE flag，表示device生产数据，driver消费数据；否则表示device只读，driver生产数据

通知优化

但是在实际使用时，三张表是放在一起的，还额外加了一些东西来优化通知和中断.首先是feature协商过程中，双方是否支持VIRTIO_RING_F_EVENT_IDX特性，如果不支持则每次操作available/used table时都需要通知对方。
如果支持该特性，则每次VM都会发布以下它期望收到中断的used index,只有当host满足条件时才会投递中断；同样的，host发布它期望收到notify的available index, VM每次通知时检查是否满足条件才决定是否通知host。

packed virtqueue

TODO