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从linux设备驱动模型看virtio初始化

linux设备驱动模型看virtio初始化

——lvyilong316

我们看linux kernelvirtio驱动相关代码,会发现有很多相关文件。首先有virtio.c这种文件,其次还有virtio_pci.cvirtio_scsi.c等这些文件,还有virtio_net.cvirtio_blk.cvirtio_balloon.c等这些。那么这些文件是什么关系呢?其次里面很多还有各自probe函数,到底是如何调用的,例如以网络的virtio_net到底是从哪里开始初始化的?要理清这些关系需要以linux设备驱动模型为背景展开讨论。这篇文章,我们以linux kernel 3.10代码为例,分析一下virtio的相关组织关系,以及设备初始化调用流程。

总线及驱动的注册

    linux设备驱动模型的核心有三个概念:设备(device),驱动(driver),总线(bus)。而如果我们把virtio的相关关系梳理清楚后,以网络virtio_net为例映射到设备驱动模型,就得到了下图。我们这个小节后面就以下图为背景展开。

1

linuxvirtio实现分离成两部分:和物理总线标准相关的(如pciscsi等),和物理总线标准无关的。

图中左侧部分即和物理总线相关的实现,这里以pci为了,当然virtio也支持其他总线类型,如scsivirtio-pcivirtio对应pci的驱动实现,所以virtio-pci是一个pci总线上的一个驱动。它通过如下方式注册到pci总线上去。

l  virtio-pci驱动注册

  1. /*virtio_pci.c*/
  2. static DEFINE_PCI_DEVICE_TABLE(virtio_pci_id_table) = {
  3.     { PCI_DEVICE(0x1af4, PCI_ANY_ID) },
  4.     { 0 }
  5. };

  6. static struct pci_driver virtio_pci_driver = {
  7.     .name        = "virtio-pci",
  8.     .id_table    = virtio_pci_id_table,
  9.     .probe        = virtio_pci_probe,
  10.     .remove        = virtio_pci_remove,
  11. #ifdef CONFIG_PM
  12.     .driver.pm    = &virtio_pci_pm_ops,
  13. #endif
  14. };

    如代码描述,这个驱动的名字叫"virtio-pci",注册到pci总线上后我们就能在sys文件系统中看到这个目录了。

    pci总线的创建时在系统启动初始化进行的,图中已经列出相关函数调用路径,这里就不再展开。

然后我们看图右边,virtio将和物理总线无关的部分抽象出了一个虚拟总线的概念,即我们看到的virtio。我们看这个总线是如果注册的。

l  virtio总线的注册

  1. /*virtio.c*/
  2. static struct bus_type virtio_bus = {
  3.     .name = "virtio",
  4.     .match = virtio_dev_match,
  5.     .dev_attrs = virtio_dev_attrs,
  6.     .uevent = virtio_uevent,
  7.     .probe = virtio_dev_probe,
  8.     .remove = virtio_dev_remove,
  9. };

  10. static int virtio_init(void)
  11. {
  12.     if (bus_register(&virtio_bus) != 0)
  13.         panic("virtio bus registration failed");
  14.     return 0;
  15. }

  16. core_initcall(virtio_init);

如代码所示,这个总线的名字叫virtio,通过bus_register就将virtio总线注册进系统,可以在sys文件系统中查看。

l  virtio-net驱动注册

最后我们看我们经常接触到设备驱动的初始化,我们以网络驱动virtio_net为例,其对应的驱动为virtio-net。其注册过程如下。

  1. /* virtio-net.c */
  2. static struct virtio_device_id id_table[] = {
  3.     { VIRTIO_ID_NET, VIRTIO_DEV_ANY_ID },
  4.     { 0 },
  5. };

  6. static struct virtio_driver virtio_net_driver = {
  7.     .feature_table = features,
  8.     .feature_table_size = ARRAY_SIZE(features),
  9.     .driver.name =    KBUILD_MODNAME,
  10.     .driver.owner =    THIS_MODULE,
  11.     .id_table =    id_table,
  12.     .probe =    virtnet_probe,
  13.     .remove =    virtnet_remove,
  14.     .config_changed = virtnet_config_changed,
  15. #ifdef CONFIG_PM
  16.     .freeze =    virtnet_freeze,
  17.     .restore =    virtnet_restore,
  18. #endif
  19. };
  20. module_virtio_driver(virtio_net_driver);

  21. #define module_virtio_driver(__virtio_driver) \
  22.     module_driver(__virtio_driver, register_virtio_driver, \
  23.             unregister_virtio_driver)

  24. int register_virtio_driver(struct virtio_driver *driver)
  25. {
  26.     /* Catch this early. */
  27.     BUG_ON(driver->feature_table_size && !driver->feature_table);
  28.     driver->driver.bus = &virtio_bus;
  29.     return driver_register(&driver->driver);
  30. }

最终通过register_virtio_driver函数将驱动的bus设置为之前注册的virtio总线,完成总线的注册。这样我们就能在sys文件系统对应virtio总线下的drivers目录看到这个驱动了。

    所以我们再回头来看图1,可以看到virtio设备是横跨两类总线及驱动的。

virtio设备的初始化流程

梳理清楚virtio相关设备,总线及驱动关系后我们看下virtio设备的初始化过程,我们还是以网络virtio_net设备为例子。这个初始化过程如下图2中的黄色部分所示。

2

首先是系统启动kernel初始化阶段,pci子系统调用pci_scan_device发现pci网卡设备,并初始化对应pci_dev结构,然后将去注册到pci总线上(dev->dev.bus=&pci_bus_type)。同时设置devicevendor_id0x1AF4virtiopci vendor_iddevice_id1

然后当我们加载virtio-pci驱动时,当调用module_pci_driver(virtio_pci_driver)virtio-pci驱动注册在pci总线上时,在linux设备驱动模型中,这会导致对pci总线设备链表上未被驱动绑定的每个设备调用pci总线的match回调函数,即pci_bus_match函数。原型如下:

static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)

pci_bus_match函数将linux设备驱动模型核心出入的device结构转换为pci_dev结构,将device_driver结构转换为pci_driver结构,之后调用pci_match_device函数判断pci设备结构是否有匹配的pci设备ID结构。如果有则判断设备的pci ID和驱动设置的id_table中是否一样,如果一样说明设备和驱动匹配(这里设备的vendor_idvirtio-pcivirtio_pci_id_table匹配),将struct devicedriver指针指向驱动,然后调用pci总线的probe函数,即pci_deivce_probe函数。这个函数再次将struct device强制转换成struct pci_dev,将设置在设备中的driver结构强制转换为struct pci_derver。它再次校验这个驱动能否支持这个设备,递增设备的引用计数,然后调用pci驱动probe函数(virtio-pciprobe函数virtio_pci_probe),传入它应该绑定到的struct pci_dev结构体指针。这就进入到了图2中黄色部分的函数调用链了。

    在开始梳理virtio_net初始化调用链前我们先看其对应的结构struct virtio_pci_device,将其展开得到图3

3

我们看到virtio_pci_device可以分为两部分,一部分是和pci总线相关的设备对应struct pci_dev,另一部分是和virtio总线相关的设备对应struct virtio_device

virtio_pci_probe函数主要负责完成pci_dev部分的初始化,已经virtio_device部分初始化,然后调用register_virtio_device函数。

register_virtio_device函数将virtio_device的设备总线设置为virtio总线,然后调用device_registervirtio_device对应的设备添加到virtio总线上。这个添加总线的动作,会触发virtio总线的match函数即virtio_dev_match调用,同样该函数会比较设备devpci id和驱动id (virtio netdevid1),如果匹配则virtio busprobe函数virtio_dev_probe将被调用。其中又会调用对应驱动的probe函数,即virtnet_probe。而virtnet_probe将会完成virtio net设备struct virtio_device剩余部分的初始化。

到此,virtio net的初始化流程就已经梳理清楚了。virtio net设备创建完成后也会分别出现在pci总线和virtio总线的drvices目录下。

 

最后附上virtio的其他类型设备id

  1. #define VIRTIO_ID_NET        1 /* virtio net */
  2. #define VIRTIO_ID_BLOCK        2 /* virtio block */
  3. #define VIRTIO_ID_CONSOLE    3 /* virtio console */
  4. #define VIRTIO_ID_RNG        4 /* virtio rng */
  5. #define VIRTIO_ID_BALLOON    5 /* virtio balloon */
  6. #define VIRTIO_ID_RPMSG        7 /* virtio remote processor messaging */
  7. #define VIRTIO_ID_SCSI        8 /* virtio scsi */
  8. #define VIRTIO_ID_9P        9 /* 9p virtio console */
  9. #define VIRTIO_ID_RPROC_SERIAL 11 /* virtio remoteproc serial link */
  10. #define VIRTIO_ID_CAIF     12 /* Virtio caif */


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