一、概述

?virtio設備可以基于不同總線來實現，本文介紹基于pci實現的virtio-pci設備。以virtio-blk為例，首先介紹PCI配置空間內容，virtio-pci實現的硬件基礎——capability，最后分析PIC設備的初始化以及virtio-pci設備的初始化。

再后面不詳細介紹PCI太多的知識， 已virtio 相關為主。

?二、PCI 配置空間

virtio設備作為pci設備，必須實現pci local bus spec規定的配置空間（最大256字節，現在有的最大是1K，看芯片自己設置， 只要前64字節是PCI標準）。前64字節是spec中定義好的，稱預定義空間。其中前16字節對所有類型的PCI設備都相同，之后的空間格式因類型而不同，對前16字節空間，我稱其為通用配置空間。

2.1 通用配置空間

通用配置空間如下圖所示：

（1）vendor id

廠商ID，用來標識PCI設備出自哪個廠商。這里是0x1af4，來自Red Hat。

（2）device id

廠商下的產品ID。傳統virtio-blk設備，這里是0x1001。

（3）revision id

設備版本ID。廠商決定是否使用，這里未使用。

（4）header type

pci設備類型。0x00表示普通設備、0x01表示pci bridge、0x02表示CardBus bridge。virtio是普通設備，這里是0x00。

通用配置空間即PCI配置空間前16字節中的以上4個地方用來識別virtio設備。

（5）command

command字段用來控制pci設備，打開某些功能的開關。對于virtio-blk設備來說，是（0x0507 = 0b01010111）。command的各字段含義如下圖所示：

其中，低三位的含義如下：

• I/O Space位

如果PCI設備實現了IO空間，該字段用來控制是否接收總線上對IO空間的訪問；如果PCI設備沒有IO空間，該字段不可寫。

• Memory Space位

如果PCI設備實現了內存空間，該字段用來控制是否接收總線上對內存空間的訪問；如果PCI設備沒有內存空間，該字段不可寫。

• Bus Master位

控制PCI設備是否具有作為Master角色的權限。

（6）status

status字段用來記錄pci設備的狀態信息。對于virtio-blk設備，是（0x10 = 0b00010000）。status各字段含義如下圖所示：

其中，Capabilities List位的含義如下：

• Capabilities List位

Capabilities List是pci規范定義的附加空間標志位，其意義是允許在pci設備配置空間之后加上額外的寄存器。這些寄存器由Capability List組織起來，用來實現特定的功能，附加空間在64字節配置空間之后，最大不能超過256字節。以virtio-blk設備為例，它標記了這個位，因此在virtio-blk設備的配置空間之后，還有一段空間用來實現virtio-blk的一些特有功能。此處，Capabilities List位為1表示Capabilities Pointer字段（0x34）存放了附加寄存器組的起始地址。這里的地址表示附加空間在PCI設備空間內的偏移。

virtio-blk設備配置空間的內容可以通過lspci命令查看到，如下圖所示：

2.2 virtio 配置空間

virtio-pci設備實現pci spec規定的通用配置空間后，設計了自己的配置空間，用來實現virtio-pci的功能。

上面已提到，PCI規范通過status字段的capabilities list位標記自己在64字節預定義配置空間之后有附加的寄存器組，capabilities pointer字段會存放寄存器組鏈表的頭部指針，這里的指針代表寄存器在配置空間內的偏移。如下圖所示（仍然是上圖中的信息）：

pci spec中描述的capabilities list格式如下：第1個字節存放capability ID，標識后面配置空間實現的是哪種capability，第2個字節存放下一個capability的地址。capability ID查閱參見pci spec3.0

virtio-blk實現的capability有兩種：一種是MSI-X（ Message Signaled Interrupts - Extension），ID為0x11；另一種是Vendor Specific，ID為0x9。后面一種capability設計目的就是讓廠商實現自己的功能。virtio-blk的實現以此為基礎。

virtio-pci根據自己的功能需求，設計了如下的capabilities布局：

上圖中右側是6個capability，其中5個用做描述virtio-pci的capability，1個用作描述MSI-X的capability。這里我們只介紹用作virtio-pci的capability。右側描述了virtio-blk的capability布局，左邊是每個capability指向的物理地址空間布局。

根據virtio spec的規范，要實現virtio-pci的capabilty，其布局應該如下：

• cap_vndr

表示capability類型。

• cap_next

表示下一個capability在pci配置空間的位置。

• cap_len

表示capability這個數據結構的長度。

• cfg_type

表示配置類型。cfg_type通過如下取值，將virtio-pci的capability又細分成幾類：

2.3?virtio通用配置空間

capability中最核心的內容是virtio_pci_common_cfg，它是virtio前后端溝通的主要橋梁。common config分兩部分：第一部分用于設備配置；第二部分用于virtqueue使用。virtio驅動初始化利用第一部分來和后端進行溝通協商，比如支持的特性（guest_feature），初始化時設備的狀態（device_status），設備的virtqueue個數（num_queues）。第二部分用來實現前后端數據傳輸。后面會詳細提到兩部分在virtio初始化和數據傳輸中的作用。virtio_pci_common_cfg數據結構如下：

三、pci 的枚舉和配置

這部分百度上很多， 在之前的文章也寫到了， 在這不贅述了。

注意三點就行：

1. 枚舉過程中訪問pci配置空間寄存器，軟件接口是往特定寄存器寫東西，真正發起讀寫請求的，是host bridge，它在pci總線上傳輸的是command type為configuration wirte/read的transaction。配置完成后，軟件對pci bar空間關聯的內存進行讀寫，可以直接使用mov內存訪問指令，這時候host bridge在pci總線上傳輸的是command type為IO Read/Write或者Memory Read/Write的transaction。
2. pci設備被配置之后，bar寄存器中存放了關聯的內存起始地址，這個地址是pci總線域的物理地址，不是cpu域的物理地址，雖然這兩個值一樣，但這只是x86這種架構的特殊情況，因為host bridge轉換的時候是一一映射的，才造成這種假象。在別的架構上，比如power pc，cpu域的地址想要訪問pci總線域的地址，需要通過host bridge進行地址轉換才能進行，兩種地址并不相同。
3. pci設備被配置之后，雖然看上去軟件可以像訪問內存一樣訪問pci設備的bar的空間，但cpu真正訪問的時候，是要把地址交給host bridge，讓它去訪問才可以。可以說，訪問pci設備bar空間的不是cpu，而是host bridge。至始至終，cpu都不能直接管理pci設備的bar空間，它只能通過host bridge來間接管理。

四、virtio-pci驅動初始化