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Virtio.md

File metadata and controls

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Virtio

virtio 為 device 與 paravirtualized hypervisor 之間的 abstraction layer

虛擬化分成全虛擬化以及半虛擬化：

  • 全 (Full Virtualization): guest OS 直接跑在 hypervisor 上
    • 虛擬 OS 運行的所有環境
    • 使用 Hosted hypervisor
    • E.g. Virtual PC、VM-Ware，Virtual Box、KVM
  • 半: guest OS 與 hypervisor 溝通來做事
    • Focuse 在實現硬體層級的虛擬化層，修改 kernel 使得原本不能被虛擬化的指令，透過 interface 像硬體提出請求
    • 知道自己在 virtual mode 執行
    • 使用 Bare-Metal hypervisor
    • E.g. Xen、Microsoft Hyper-V (Parent Partition)、Citrix XenServer
  • 關於 emulator / hypervisor / vm 的關係可以參考 stack overflow 上的文章
    • VM 強調 CPU self-virtualization，提供與 real hardware 溝通的 virtualized interface
    • Emulators 模擬 hardware，並且不依靠 CPU 跑 code
    • hypervisor 精確來說是 mediates protected access
  • more info

在全虛擬化的環境中，hypervisor 遇到 trap 會開始模擬硬體請求，雖有彈性但是比較慢。而半虛擬化則會透過 virtio 作為 Guest OS 與 hypervisor 的 interface，其中 Guest OS 為前端、hypervisor 為後端，而後一樣模擬請求並做回覆，實際例子為 QEMU。

  • QEMU 為 full-system 的 emulator，能夠模擬許多 device，像是 PCI host controller, disk, network, video hardware, USB controller 等
  • KVM 為 hypervisor，可以把 kernel 直接作為 hypervisor，能夠虛擬化 memory 以及 CPU
    • 不過 KVM 是以 kernel module 的方式存在於 linux kernel 當中
  • 在 qemu-kvm 中，KVM 負責 kernel mode， qemu 負責 usermode

virtio customed layer

  • Virtual Queue 能夠將前後端的驅動串在一起，如 network 驅動使用兩個 VQ，一個接收一個發送
  • virtio_driver 為 Guest OS 的前端驅動
    • 會用 register_virtio_driver() 來註冊驅動
    • 發現新 device 時會用 probe() 來匹配
  • virtio_device 為對應的 device
    • virtio_config_ops 定義各個 device 的 operation
  • virtqueue 的 vdev 指向 virtio_device ，且有個 virtqueue_ops member 用來定義與 hypervisor 做溝通時的排序操作
    • 用 virtio_config_ops.find_vq() 來找與自己有關的 device
    • virtqueue_ops 定義 GuestOS 與 hypervisor 在傳遞資料的規則

名詞

  • MMIO - memory mapped I/O
    • 直接使用普通的 instruction 就可以存取 device I/O
    • memory 與 device 共享
    • kernel mode
      • map: ioremap()
      • 讀: readb(), readw(), ...
      • 寫: writeb(), writew(), ...
    • user mode
      • open file: open("/sys/devices/pci0000:00/0000:00:04.0/resource0", O_RDWR | O_SYNC)
      • map: mmap(0, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, mmio_fd, 0)
  • PMIO - port mapped I/O
    • 需要透過 IN 或 OUT 來存取 I/O interface，因為有各自的 memory region
    • 使用如 outb, outw, outl 的 instruction 來做操作
    • user mode 在使用 out 與 in 的 operation 前，需要執行 iopl(3) 來更新 IO privilege
      • 較新的 function 使用 ioperm()
  • lspci - 印出 PCI 的相關資訊
    • format: Bus:Device:功能
    • PCI 最多能有 256 個 bus、每個 bus 最多能有 32 個 devices、每個 device 最多能有 8 個功能

開發人員能透過 QOM (QEMU Object Module) 來制定 device 的硬體資源與操作:

  • 常見的結構: TypeInfo, TypeImpl, ObjectClass, Object
  • TypeInfo 定義 Type 的結構，再透過 type_register(TypeInfo) or type_register_static(TypeInfo) 來註冊，即可產生對應的 TypeImpl
  • 當執行完 type_register_static() 後，qemu 會在 type_initialize() 建構對應的 ObjectClasses，也就是說每個 Type 都會對到一個 ObjectClass
  • parent 初始化完後用 TypeInfo::class_init() 來產生 ObjectClass 的 instance
  • TypeInfo 內有幾個 function pointer 負責做初始化:
    • instance_init: 初始化並建立 Object instance
    • class_init: 初始化並建立 ObjectClass instance

學習資源: