第4章 io设备虚拟化

Io设备的虚拟化，不可避免要涉及到设备的概念和隐藏在设备背后的总线。理解了这两个概念，就比较容易理解io设备的虚拟化。

4.1   设备，总线和驱动

设备是计算机系统中一个重要概念。通常的显卡网卡声卡等设备，都是先插入计算机系统的PCI总线插槽(早期还有ISA，MCA总线等。现在PC领域基本PCI总线统一了)，然后安装驱动，之后应用程序可以通过文件系统打开和读写设备文件。这个过程可以从三个层面理解：设备本身的特性，总线和操作系统对设备的处理，驱动层次。

以PCI设备为例，一个PCI设备，本身就包含一个配置表。配置表包含设备制造商填充的厂商信息，设备属性等等的通用配置信息。此外，设备厂商还应该提供设备的控制寄存器信息，通过这些控制寄存器，系统可以设置设备的状态，控制设备的运行，或者从设备获得状态信息。另外设备还可能配备了内存（也有的设备可能没有），系统可以读写设备的内存。用图3-1来解释设备的基本信息：

                 

图3-1  设备配置表的信息

如上图，设备本身有一些配置信息。配置信息里面的设备内存基址，指示了设备内存的地址和长度，而设备寄存器基址，则指向了设备的寄存器地址和长度。该设备有两个寄存器，一个输入寄存器，一个输出寄存器。当输入寄存器写入数值后，可以从输出寄存器读到另一个数值。

设备寄存器基址，这个概念有点难理解。实际上，可以看做是一个地址，对这个地址写指令，就可以控制设备。所以，设备寄存器其实就是设备的控制接口。这个接口必须要映射到计算机系统的io空间，这样内核就可以访问设备了。

4.1.1 io端口和io内存

不同的处理器对io访问有不同的处理方式。对X86系统来说，专门提供了特别的指令来访问设备寄存器。所有这些设备寄存器占据了65536个8位的空间。这个空间称为计算机的IO端口空间。

对上文的例子设备来说，需要把设备的寄存器基址纳入到系统的IO端口空间里面，然后驱动就可以通过系统提供的特别指令来访问设备的寄存器。假设设备厂商提供的寄存器基址是0x1c00，长度是8个字节。那么有两种情况，一种是这个0x1c00地址和别的设备没有冲突，可以直接使用，那么操作系统内核就记录设备的寄存器基址为0x1c00，驱动通过X86系统提供的io指令访问0x1c00 io地址，或者叫0x1c00 io端口，就可以设置设备输入寄存器的内容。访问地址0x1c04，就可以读到设备输出寄存器的内容。

另外一种情况是其它设备也使用了0x1c00这个io地址。那么操作系统内核就需要寻找一个合适的寄存器基址，然后更新设备的寄存器基址，并记录到内核的设备信息里面。驱动使用x86的io指令，访问这个更新的地址，就可以设置设备输入寄存器的内容了。

通过设备的io端口访问设备寄存器来控制设备，这就是设备驱动的功能。设备厂商会提供设备寄存器的详细内容，这也是驱动开发者所必须关注的。而发现设备，扫描设备信息，为设备提供合适的io地址空间，这是内核的总线部分要处理的事情。后文将继续分析。

设备的内存处理过程差不多一样。内核同样要读取设备内存基址，然后找到合适的内存空间，把设备的内存映射到内存空间。然后驱动就可以标准的内存接口访问设备的内存了。

4.1.2 总线

设备的配置信息提供了设备寄存器基址和设备内存基址。因此首先要读到这两个寄存器的内容，也就是设备寄存器基址和长度以及设备内存基址和长度，然后操作系统才能安排合适的io端口和io内存。

但是如何去读设备的配置信息？X86系统使用的PCI总线对这个问题的解决方法是：保留了8个字节的io端口地址，就是0xCF8~0xCFF。要访问设备的某个配置信息，先往0xCF8地址写入目标地址信息，然后通过0xCFC地址读数据，就可以获得这个配置信息。这里的写和读，都使用的是x86所特有的io指令。

写入0xCF8的目标地址信息，是一种包括了总线号，设备号，功能号和配置寄存器地址的综合信息。

1） 总线对设备的扫描和管理

计算机系统的设备是如何被发现的？对PCI总线上的设备来说，这是总线扫描所得到的结果（非PCI总线各有各自的扫描方式）。每个PCI设备有一个总线号，一个设备号，一个功能号标识。Pci规范允许一个系统最多拥有256条总线，每条总线最多可以带32个设备，每个设备可以是最多8个功能的多功能板。Pci扫描就是对单条总线的地址范围进行扫描。根据前面关于pci配置信息的知识，如果某个地址存在设备，那么在0xCF8写入目标地址信息，就可以从0xCFC读到设备的信息。包括设备的io端口和io内存，设备的中断号和DMA信息。对每个读到的pci设备，都要为它创建设备对象。

2） 总线对驱动和设备的管理

当设备插入计算机系统时，可以找到自己的驱动开始工作。而升级了设备驱动，也能找到适合的设备，自动产生设备。这些功能其实就是pci总线结构完成的。通过代码分析来了解一下：

代码清单3-1  pci_register_driver 

int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner)

{

int error;

      /*设置驱动的总线类型和参数*/

/* initialize common driver fields */

drv->driver.name = drv->name;

drv->driver.bus = &pci_bus_type;

drv->driver.owner = owner;

drv->driver.kobj.ktype = &pci_driver_kobj_type;

spin_lock_init(&drv->dynids.lock);

INIT_LIST_HEAD(&drv->dynids.list);

/* register with core */

error = driver_register(&drv->driver);

if (!error)

error = pci_create_newid_file(drv);

return error;

} <object data="data:application/x-silverlight-2," type="application/x-silverlight-2"

注册一个pci驱动，其实就是调用了__pci_register_driver函数。首先设置了驱动的总线类型为pci，然后调用driver_register登记。

代码清单3-2  driver_register

int driver_register(struct device_driver * drv)

{

klist_init(&drv->klist_devices, klist_devices_get, klist_devices_put);

init_completion(&drv->unloaded);

return bus_add_driver(drv);

}<object data="data:application/x-silverlight-2," type="application/x-silverlight-2"

实际是调用了bus_add_driver。bus_add_driver中真正起作用的是driver_attach这个函数。

代码清单3-3  设

void driver_attach(struct device_driver * drv)

{

bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);

} <object data="data:application/x-silverlight-2," type="application/x-silverlight-2"

这里就清楚了&