Virtual I/O Device (VritIO)について

Virtual I/O Device(以降VirtIO)は仮想マシン向けに提供されるI/Oフレームワークです.
ホストマシン上でソフトウェアとして動かし, ゲストマシンには物理デバイスの様に見える準仮想化デバイスとして作り仮想マシンの動作速度の向上を図るものです.
(動作速度向上については他の記事をあたってもらうとして)
そのVirtIOデバイスを作るにあたり必要な情報をまとめて備忘録として残します.

VirtIOデバイス

VirtIOの仕様は以下のリンクから読めます.
Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.1

VirtIOではゲストマシンとのやり取りについて規定することで様々なデバイスに変身するための汎用性があります.
ネットワークカード(NIC)やブロックデバイス, コンソールデバイスなど様々なデバイスに適用することができます.

VirtIOデバイスはゲストマシンとの接続方法として仕様では以下の3種類があります.

• PCI
• MMIO
• Channel I/O

今回は組み込みに適したMMIOについて深掘りしました.

VirtIOとMMIO

MMIOはメモリマップドI/Oの略ですが, CPUのアドレス空間上にメインメモリやI/Oデバイスが存在する方式です.
VirtIOデバイスがMMIOを用いるためには明示的にゲストマシンへ教える必要があるので, その方法としてはデバイスツリーを用います.
サンプルを以下に示します.
メモリの範囲とサイズを指定し, 割り込みについても記述しています.

// EXAMPLE: virtio_block device taking 512 bytes at 0x1e000, interrupt 42. 
virtio_block@1e000 { 
        compatible = "virtio,mmio"; 
        reg = <0x1e000 0x200>; 
        interrupts = <42>; 
}

デバイスツリーとして組み込むことでLinuxはVirtIOデバイスを認識することができます.
認識されると起動時にデバイスやドライバの初期化がなされデバイスとして/dev/*に現れます.

VirtIOデバイスのレジスタレイアウト

MMIOデバイスとしてのレジスタレイアウトは4.2.2 MMIO Device Register Layoutにあります.
すべてのレジスタは4バイトで構成され, リトルエンディアンです.

Virtqueue

VirtIOではVirtqueueと呼ばれるリングキューを用いてデバイスとゲストでやり取りを行う.
NICでは最低でも2つ, ブロックデバイスでは1つのVirtqueueを使用する.
VirtqueueにはAvailable RingとUsed Ringと呼ばれるリングキューとDescriptor Tableと呼ばれる処理対象を示すバッファが存在する.

リングキューはキュー内のエントリーの先頭を示すidxと状況を示すフラグを持っている.
idxを元にring[]を辿るとDescriptor Tableのidxが得られる.
得られた値をもとにDescriptor Tableへアクセスすることで処理内容を得ることができる.

Descriptor Tableの要素には以下の内容が含まれている.

• addr : バッファのメモリアドレス
• len : バッファの長さ
• flags
  VRING_DESC_F_NEXT(0x1) : nextフィールドは有効
  VRING_DESC_F_WRITE(0x2) : このバッファは書き込み専用(逆は読み取り専用)
• next : 次のDescriptor要素のid

Descriptor Tableは一つのエントリーだけで完結するものから複数のエントリーを使うものもある.
(例えばブロックデバイスは3つ使用している)
複数使用している場合にはVRING_DESC_F_NEXTフラグが立っており, nextフィールドに有効な次のエントリー番号が書き込まれている.
VRING_DESC_F_WRITEはバッファのメモリアドレスが読み取りか書き込みかどうかを示す.
lenはそのバッファの読み書きサイズを示す.

まとめ

VirtIOデバイスのフレームワークについて基礎知識から最低限理解すべきVirtqueueについて
経験を踏まえて解説しました.
またMMIOデバイスとして扱うためのレジスタについても解説しました.
VirtIOの仕様書はあるものの体系的な解説は少なくVirtqueueの理解が難しく感じました.

参考文献

[转]virtio之vring 2022/08/24
Virtqueueについての構造について解説されている.
virtio-queue 2022/08/24
Virtqueueについてどういう流れで読み書きしてるか解説されている.