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Virtio 驱动初始化数据收发流程详解

news 2025/8/11 12:20:33

Virtio 驱动核心流程详解

一、整体架构概览

二、初始化流程

1. 核心步骤

2. 关键函数调用栈

virtnet_probe()├─ virtio_cread_feature()       // 特性协商├─ alloc_etherdev_mq()          // 创建net_device├─ virtnet_find_vqs()           // 初始化virtqueues│   ├─ virtio_find_vqs()│   └─ virtqueue_set_affinity()├─ register_netdev()            // 注册网络设备└─ virtnet_alloc_rx_buffers()   // 预填充接收缓冲区

三、数据发送流程（TX）

1. 核心流程

2. 关键函数

// 发送入口
start_xmit(struct sk_buff *skb)├─ skb_to_sgvec()               // 创建分散/聚集列表├─ virtqueue_add_outbuf()       // 添加发送描述符└─ virtqueue_kick()             // 通知设备// 发送完成处理
skb_xmit_done(struct virtqueue *vq)├─ virtqueue_get_buf()          // 获取完成描述符├─ dma_unmap_single()           // 解除DMA映射└─ dev_consume_skb_any()        // 释放sk_buff

四、数据接收流程（RX）

1. 核心流程

2. 关键函数

// 中断处理
virtnet_interrupt()└─ napi_schedule()             // 调度NAPI轮询// 接收处理
virtnet_poll(struct napi_struct *napi)├─ virtqueue_get_buf()         // 获取接收描述符├─ virtnet_receive_skb()       // 构造sk_buff├─ napi_gro_receive()          // 提交协议栈└─ virtqueue_add_inbuf()       // 补充新缓冲区

五、关键数据结构

1. virtio_device

struct virtio_device {struct device dev;             // 设备模型struct virtio_device_id id;    // 设备标识struct virtio_config_ops *config; // 配置操作struct list_head vqs;          // virtqueue列表u64 features;                  // 协商特性void *priv;                    // 驱动私有数据
};

2. virtqueue

struct virtqueue {struct list_head list;         // 设备链表void (*callback)(struct virtqueue *vq); // 回调函数const char *name;              // 队列名称struct virtio_device *vdev;    // 关联设备unsigned int index;            // 队列索引void *priv;                    // 私有数据struct vring vring;            // 虚拟环结构
};

3. vring (核心通信结构)

struct vring {unsigned int num;              // 描述符数量struct vring_desc *desc;       // 描述符表struct vring_avail *avail;     // 可用环struct vring_used *used;       // 已用环
};

4. virtnet_info (网络设备私有数据)

struct virtnet_info {struct virtio_device *vdev;     // virtio设备struct net_device *dev;         // 网络设备struct virtqueue *rvq, *svq;    // 接收/发送队列struct receive_queue *rq;       // 接收队列数组struct send_queue *sq;          // 发送队列数组u16 curr_queue_pairs;           // 活动队列对struct bpf_prog __rcu *xdp_prog; // XDP程序
};

六、性能优化机制

1. 批处理优化

2. NAPI机制

// 混合中断与轮询
static int virtnet_poll(struct napi_struct *napi, int budget)
{while (packets < budget && (buf = virtqueue_get_buf(vq, &len))) {// 处理数据包packets++;}if (packets < budget) {napi_complete(napi);       // 退出轮询模式virtqueue_enable_cb(vq);    // 启用回调}return packets;
}

3. 零拷贝技术

七、错误处理机制

1. 队列满处理

netdev_tx_t start_xmit(...)
{if (virtqueue_full(vq)) {netif_stop_queue(dev);    // 停止协议栈入队return NETDEV_TX_BUSY;    // 通知重试}// ...正常发送...
}// 在完成中断中恢复
void skb_xmit_done(...)
{if (netif_queue_stopped(dev) && !virtqueue_full(vq)) {netif_wake_queue(dev);    // 唤醒协议栈}
}

2. 设备重置恢复

static void virtnet_reset(struct virtio_device *vdev)
{// 1. 停止所有数据传输virtnet_freeze_down(vdev);// 2. 重置设备状态virtio_reset_device(vdev);// 3. 重新协商特性virtio_negotiate_features(vdev);// 4. 重建virtqueuesvirtnet_del_vqs(vi);virtnet_find_vqs(vi);// 5. 恢复数据传输virtnet_restore_up(vdev);
}

八、多队列支持

1. 配置流程

2. 数据分发

// 发送队列选择
u16 virtnet_select_queue(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)
{// 1. XDP优先if (vi->xdp_prog)return vi->curr_queue_pairs;// 2. 使用RSS哈希return skb_get_hash(skb) % vi->curr_queue_pairs;
}// 接收中断绑定
static irqreturn_t virtnet_interrupt(int irq, void *dev_id)
{struct receive_queue *rq = dev_id;napi_schedule(&rq->napi);  // 调度对应队列的NAPI
}

九、XDP支持

1. 工作流程

2. 关键实现

static struct sk_buff *virtnet_run_xdp(...)
{struct bpf_prog *xdp_prog = rcu_dereference(rq->xdp_prog);xdp_prepare_buff(xdp, buf, offset, len);act = bpf_prog_run_xdp(xdp_prog, xdp);switch (act) {case XDP_PASS:return build_skb(...);case XDP_TX:xdpf = convert_to_xdp_frame(xdp);virtnet_xdp_xmit(dev, 1, &xdpf, 0);break;case XDP_REDIRECT:xdp_do_redirect(dev, xdp, xdp_prog);break;}
}