一、概述

virtio设备可以基于不同总线来实现，本文介绍基于pci实现的virtio-pci设备。以virtio-blk为例，首先介绍PCI配置空间内容，virtio-pci实现的硬件基础——capability，最后分析PIC设备的初始化以及virtio-pci设备的初始化。

再后面不详细介绍PCI太多的知识，已virtio 相关为主。

二、PCI 配置空间

virtio设备作为pci设备，必须实现pci local bus spec规定的配置空间（最大256字节，现在有的最大是1K，看芯片自己设置，只要前64字节是PCI标准）。前64字节是spec中定义好的，称预定义空间。其中前16字节对所有类型的PCI设备都相同，之后的空间格式因类型而不同，对前16字节空间，我称其为通用配置空间。

2.1 通用配置空间

通用配置空间如下图所示：

（1）vendor id

厂商ID，用来标识PCI设备出自哪个厂商。这里是0x1af4，来自Red Hat。

（2）device id

厂商下的产品ID。传统virtio-blk设备，这里是0x1001。

（3）revision id

设备版本ID。厂商决定是否使用，这里未使用。

（4）header type

pci设备类型。0x00表示普通设备、0x01表示pci bridge、0x02表示CardBus bridge。virtio是普通设备，这里是0x00。

通用配置空间即PCI配置空间前16字节中的以上4个地方用来识别virtio设备。

（5）command

command字段用来控制pci设备，打开某些功能的开关。对于virtio-blk设备来说，是（0x0507 = 0b01010111）。command的各字段含义如下图所示：

其中，低三位的含义如下：

I/O Space位

如果PCI设备实现了IO空间，该字段用来控制是否接收总线上对IO空间的访问；如果PCI设备没有IO空间，该字段不可写。

Memory Space位

如果PCI设备实现了内存空间，该字段用来控制是否接收总线上对内存空间的访问；如果PCI设备没有内存空间，该字段不可写。

Bus Master位

控制PCI设备是否具有作为Master角色的权限。

（6）status

status字段用来记录pci设备的状态信息。对于virtio-blk设备，是（0x10 = 0b00010000）。status各字段含义如下图所示：

其中，Capabilities List位的含义如下：

Capabilities List位

Capabilities List是pci规范定义的附加空间标志位，其意义是允许在pci设备配置空间之后加上额外的寄存器。这些寄存器由Capability List组织起来，用来实现特定的功能，附加空间在64字节配置空间之后，最大不能超过256字节。以virtio-blk设备为例，它标记了这个位，因此在virtio-blk设备的配置空间之后，还有一段空间用来实现virtio-blk的一些特有功能。此处，Capabilities List位为1表示Capabilities Pointer字段（0x34）存放了附加寄存器组的起始地址。这里的地址表示附加空间在PCI设备空间内的偏移。

virtio-blk设备配置空间的内容可以通过lspci命令查看到，如下图所示：

2.2 virtio 配置空间

virtio-pci设备实现pci spec规定的通用配置空间后，设计了自己的配置空间，用来实现virtio-pci的功能。

上面已提到，PCI规范通过status字段的capabilities list位标记自己在64字节预定义配置空间之后有附加的寄存器组，capabilities pointer字段会存放寄存器组链表的头部指针，这里的指针代表寄存器在配置空间内的偏移。如下图所示（仍然是上图中的信息）：

pci spec中描述的capabilities list格式如下：第1个字节存放capability ID，标识后面配置空间实现的是哪种capability，第2个字节存放下一个capability的地址。capability ID查阅参见pci spec3.0

virtio-blk实现的capability有两种：一种是MSI-X（ Message Signaled Interrupts - Extension），ID为0x11；另一种是Vendor Specific，ID为0x9。后面一种capability设计目的就是让厂商实现自己的功能。virtio-blk的实现以此为基础。

virtio-pci根据自己的功能需求，设计了如下的capabilities布局：

上图中右侧是6个capability，其中5个用做描述virtio-pci的capability，1个用作描述MSI-X的capability。这里我们只介绍用作virtio-pci的capability。右侧描述了virtio-blk的capability布局，左边是每个capability指向的物理地址空间布局。

根据virtio spec的规范，要实现virtio-pci的capabilty，其布局应该如下：

cap_vndr

表示capability类型。

cap_next

表示下一个capability在pci配置空间的位置。

cap_len

表示capability这个数据结构的长度。

cfg_type

表示配置类型。cfg_type通过如下取值，将virtio-pci的capability又细分成几类：

2.3 virtio通用配置空间

capability中最核心的内容是virtio_pci_common_cfg，它是virtio前后端沟通的主要桥梁。common config分两部分：第一部分用于设备配置；第二部分用于virtqueue使用。virtio驱动初始化利用第一部分来和后端进行沟通协商，比如支持的特性（guest_feature），初始化时设备的状态（device_status），设备的virtqueue个数（num_queues）。第二部分用来实现前后端数据传输。后面会详细提到两部分在virtio初始化和数据传输中的作用。virtio_pci_common_cfg数据结构如下：

三、pci 的枚举和配置

这部分百度上很多，在之前的文章也写到了，在这不赘述了。

注意三点就行：

枚举过程中访问pci配置空间寄存器，软件接口是往特定寄存器写东西，真正发起读写请求的，是host bridge，它在pci总线上传输的是command type为configuration wirte/read的transaction。配置完成后，软件对pci bar空间关联的内存进行读写，可以直接使用mov内存访问指令，这时候host bridge在pci总线上传输的是command type为IO Read/Write或者Memory Read/Write的transaction。
pci设备被配置之后，bar寄存器中存放了关联的内存起始地址，这个地址是pci总线域的物理地址，不是cpu域的物理地址，虽然这两个值一样，但这只是x86这种架构的特殊情况，因为host bridge转换的时候是一一映射的，才造成这种假象。在别的架构上，比如power pc，cpu域的地址想要访问pci总线域的地址，需要通过host bridge进行地址转换才能进行，两种地址并不相同。
pci设备被配置之后，虽然看上去软件可以像访问内存一样访问pci设备的bar的空间，但cpu真正访问的时候，是要把地址交给host bridge，让它去访问才可以。可以说，访问pci设备bar空间的不是cpu，而是host bridge。至始至终，cpu都不能直接管理pci设备的bar空间，它只能通过host bridge来间接管理。