VFIO简介

Posted 2020-09-23 allcloud

VFIO是一套用户态驱动框架，它提供两种基本服务：

• 向用户态提供访问硬件设备的接口
• 向用户态提供配置IOMMU的接口

VFIO由平台无关的接口层与平台相关的实现层组成。接口层将服务抽象为IOCTL命令，规化操作流程，定义通用数据结构，与用户态交互。实现层完成承诺的服务。据此，可在用户态实现支持DMA操作的高性能驱动。在虚拟化场景中，亦可借此完全在用户态实现device passthrough。

VFIO实现层又分为设备实现层与IOMMU实现层。当前VFIO仅支持PCI设备。IOMMU实现层则有x86与PowerPC两种。VFIO设计灵活，可以很方便地加入对其它种类硬件及IOMMU的支持。

接口

与KVM一样，用户态通过IOCTL与VFIO交互。可作为操作对象的几种文件描述符有：

• Container文件描述符
  • 打开/dev/vfio字符设备可得
• IOMMU group文件描述符
  • 打开/dev/vfio/N文件可得 (详见后文)
• Device文件描述符
  • 向IOMMU group文件描述符发起相关ioctl可得

逻辑上来说，IOMMU group是IOMMU操作的最小对象。某些IOMMU硬件支持将若干IOMMU group组成更大的单元。VFIO据此做出container的概念，可容纳多个IOMMU group。打开/dev/vfio文件即新建一个空的container。在VFIO中，container是IOMMU操作的最小对象。

要使用VFIO，需先将设备与原驱动拨离，并与VFIO绑定。

用VFIO访问硬件的步骤：

• 打开设备所在IOMMU group在/dev/vfio/目录下的文件
• 使用VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD得到表示设备的文件描述 (参数为设备名称，一个典型的PCI设备名形如0000:03.00.01)
• 对设备进行read/write/mmap等操作

用VFIO配置IOMMU的步骤：

• 打开/dev/vfio，得到container文件描述符
• 用VFIO_SET_IOMMU绑定一种IOMMU实现层
• 打开/dev/vfio/N，得到IOMMU group文件描述符
• 用VFIO_GROUP_SET_CONTAINER将IOMMU group加入container
• 用VFIO_IOMMU_MAP_DMA将此IOMMU group的DMA地址映射至进程虚拟地址空间

逻辑

VFIO设备实现层与Linux设备模型紧密相连，当前，VFIO中仅有针对PCI的设备实现层(实现在vfio-pci模块中)。设备实现层的作用与普通设备驱动的作用类似。普通设备驱动向上穿过若干抽象层，最终以Linux里广为人知的抽象设备(网络设备，块设备等等)展现于世。VFIO设备实现层在/dev/vfio/目录下为设备所在IOMMU group生成相关文件，继而将设备暴露出来。两者起点相同，最终呈现给用户态不同的接口。欲使设备置于VFIO管辖之下，需将其与旧驱动解除绑定，由VFIO设备实现层接管。用户态能感知到的，是一个设备的消失(如eth0)，及/dev/vfio/N文件的诞生(其中N为设备所在IOMMU group的序号)。由于IOMMU group内的设备相互影响，只有组内全部设备被VFIO管理时，方能经VFIO配置此IOMMU group。

把设备归于IOMMU group的策略由平台决定。在PowerNV平台，一个IOMMU group与一个PE对应。PowerPC平台不支持将多个IOMMU group作为更大的IOMMU操作单元，故而container只是IOMMU group的简单包装而已。对container进行的IOMMU操作最终会被路由至底层的IOMMU实现层，这实际上将用户态与内核里的IOMMU驱动接连了起来。

总结

VFIO是一套用户态驱动框架，可用于编写高效用户态驱动；在虚拟化情景下，亦可用来在用户态实现device passthrough。通过VFIO访问硬件并无新意，VFIO可贵之处在于第一次向用户态开放了IOMMU接口，能完全在用户态配置IOMMU，将DMA地址空间映射进而限制在进程虚拟地址空间之内。这对高性能用户态驱动以及在用户态实现device passthrough意义重大。