VFIO框架源码分析（五）- MDEV驱动实现剖析：以mtty示例驱动为蓝本

引言与整体框架

在前文对 vfio-mdev 框架的分析中，我们了解到它是一个通用的“胶水层”，负责将任何 mdev (Mediated Device) 虚拟设备适配到 VFIO 体系中。然而，vfio-mdev 自身并不创造虚拟设备，这一职责落在了底层的物理设备驱动身上。mtty (Mediated TTY) 正是内核源码中提供的一个官方示例，它完整地展示了一个物理驱动（尽管它本身也是虚拟的）如何实现 MDEV 接口，从而将其“硬件”资源分割给多个用户。

mtty 模拟了一个可以被虚拟化的多端口 TTY 设备。通过分析其源码，我们可以清晰地理解一个 MDEV 父驱动（Parent Driver）需要承担的全部职责：从向内核注册虚拟化能力，到管理虚拟设备生命周期，再到最终为每个虚拟设备实现具体的 I/O 模拟。

核心分析：mtty驱动的双重角色

mtty 驱动的初始化函数 mtty_dev_init 揭示了其设计的核心——它同时扮演了两个关键角色：

1. MDEV父设备驱动: 通过调用 mdev_register_device，mtty 将自己注册为一个可以被虚拟化的父设备。

   • 它传递了 mdev_fops 结构体，其中定义了创建和销毁 mdev 实例时的核心回调函数（.probe = mtty_probe）。
   • 它还定义了 mdev_type_groups，通过 sysfs 向用户空间暴露出它支持创建的 mdev 类型（例如，名为 "1" 和 "2" 的两种类型），以及每种类型的可用实例数量等信息。

2. MDEV设备驱动: 通过调用 mdev_register_driver，mtty 也注册了一个标准的 device_driver。这个驱动（mtty_driver）的作用是绑定到由 mtty 自己创建的 mdev 虚拟设备上。这是一个自包含的设计，即 mtty 不仅是 mdev 的“生产者”，也是这些 mdev 的“管理者”。

分步详解：一个mtty虚拟设备的生命周期

第一步：MDEV实例的创建与探测 (mtty_probe)

当用户通过 sysfs 接口请求创建一个 mtty 类型的 mdev 设备时，MDEV核心框架会调用 mtty_fops 中注册的 .probe 回调函数，即 mtty_probe。此函数是虚拟设备生命周期的起点。

• 资源管理: mtty_probe 首先会检查父设备是否还有足够资源来创建新的虚拟设备。它以原子方式检查并减少可用端口数 avail_ports，如果资源不足则创建失败。这模拟了真实硬件驱动管理虚拟功能（VF）资源的过程。
• VFIO设备封装: 资源检查通过后，mtty_probe 会为这个新的 mdev 实例创建一个状态保持结构 (mdev_state)。接着，它调用 vfio_init_group_dev 函数，将这个 mdev 设备封装成一个标准的 vfio_device，并把 mtty_dev_ops 作为其操作函数集。
• 设备模拟初始化: 最后，它调用 mtty_create_config_space 来初始化一块内存，用于模拟该虚拟设备的PCI配置空间，并存放在 mdev_state->vconfig 中。

第二步：I/O模拟与VFIO接口实现 (mtty_dev_ops)

一旦 mdev 被封装成 vfio_device 并传递给用户空间（如QEMU），用户空间便会通过标准的VFIO接口（read, write, ioctl）与其交互。这些操作最终都由 mtty_dev_ops 中的函数来处理，从而实现了设备行为的完整模拟。

• read/write 操作: 由 mtty_read 和 mtty_write 函数处理。
  • 当访问 VFIO_PCI_CONFIG_REGION_INDEX 时，驱动直接对 mdev_state->vconfig 这块内存进行读写。这向用户空间提供了一个完全虚拟的、行为一致的PCI配置空间。
  • 当访问 VFIO_PCI_BARx_REGION_INDEX 时，驱动通过 handle_bar_read/write 函数，读写 mdev_state 中的另一块模拟内存区域（mdev_state->s[index]）。这模拟了对设备MMIO Bar空间的访问。

• ioctl 操作: 由 mtty_ioctl 函数处理。它实现了如 VFIO_DEVICE_GET_INFO 等一系列标准的VFIO ioctl 命令，向用户空间报告这个模拟设备的各种元数据（Region信息、中断信息等），使其看起来和一个真实的PCI设备别无二致。

总结

mtty 驱动以一个简洁而完整的方式，为我们提供了一个实现 MDEV 父驱动的完美范例。它清晰地展示了成为一个合格的 MDEV 父驱动所需的核心要素：

1. 能力注册: 必须通过 mdev_register_device 向 MDEV 核心注册自己，并定义可供创建的虚拟设备类型。
2. 生命周期管理: 必须实现 .probe 和 .remove 等回调函数，在其中处理虚拟设备的创建和销毁，包括关键的父设备资源管理。
3. VFIO接口适配: 必须为创建的 mdev 实例提供一套 vfio_device_ops 实现，将VFIO的标准化操作（如访问配置空间、BAR空间）转化为对内部模拟状态的读写。
4. 状态虚拟化: 必须为每个 mdev 实例维护一个独立的状态（mdev_state），包含了模拟设备所需的所有信息，如虚拟配置空间、虚拟BAR区等，从而实现多实例间的隔离。

mtty 的存在，极大地降低了硬件厂商开发支持 SR-IOV 或其他类型设备共享技术的驱动的门槛，它是一个功能完备、可供参考和模仿的“活文档”。

关于作者

大家好，我是宝爷，浙大本科、前华为工程师、现某芯片公司系统架构负责人，关注个人成长。

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