谈虚拟环境中设备访问的实现方法(下)

谈虚拟环境中设备访问的实现方法（下）

康华 ：主要从事 Linux 操作系统内核、虚拟机、Linux 技术标准、计算机安全、软件测试等领域的研究与开发工作，曾就职 MII-HP 软件实验室 、瞬联软件公司/MOTOROLA，现就职于Lenovo研究院 。其所合写的Linux专栏见http://www.csdn.net/subject/linux/。 如果需要可以联系通过 kanghua151@msn.com （MSN）联系我.

摘要：在了解了虚拟机中设备访问途径和I/O截获过程后，我们最后以在Qemu中实现光驱刻录为例，具体展示一下设备模拟的实现过程。

Qemu的设备模型简介

Qemu 除了模拟执行CPU指令已外，尚有一个重要的组成部分就是：设备模型。设备模型包括了当前PC机常见的各种外设的模拟代码，如鼠标，硬盘控制器，时钟，ACPI等等。具体代码存在与目录../ioemu下。
设备模拟代码的基本原理是按照设备处理数据的相关规范，对I/O截获而来的数据进行处理，并返回模拟结果。因此我们可以将设备模拟代码看作是一个有限状态机（FSM），其中状态集就是设备所处的各种状态，在模拟代码中可以简化理解成一些列模拟积存器在当前状态取值；其起始状态是设备规范中规定的设备状态，在模拟代码中就是各模拟积存器的初值等；输入和状态迁移对应的转换函数可以看成是设备模拟中的分之处理，一般需要分析输入数据，根据输入设置对应模拟积存器值，以及根据硬件规范触发模拟中断等。这些步骤将促成设备状态的迁移。
只有正确的模拟出设备的各种状态，其上的驱动（在GUEST OS中）才可以与其正常交互，原因很明显——驱动是根据设备规范实现的。比如，某个设备的规范是从端口A接受到数据0x101后，执行设备初始化操作。初始化完毕后设备会将端口B置0x001,并且发送中断。那么上层的驱动程序会实现成：在接收到中断后，检查端口B，若发现是0x001则认为设备准备好了，可以继续发送数据；否则不继续发送数据。所以如果设备模拟程序没有正确模拟状态迁移，则上层驱动就不能和其正常交互了。

如何使得Qemu支持光驱刻录

Qemu中实现光驱刻录的先决条件是：
1 系统中的物理光驱支持刻录功能。
2 宿主系统（比如我们要使用的Linux系统）本身支持光驱刻录。

实现原理

有关实现I/O截获，以及光驱控制器的状态模拟架构（如PIO/DMA模式，命令解析方式等）这些复杂的工作，Qemu都早已经完成。我们这里需要做的仅仅是锦上添花的工作。下面我们就实现原理进行介绍。
在Linux宿主机上实现Qemu的光驱刻录首先需要了解光驱控制器的操作方法。目前的光驱控制器的操作指令规范有《Multimedia Device Command Set》（简称MMC），以及《SCSI Device Primary Command Set》（简称SPC）。特别是MMC规范是专门针对DVD/CD操作的规范，而SPC规范是对所有SCSI设备操作的通用规范，属于通用操作的光驱操作可以在这个规范中找到。
Qemu中的光驱控制器模拟代码（ide.c）对MMC和SPC规范的模拟并不完备，因此不能实现真实光驱设备的所有功能。目前仅仅能实现光驱的读功能，也就是说在guest中只能看到一个只读光驱，而无法执行任何真实写操作。因此需要做的第一步是在qemu的光驱控制器模拟代码中补充光驱刻录所需要的所有Atapi指令（具体指令集见下文）。
另外由于目前Guest OS中所见的光驱是模拟光驱，设备名是QEMU CD-ROM（见函数ide_atapi_identify），其所有属性都是通过模拟代码软件设置（各种Atapi命令除了读数据的GPCMD_READ_*外，所有GPCMD_*命令都是模拟实现，见函数ide_atapi_cmd），只有读数据时才会和真实设备交互——具体是通过Linux系统中的/dev/cdrom设备文件提供的lseek和read等接口实现间接访问真实光驱）。那么如果我们想支持光驱刻录，则需要让GUEST看到真实的可刻录光驱设备，否则就在Guest中无法执行刻录操作（因为刻录操作前都需要检测设备属性是否支持刻录）。而要在GUEST中看到真实光驱设备，则需要支持从真实设备获取设备属性和设置设备属性，也就是说要将所有ATAPI命令直接转发到物理设备，而不是模拟执行，返回模拟结果。这种转发依然是通过Linux下的/dev/cdrom设备文件提供的ioctl接口中的CDROM_SEND_PACKET处理分支。所以第二步需要做的是：将ATAPI命令通过ioctl接口转发给真实设备进行处理，并将真实结果返回。
所需要做的理论上就这么多了！下面看看具体实现。

实现步骤

1 先来说说需要补充的命令集合。我主要测试的Guest是vista系统，就vista而言需要实现如下ATAPI命令才能支持刻录：
GPCMD_TEST_UNIT_READY:
GPCMD_MODE_SENSE_10:
GPCMD_REQUEST_SENSE:
GPCMD_PREVENT_ALLOW_MEDIUM_REMOVAL:
GPCMD_READ_10:
GPCMD_READ_12:
GPCMD_READ_CD:
GPCMD_WRITE_10:
GPCMD_WRITE_12:
GPCMD_SEEK:
GPCMD_START_STOP_UNIT:
GPCMD_MECHANISM_STATUS:
GPCMD_READ_TOC_PMA_ATIP:
GPCMD_READ_CDVD_CAPACITY:
GPCMD_READ_DISC_INFO:
GPCMD_GET_CONFIGURATION:
GPCMD_SET_SPEED:
GPCMD_INQUIRY:
GPCMD_GET_PERFORMANCE:
GPCMD_MODE_SELECT_10:
GPCMD_REPORT_KEY:
GPCMD_READ_DVD_STRUCTURE:
GPCMD_GET_EVENT_STATUS_NOTIFICATION:
GPCMD_BLANK:
GPCMD_CLOSE_TRACK:
GPCMD_READ_FORMAT_CAPACITIES:
GPCMD_READ_TRACK_RZONE_INFO:
GPMODE_READ_BUFFER_CAPACITY:
GPCMD_FLUSH_CACHE:
GPCMD_VERIFY_10:
GPCMD_SEND_OPC:
GPCMD_FORMAT_UNIT:
GPCMD_SET_STREAMING:

2 对ioctl进行了封装，让其包含在raw_ioctl中，以符合qemu的设备访问架构。
在操作表中填加raw_ioctl。
BlockDriver bdrv_raw = {
"raw",
sizeof(BDRVRawState),
raw_probe,
raw_open,
raw_read,
raw_write,
raw_close,
raw_create,
raw_flush,
raw_ioctl,
};
对/dev/cdrom的ioctl进行封装，共给qemu解析ATAPI packet命令时调用。
int raw_ioctl(BlockDriverState *bs)
{
BDRVRawState *s = bs->opaque;
struct cdrom_generic_command *cgc=bs->opaque2;

struct cdrom_generic_command _cgc;
struct request_sense sense;

int ret=0;

ret=ioctl(s->fd,CDROM_SEND_PACKET,cgc);
if ( ret<0)
{
printf("raw_ioctl: error fd=%d/n",s->fd);
}
return ret;
return 0;
}

3 状态机状态补充。
目前的Qemu所接收的命令都是读取命令，其输入只需要一个命令，而无需附加参数，这种情况属于不带数据的ATAPI packet命令，如Mode Sense command等。Qemu中目前的模拟代码处理没有问题。
但是对于传入命令以外，还需要附加参数的ATAPI pactet命令，如Mode Select Command（除了命令本身要发给设备外，还需要传入Mode Parameter List等参数）处理上缺失状态迁移，也就是说在接收到命令后，设备状态未能迁移到接受参数状态，因此造成了驱动程序无法将参数传入。
解决办法是按照设备规范补充状态迁移代码即可。具体做法是在收到12字节的命令后，设置DRQ寄存器，并发送中断INTRQ。


4 I/O缓存问题。
由于Linux系统的I/O缓存层的存在，而当我们使用ioctl向光盘写入数据，并不经过I/O缓存层，因此Linux内核并未刷新I/O缓存层（按照道理来说，内核应该刷新或invalidate原缓存，这里可能是Linux内核一个bug），所以不能在使用原来的/dev/cdrom的read接口读光盘内容，因为read读取是读的I/O缓存中的数据，所以我们需要让读数的时候绕过I/O缓存。方法有1 直接用ioctl读取光盘 ；方法2 使用裸设备方法访问光驱。