VirtIO 块设备

VirtIO 是一种标准化接口，用于向客户机公开虚拟设备，通常运行在 QEMU 等虚拟机监控程序下。virtio,blk 驱动将 VirtIO 块设备呈现为 Zephyr 磁盘：可以通过磁盘访问 API 访问它，并进而通过文件系统 API 访问。

该驱动与传输层无关，可在 Zephyr 支持的两种 VirtIO 传输（PCI 和 MMIO）上不加更改地运行（参见 VirtIO）。每个启用的 virtio,blk devicetree 节点都会创建一个实例。

驱动程序设计

该驱动位于 drivers/disk/virtio_blk.c，并构建在通用 VirtIO API 之上。virtio,blk 节点是 VirtIO 传输设备（DT_INST_PARENT）的子节点，因此同一份代码无需更改即可服务于 PCI 或 MMIO 设备。

单次在途请求

disk_access 读/写 API 是同步且阻塞的。该驱动还使用互斥锁串行化调用者，因此每个设备始终只保留一个在途请求：它向请求 virtqueue 添加单个描述符链，通知设备，然后阻塞在一个信号量上，该信号量由完成回调从中断上下文发出。

由于没有请求流水线，整个 virtqueue 都用于单个请求的分散-聚集链。面向用户的调节参数是每个请求的最大数据段数（CONFIG_DISK_VIRTIO_BLK_MAX_SEGMENTS）；驱动通过将 MAX_SEGMENTS + 2 向上取整到 2 的幂来确定 virtqueue 的大小，从而为请求头和状态字节留出空间。

块大小

VirtIO 块协议始终以固定的 512 字节扇区对设备进行寻址，并以这些单位报告设备容量。向 disk_access 公开的逻辑块大小可能不同：

当设备提供 VIRTIO_BLK_F_BLK_SIZE 时，驱动会协商该特性，并公开设备通告的 blk_size。
否则，它会回退到 CONFIG_DISK_VIRTIO_BLK_SECTOR_SIZE。

所有寻址在内部都会转换为 512 字节的 VirtIO 扇区。块大小必须是 512 的倍数，并且在 CONFIG_MMU 下不得超过 MMU 页大小；不支持的值会在初始化时被拒绝。

零拷贝传输

调用者的缓冲区会直接交给设备，而不使用回弹缓冲区。在 CONFIG_MMU 下，缓冲区可能位于内核线性 RAM 映射之外（例如 f_mkfs() 向下传递的线程栈工作区），并且不必物理连续。驱动使用 arch_page_phys_get() 逐页遍历这样的缓冲区，将物理上相邻的连续区域合并为分散-聚集段，并且当传输的碎片程度超过段预算允许的范围时，将其拆分为多个设备请求。

特性协商

除了 VIRTIO_BLK_F_BLK_SIZE 之外，该驱动还会协商：

VIRTIO_BLK_F_RO — 只读设备会报告为 DISK_STATUS_WR_PROTECT，写请求会被拒绝并返回 -EROFS。
VIRTIO_BLK_F_FLUSH — DISK_IOCTL_CTRL_SYNC 会向设备发出刷新。当设备未提供 FLUSH 时，没有回写缓存需要刷新，因此该 ioctl 是成功的空操作，而不是错误。

已完成但状态字节不是 OK 的请求会被记录，并映射为 errno：不支持的请求变为 -ENOTSUP，I/O 错误变为 -EIO。

VirtIO 块设备配置

DTS

virtio,blk 节点放置在其 VirtIO 传输父节点下，并需要一个供 disk_access API 使用的 disk-name。在 PCI 传输上：

#include <zephyr/dt-bindings/pcie/pcie.h>

/ {
    pcie0 {
        virtio-blk-pci {
            compatible = "virtio,pci";
            vendor-id = <0x1af4>;
            device-id = <0x1001>;
            interrupts = <0xb 0x0 0x0>;
            interrupt-parent = <&intc>;
            status = "okay";

            virtio_blk: virtio-blk {
                compatible = "virtio,blk";
                disk-name = "VIRTIOBLK0";
                status = "okay";
            };
        };
    };
};

在 MMIO 传输上，该节点是现有 virtio,mmio 总线的子节点：

&virtio_mmio4 {
    status = "okay";

    virtio_blk: virtio-blk {
        compatible = "virtio,blk";
        disk-name = "VIRTIOBLK0";
        status = "okay";
    };
};

选项

QEMU 选项

当在 QEMU 板上启用 CONFIG_DISK_DRIVER_VIRTIO_BLK 时，仿真层会创建一个原始后备映像，并将其附加到仿真 virtio-blk 设备。PCI 传输由通用 QEMU 仿真代码附加；qemu_cortex_a53 板将 MMIO virtio-blk-device 附加到 virtio-mmio-bus.4。

限制

同一时间恰好只有一个请求在途。这符合同步 disk_access 约定，因此不会给该使用方造成吞吐量损失，但该驱动不提供请求流水线。
与 Zephyr 其余 VirtIO 子系统一样，该驱动假定 DMA 是一致的，并且不对描述符、环或数据缓冲区执行缓存维护。
在 MMU 下，逻辑块大小不能超过 MMU 页大小。