这篇文章已经写完半年，最近半年一直在适配各种国产CPU，一直没有时间整理。最近总算是把所有的国产CPU都适配完了。

0、前言

    为了充分利用硬件资源，需要使用虚拟化技术。为了更准确地了解SR-IOV，我们来看一下SR-IOV产生的背景和研究历史。

1、传统的系统

传统的系统主要有下面的设备组成：

2、带有VI的系统

    后面提高硬件资源利用效率，在不修改硬件的前提，在hardware和SI之间引入了VI（virtualiztion Intermediary），由软件来模拟硬件行为，在VI之上就是很多虚拟机。

    VI独占下面的hardware资源，然后为每个SI抽象出硬件。由于IO操作需要通过VI处理，性能会受到显著影响，并且会增加系统资源开销。

    为了减少系统资源开销，引入了SR-IOV技术。

3、SR-IOV系统

    PF和VF都是被物理机的OS枚举的，VM访问VF BAR的时候使用的GVA (Guest Virtual Address), 这个IO操作会触发MMU把GVA翻译为GPA(Guest Physical Address), 这个GPA其实就是VM看到的VF的BAR地址空间，随后GPA会经过EPT（Expended Page Table）被翻译成HPA(Host Physical Address)，这个HPA就是host上，或者说物理上的VF的BAR地址空间。

4、拥有SR-IOV的单PF设备

为了减少硬件资源，每个VF和PF share配置空间。

（1）VF使用和PF一样的配置header type。

（2）PF内的所有VF share VF BAR set，并且share SR-IOV寄存器的memory space enable（MSE）。

（3）InitialVFs和TotalVFs字段代表属于改PF的VF的最大数量。如果不支持VF migration，那么TotalVFs和InitialVFs应该一样。如果支持VF migration，那么TotalVFs代表可以被分配给该PF的数量，InitialVFs代表分配给该PF已经初始化的VF的数量。

    每个PF和VF会分配唯一的Routing ID（bus、device、function）。

    所有的PCIe和SR-IOV的配置访问只有VI或者SR-PCIM可以访问。

    VF包含的non-shared的物理资源（例如work queue，data buffer）等是SI直接访问的，不需要通过VI或者SR-PCIM的干预。

5、SR-IOV初始化和资源分配

5.1配置VF的BAR

    System Page Size字段定义了system映射VF的memory地址时的page size。如果system page size的 bit n是1，那么属于该PF的所有VF支持2^(n+12)次方page size对齐。

    当system page size确定后，属于该PF的VF需要把BAR资源和system page size对齐。

    写system page size时，VF enable bit应该为0。 

    iov.c

    在PF枚举的初始化PCIe各种cap的时候会调用sriov_init初始化SR-IOV的cap。

pci_device_add->pci_init_capabilities->pci_iov_init->sriov_init

    BARb VFv starting address = VF BARb + (v - 1) x (VF BARb aperture size)

    对于同一个PF下的不同VF的同一个BARn，在memory空间上是连续的。因此，PF的SR-IOV寄存器只需要记录第一个VF的BAR的地址，其他VF的BAR的地址，需要通过上面公式计算。

   我们找一个82599的网卡，enable 2个VF后看看PCIe资源

    00:02.0 PCI bridge: Intel Corporation Xeon E5/Core i7 IIO PCI Express Root Port 2a (rev 07) (prog-if 00 [Normal decode])

    Memory behind bridge: f7c00000-f7ffffff

    Prefetchable memory behind bridge: 00000000f4000000-00000000f43fffff

    Root Port下面预留了4M的地址。

 03:00.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82599ES 10-Gigabit SFI/SFP+ Network Connection (rev 01)

  Capabilities: [160 v1] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)

    IOVCap: Migration-, Interrupt Message Number: 000

        IOVCtl: Enable+ Migration- Interrupt- MSE+ ARIHierarchy+

        IOVSta: Migration-

        Initial VFs: 64, Total VFs: 64, Number of VFs: 2, Function Dependency Link: 00

        VF offset: 128, stride: 2, Device ID: 10ed

        Supported Page Size: 00000553, System Page Size: 00000001

        Region 0: Memory at 00000000f4000000 (64-bit, prefetchable)

        Region 3: Memory at 00000000f4100000 (64-bit, prefetchable)

        VF Migration: offset: 00000000, BIR: 0

    PF0的Initial VFs: 64，表示归属PF0的已经初始化的VF个数是64

    Total VFs: 64, 表示归属PF0的最大VF的个数是64

    Number of VFs: 2，表示归属PF0的可用的VF的个数是2

   VF offset: 128表示归属PF0的第1个VF的routing ID（bus:device.function）offset，用PF0的routing ID+这个字段就是第1个VF的routingID

    stride: 2表示下1个VF的routing ID到前1个VF的routing ID的offset

    struct pci_dev *dev是PF(3:0.0)，int vf_id是VF的编号：

   对于第2个VF（3:10.2）的bus=dev->bus->number + ((dev->dev_fun + dev->sriov->offset + dev->sriov->stride * vf_id) >>8) =3+((0+128+2*1)>>8)=3+0=3，第2个vf的bus=0x3

    对于第2个vf的devfun= (dev->dev_fun + dev->sriov->offset + dev->sriov->stride * vf_id) & 0xff = (0 + 128 + 2 * 1) & 0xff =0x82，第2个vf的device=0x10, function=0x2

    Device ID: 10ed：表示SI看到的VF的deviceid

    PF0的SR-IOV显示VF的BAR0的起始地址是f4000000，BAR3的起始地址是f4100000

从VF的BAR看VF0,VF1的BAR0和BAR3都是16K，64bit prefetchable的，也就是说PF0VF0- PF0VF63的BAR0占用64*16K=1M的大小，地址是f4000000到f4000000+（64*16K -1）= f400 0000+（0x10 0000-1）= f4000000~F40F FFFF

  PF0VF0- PF0VF63的BAR3占用64*16K=1M的大小，PF0VF1的地址是f4100000到f4100000+（64*16K -1）= f4100000+（0x10 0000-1）= f4100000~F41F FFFF

  03:00.1 Ethernet controller: Intel Corporation 82599ES 10-Gigabit SFI/SFP+ Network Connection (rev 01)

    Capabilities: [160 v1] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)

        IOVCtl: Enable- Migration- Interrupt- MSE- ARIHierarchy-

        Initial VFs: 64, Total VFs: 64, Number of VFs: 0, Function Dependency Link: 01

        Region 0: Memory at 00000000f4200000 (64-bit, prefetchable)

        Region 3: Memory at 00000000f4300000 (64-bit, prefetchable)

    PF1的VF虽然没有使能，但是地址还是预留的。

   PF1VF0- PF0VF63的BAR0占用64*16K=1M的大小，地址是f4200000到f4200000+（64*16K -1）= f4000000+（0x10 0000-1）= f4200000~F42F FFFF

    PF1VF0- PF0VF63的BAR3占用64*16K=1M的大小，地址是f4300000到f4300000+（64*16K -1）= f4300000+（0x10 0000-1）= f4300000~F43F FFFF

    说明不管VF使能与否，RootPort都预留了对应的资源的

     只有当SR-IOV的VF Enable和VF MSE都为1时，VF的memory空间才可以访问。修改System Page Size会影响VF BAR aperture。

6、SR-IOV Reset机制

6.1 SR-IOV Conventional Reset

    Conventional reset将会导致PF和VF回到初始值。Conventional reset会导致PF的SR-IOV Control寄存器的VF Enable比特丢失，因此，Conventional reset后VF就不存在了。

6.2 VF的FLR

    VF的FLR只影响VF的state，不影响配置空间和PCI bus address space。PF的SR-IOV寄存器的VF的BAR和VF memory space enable不受影响，VF Resizable BAR capability 值也不受影响。

    VF一定要支持FLR的，因为VM在probe VF的是会调用FLR（猜测这么做的原因是，VM不知道物理机是否曾经使用过VF，在自己用之前FLR一下，保证VF是初始状态）

vfio_pci_open_device->vfio_pci_core_enable-> pci_try_reset_function-> __pci_reset_function_locked-> pci_reset_fn_methods[m].reset_fn-> pcie_reset_flr-> pcie_flr

cat /sys/bus/pci/devices/0000\:04\:00.0/reset_method 可以查看function支持哪些reset方式。

6.3 PF的FLR

    PF的FLR会影响PF的state，并且SR-IOV寄存器的VF enable也会被影响。也就是说PF发生FLR，对应的VF 不存在了。

    如果VF enable从1变成0，那么PF下面的所有VF都不存在了，VF不能发出PCIe transaction，也不能响应配置空间和memory空间的访问。VF也不会保存任何state（包括sticky的bit）

7、Linux对SR-IOV的支持

3. PCI Express I/O Virtualization Howto — The Linux Kernel documentation

    有多种方式可以使能SR-IOV。

    方式1：PF调用SR-IOV 的API（pci_enable_sriov / pci_disable_sriov）控制使能或者禁止。如果hardware有SR-IOV的cap，loading PF driver可以使能PF和归属于PF的所有VF。有些PF driver需要模块参数来设置enable VF的数量。

  方式2：写sysfs文件系统sriov_numvfs 来使能或者禁止PF归属的VF（struct pci_driver.sriov_configure）

echo 'nr_virtfn' > /sys/bus/pci/devices//sriov_numvfs

7.1 枚举的PF时候初始化PF的SR-IOV capability

pci_device_add->pci_init_capabilities->pci_iov_init->sriov_init

1. 读取PCI_SRIOV_CTRL，如果VF enable已经置1，则disable，并sleep 1秒
2. 遍历dev->bus上的所有devcie，赋值给pdev，如果是PF，则跳转到found
3. 读取PCI_SRIOV_TOTAL_VF，获取total的数量
4. 设置page size
5. 遍历SR-IOV的6个bar： PCI_SRIOV_NUM_BARS，赋值给iov的数据结构
6. 读取PF SR-IOV的PCI_SRIOV_VF_DID，赋值给iov->vf_device
7. 调用compute_max_vf_buses，计算pf需要消耗的bus数量

7.2 方式一：PF的probe函数使能SR-IOV（PF的probe调用pci_enable_sriov）

PF的probe->pci_enable_sriov->sriov_enable->sriov_add_vfs->pci_iov_add_virtfn

7.3 方式一：PF的remove函数disable SR-IOV

PF的remove->sriov_disable->sriov_del_vfs->pci_iov_remove_virtfn

7.4 ​​​​​​​方式二：使用sys文件系统使能SR-IOV

echo 'nr_virtfn' > /sys/bus/pci/devices//sriov_numvfs

sriov_numvfs_strore->struct pci_driver.sriov_configure-> pci_enable_sriov->sriov_enable-> sriov_add_vfs->pci_iov_add_virtfn

比如82599的网卡，一开始没有vf的，我们使能2个VF

echo 2 > /sys/bus/pci/devices/0000\:04\:00.0/sriov_numvfs