VIRTIO-GPU Work Flow

virtio-gpu属于virtio系列I/O虚拟化方案，采用类虚拟化设计，Guest端需要内置virtio驱动（>Linux 4.4均已配置，Android x86源码kernel/drivers/virtio中可查看）。virtio驱动的基本结构为前后端设计，前端为Guest OS驱动，后端为模拟器端逻辑，前后端通过virtqueue队列（由环形缓冲区vring实现）进行数据交换。

Guest端

• 操作系统启动时遍历PCI总线树，virtio-gpu作为一个PCI设备被OS检测到并注册

• virtio_pci_common.c中的virtio_pci_probe函数会根据PCI设备号创建virtio_pci_device，并将其添加到virtio_bus

• 在/sys/bus/virtio/drivers中可以看到virtio-gpu设备

• 运行一个OpenGL应用，此时该应用会调用OpenGL库进行图形绘制

• OpenGL指令会送至内核中的DRM（Direct Rendering Management）图形驱动，DRM驱动向GPU下达相应的图形指令（着色、光栅化、贴图什么的），具体的OpenGL->DRM->GPU流程看这里https://www.cnblogs.com/shoemaker/p/linux_graphics01.html

• Guest端的virtio-gpu设备截获DRM的相关指令，然后转换分解为自己定义的一套指令（具体指令类型见后）

• 将指令放到virtqueue中，然后告知QEMU：

  virtqueue_notify
      vq->notify(_vq) <-- vp_notify
      iowrite16(vq->index, vp_dev->ioaddr + VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY)
  

  方法是Guest写I/O寄存器，触发VM Exit进入到KVM中处理，进入到Host端流程

Host端

• KVM无法处理而退出，处理退出原因发现是KVM_EXIT_IO，进而调用相应的Handle函数

  int kvm_cpu_exec(CPUArchState *env)
  {
      do {
          run_ret = kvm_vcpu_ioctl(env, KVM_RUN, 0);
          switch (run->exit_reason) { /* 处理退出原因 */
          case KVM_EXIT_IO:
              kvm_handle_io();
              ...
  }
  

• kvm_handle_io通过write eventfd将等待poll的QEMU主线程唤醒，然后一步步走到virtio-gpu的I/O handlers。其中与virtio-gpu有关的virtqueue有两个：ctrl_vq负责交换图形命令，cursor_vq负责交换光标信息；

  从而相应也有两个handlers：virtio_gpu_handle_ctrl和virtio_gpu_handle_cursor，两个函数在hw/display/virtio-gpu.c；

  handler的注册在GCC编译时设定为在main函数前执行，位于virtio_gpu_device_realize函数中，具体见QOM编程模型https://blog.csdn.net/u011364612/article/details/53581411和相关的GCC trickhttps://blog.csdn.net/u011364612/article/details/53581501

  main  main_loop main_loop_wait
      os_host_main_loop_wait
          glib_pollfds_poll
              g_main_context_dispatch 
                  aio_ctx_dispatch    aio_dispatch
                      virtio_queue_host_notifier_read
                          virtio_queue_notify_vq 
                              virtio_gpu_handle_ctrl virtio_gpu_handle_cursor
  

• 以virtio_gpu_handle_ctrl继续向下，到virtio_gpu_handle_ctrl，其首先从virtqueue中取出Guest端传来的命令，然后进行处理

  void virtio_gpu_process_cmdq(VirtIOGPU *g)
  {
      struct virtio_gpu_ctrl_command *cmd;
    
      while (!QTAILQ_EMPTY(&g->cmdq)) {
          /* 取命令 */
          cmd = QTAILQ_FIRST(&g->cmdq);
            
          ...
    
          /* 处理命令 */
          VIRGL(g, virtio_gpu_virgl_process_cmd, virtio_gpu_simple_process_cmd,
                g, cmd);
          QTAILQ_REMOVE(&g->cmdq, cmd, next);
          ...
      }
  }
  

  virtio_gpu_ctrl_command为Guest端解析DRM驱动指令重新构成的virtio命令格式

  struct virtio_gpu_ctrl_command {
      VirtQueueElement elem;                       // 取出的命令被映射到这里
      VirtQueue *vq;                               // Host/Guest共享的队列
      struct virtio_gpu_ctrl_hdr cmd_hdr;          // 命令指定的header，指定了命令类型
      uint32_t error;
      bool finished;
      QTAILQ_ENTRY(virtio_gpu_ctrl_command) next;
  };
  

• 处理命令的VIRGL宏如下，这里用了libvirglrenderer

  #ifdef CONFIG_VIRGL
  #include <virglrenderer.h>
  #define VIRGL(_g, _virgl, _simple, ...)                     \
      do {                                                    \
          if (_g->parent_obj.use_virgl_renderer) {            \
              _virgl(__VA_ARGS__);                            \
          } else {                                            \
              _simple(__VA_ARGS__);                           \
          }                                                   \
      } while (0)
  #else
  #define VIRGL(_g, _virgl, _simple, ...)                 \
      do {                                                \
          _simple(__VA_ARGS__);                           \
      } while (0)
  #endif
  

  有virgl支持则能进行3D加速，否则只能进行2D加速，在Windows上目前直接使用virtio-vga会黑屏可能是已经没有所谓的2D加速这种东西了吧

• _simple对应virtio_gpu_simple_process_cmd，3D加速对应的函数差不多

  static void virtio_gpu_simple_process_cmd(VirtIOGPU *g,
                                            struct virtio_gpu_ctrl_command *cmd)
  {
      VIRTIO_GPU_FILL_CMD(cmd->cmd_hdr);
      virtio_gpu_ctrl_hdr_bswap(&cmd->cmd_hdr);
    
      switch (cmd->cmd_hdr.type) { //type就是命令类型
      case VIRTIO_GPU_CMD_GET_DISPLAY_INFO:
          virtio_gpu_get_display_info(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_GET_EDID:
          virtio_gpu_get_edid(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_RESOURCE_CREATE_2D:          // 创建2D资源，仅有长宽和格式，没有像素信息，像素信息单独传
          virtio_gpu_resource_create_2d(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_RESOURCE_UNREF:
          virtio_gpu_resource_unref(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_RESOURCE_FLUSH:             // 将处理好的图形送到显示器
          virtio_gpu_resource_flush(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_TRANSFER_TO_HOST_2D:        // 交给Host的pixman库进行图形处理，比如明暗、光栅化处理
          virtio_gpu_transfer_to_host_2d(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_SET_SCANOUT:
          virtio_gpu_set_scanout(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_RESOURCE_ATTACH_BACKING:    // 获取像素信息并和2D资源绑定
          virtio_gpu_resource_attach_backing(g, cmd);
          break;
      case VIRTIO_GPU_CMD_RESOURCE_DETACH_BACKING:
          virtio_gpu_resource_detach_backing(g, cmd);
          break;
      default:
          cmd->error = VIRTIO_GPU_RESP_ERR_UNSPEC;
          break;
      }
      if (!cmd->finished) {
          virtio_gpu_ctrl_response_nodata(g, cmd, cmd->error ? cmd->error :
                                          VIRTIO_GPU_RESP_OK_NODATA);
      }
  }
  

  具体的各流程和结构体解释见https://blog.csdn.net/huang987246510/article/details/106254294/

• pixman库处理完后由dpy_gfx_update刷新显示器