VirtIO Block ディスクイメージの作成とテスト（Phase 2 Week 4）

はじめに

Apple Silicon ハイパーバイザープロジェクト Phase 2 Week 4 では、Linux カーネル統合のための準備を完了しました。

Phase 2 Week 4 の目標

Phase 2 Week 1-3 で VirtIO Block デバイスの基盤（VirtQueue、MMIO レジスタ、ディスク I/O）を実装した後、Week 4 では Linux カーネルがデバイスを認識できるようにすることが目標でした。

• Device Tree に VirtIO Block ノードを追加する
• カーネルコマンドラインに rootfs を指定する（root=/dev/vda rw）
• ディスクイメージ作成スクリプトを実装する
• VirtIO Block のディスク I/O をテストする

Device Tree への VirtIO Block ノード追加

DeviceTreeConfig の拡張

まず、DeviceTreeConfig 構造体に VirtIO Block デバイスのベースアドレスを追加しました。

pub struct DeviceTreeConfig {
    pub memory_base: u64,
    pub memory_size: u64,
    pub uart_base: u64,
    pub virtio_base: u64,  // NEW: VirtIO Block ベースアドレス
    pub cmdline: String,
}

デフォルト設定。

• virtio_base: 0x0a000000
• cmdline: "console=ttyAMA0 root=/dev/vda rw"

VirtIO Block ノードの生成

Device Tree に VirtIO Block デバイスのノードを追加しました。

pub fn generate_device_tree(config: &DeviceTreeConfig) -> Result<Vec<u8>, Box<dyn Error>> {
    let mut builder = FdtBuilder::new()?;

    // ... 既存のノード（CPU、メモリ、UART）...

    // VirtIO Block ノード
    builder.begin_node(&format!("virtio_block@{:x}", config.virtio_base))?;
    builder.property_string("compatible", "virtio,mmio")?;
    builder.property_u64_array("reg", &[config.virtio_base, 0x200])?;
    builder.property_u32_array("interrupts", &[0])?;
    builder.end_node()?;

    // ...
}

生成される Device Tree ノード（DTS 形式）。

virtio_block@a000000 {
    compatible = "virtio,mmio";
    reg = <0x0a000000 0x200>;
    interrupts = <0>;
};

このノードにより、Linux カーネルの VirtIO ドライバーが MMIO アドレス 0x0a000000 で VirtIO Block デバイスを検出できるようになります。

カーネルコマンドラインの更新

Linux カーネルが VirtIO Block デバイス（/dev/vda）を rootfs としてマウントできるように、コマンドラインを更新しました。

cmdline: "console=ttyAMA0 root=/dev/vda rw".to_string()

• console=ttyAMA0: UART をコンソールとして使用
• root=/dev/vda: VirtIO Block デバイスを rootfs としてマウント
• rw: 読み書き可能でマウント

ディスクイメージ作成スクリプト

scripts/create_disk_image.sh

VirtIO Block デバイスのテスト用に、空のディスクイメージを作成するスクリプトを実装しました。

#!/bin/bash
# ディスクイメージ作成スクリプト
#
# 使い方: ./scripts/create_disk_image.sh [サイズMB] [出力ファイル]

set -e

# デフォルト値
SIZE_MB=${1:-64}
OUTPUT=${2:-disk.img}

echo "=== VirtIO Block ディスクイメージ作成 ==="
echo "サイズ: ${SIZE_MB}MB"
echo "出力: ${OUTPUT}"

# 1. 空のディスクイメージを作成
echo ""
echo "[1] 空のディスクイメージを作成中..."
dd if=/dev/zero of="${OUTPUT}" bs=1M count="${SIZE_MB}" status=progress

# 2. ディスクイメージのサイズを確認
echo ""
echo "[2] 作成されたディスクイメージ:"
ls -lh "${OUTPUT}"

# 3. ディスクイメージの情報を表示
echo ""
echo "[3] ディスクイメージ情報:"
FILE_SIZE=$(stat -f%z "${OUTPUT}" 2>/dev/null || stat -c%s "${OUTPUT}")
SECTOR_SIZE=512
SECTORS=$((FILE_SIZE / SECTOR_SIZE))
echo "  - ファイルサイズ: ${FILE_SIZE} bytes"
echo "  - セクタサイズ: ${SECTOR_SIZE} bytes"
echo "  - セクタ数: ${SECTORS}"

echo ""
echo "✅ ディスクイメージが正常に作成されました: ${OUTPUT}"

実行例

$ ./scripts/create_disk_image.sh 64 disk.img

=== VirtIO Block ディスクイメージ作成 ===
サイズ: 64MB
出力: disk.img

[1] 空のディスクイメージを作成中...
64+0 records in
64+0 records out
67108864 bytes transferred in 0.123456 secs (543210987 bytes/sec)

[2] 作成されたディスクイメージ:
-rw-r--r-- 1 user staff 64M  1月  6 22:00 disk.img

[3] ディスクイメージ情報:
  - ファイルサイズ: 67108864 bytes
  - セクタサイズ: 512 bytes
  - セクタ数: 131072

✅ ディスクイメージが正常に作成されました: disk.img

VirtIO Block ディスク I/O テスト

examples/virtio_disk_test.rs

VirtIO Block デバイスのディスク読み書き機能をテストする example を実装しました。

use hypervisor::devices::virtio::VirtioBlockDevice;
use std::fs::OpenOptions;

const SECTOR_SIZE: usize = 512;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    println!("=== VirtIO Block ディスクイメージテスト ===\n");

    // 1. ディスクイメージの存在確認
    let disk_path = "disk.img";
    if !std::path::Path::new(disk_path).exists() {
        eprintln!("エラー: ディスクイメージが見つかりません: {}", disk_path);
        eprintln!("次のコマンドで作成してください:");
        eprintln!("  ./scripts/create_disk_image.sh 64 disk.img");
        return Err("ディスクイメージが見つかりません".into());
    }

    // 2. ディスクサイズを取得
    let metadata = std::fs::metadata(disk_path)?;
    let file_size = metadata.len();
    let capacity = file_size / SECTOR_SIZE as u64;

    // 3. VirtIO Block デバイスを作成
    let file = OpenOptions::new().read(true).write(true).open(disk_path)?;
    let mut device = VirtioBlockDevice::with_disk_image(0x0a00_0000, file, capacity);

    // 4. テストデータを作成（セクタ 0 に書き込む）
    let mut write_data = vec![0u8; SECTOR_SIZE];
    let test_message = b"VIRTIO BLOCK TEST\n";
    write_data[0..test_message.len()].copy_from_slice(test_message);
    for i in test_message.len()..SECTOR_SIZE {
        write_data[i] = (i % 256) as u8;
    }

    device.write_sectors(0, &write_data)?;
    println!("    ✓ {} bytes 書き込み完了", write_data.len());

    // 5. セクタ 0 から読み取る
    let mut read_data = vec![0u8; SECTOR_SIZE];
    device.read_sectors(0, &mut read_data)?;
    println!("    ✓ {} bytes 読み取り完了", read_data.len());

    // 6. データを検証
    if read_data == write_data {
        println!("    ✓ データが一致しました");
    } else {
        return Err("データ検証エラー".into());
    }

    // 7. 複数セクタのテスト
    let mut multi_write = vec![0u8; SECTOR_SIZE * 3];
    for i in 0..SECTOR_SIZE * 3 {
        multi_write[i] = ((i / SECTOR_SIZE) as u8) + 65; // 'A', 'B', 'C'
    }

    device.write_sectors(10, &multi_write[0..SECTOR_SIZE])?;
    device.write_sectors(11, &multi_write[SECTOR_SIZE..SECTOR_SIZE * 2])?;
    device.write_sectors(12, &multi_write[SECTOR_SIZE * 2..SECTOR_SIZE * 3])?;

    let mut multi_read = vec![0u8; SECTOR_SIZE * 3];
    device.read_sectors(10, &mut multi_read[0..SECTOR_SIZE])?;
    device.read_sectors(11, &mut multi_read[SECTOR_SIZE..SECTOR_SIZE * 2])?;
    device.read_sectors(12, &mut multi_read[SECTOR_SIZE * 2..SECTOR_SIZE * 3])?;

    if multi_read == multi_write {
        println!("    ✓ 複数セクタのデータが一致しました");
    }

    println!("\n✅ すべてのテストが成功しました");
    Ok(())
}

read_sectors/write_sectors を public に変更

テストから VirtIO Block のディスク I/O を使用できるように、read_sectors() と write_sectors() メソッドを public に変更しました。

// src/devices/virtio/block.rs

impl VirtioBlockDevice {
    /// セクタを読み取る
    pub fn read_sectors(&mut self, sector: u64, data: &mut [u8]) -> Result<(), Box<dyn Error>> {
        let disk = self.disk_image.as_mut().ok_or("No disk image attached")?;
        let offset = sector * SECTOR_SIZE as u64;
        disk.seek(SeekFrom::Start(offset))?;
        disk.read_exact(data)?;
        Ok(())
    }

    /// セクタに書き込む
    pub fn write_sectors(&mut self, sector: u64, data: &[u8]) -> Result<(), Box<dyn Error>> {
        let disk = self.disk_image.as_mut().ok_or("No disk image attached")?;
        let offset = sector * SECTOR_SIZE as u64;
        disk.seek(SeekFrom::Start(offset))?;
        disk.write_all(data)?;
        disk.flush()?;
        Ok(())
    }
}

テスト結果

実行手順

# 1. ディスクイメージを作成
./scripts/create_disk_image.sh 64 disk.img

# 2. VirtIO Block ディスク I/O テストを実行
cargo run --example virtio_disk_test

実行結果

=== VirtIO Block ディスクイメージテスト ===

[1] ディスクイメージを確認中...
    ✓ ディスクイメージ: disk.img
      - ファイルサイズ: 67108864 bytes (64 MB)
      - セクタ数: 131072

[2] ディスクイメージを開いています...
    ✓ VirtIO Block デバイスを作成

[3] セクタ 0 にテストデータを書き込んでいます...
    ✓ 512 bytes 書き込み完了

[4] セクタ 0 からデータを読み取っています...
    ✓ 512 bytes 読み取り完了

[5] データを検証中...
    ✓ データが一致しました

    最初の 32 bytes:
      VIRTIO BLOCK TE
      ST..............

[6] 複数セクタ（セクタ 10-12）のテストを実行中...
    ✓ 1536 bytes 書き込み完了
    ✓ 1536 bytes 読み取り完了
    ✓ 複数セクタのデータが一致しました

✅ すべてのテストが成功しました

ユニットテスト結果

$ cargo test

running 34 tests
test devices::uart::tests::test_uart_read_fr ... ok
test devices::uart::tests::test_uart_write_data ... ok
test devices::virtio::queue::tests::test_virtqueue_new ... ok
test devices::virtio::queue::tests::test_pop_avail ... ok
test devices::virtio::queue::tests::test_push_used ... ok
test devices::virtio::queue::tests::test_virtqueue_wraparound ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_virtio_block_new ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_read_magic_value ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_read_version ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_read_device_id ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_read_vendor_id ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_read_queue_num_max ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_write_status ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_write_queue_sel ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_write_and_read_sectors ... ok
test devices::virtio::block::tests::test_read_write_multiple_sectors ... ok
... (全 34 テストが通過)

test result: ok. 34 passed; 0 failed; 0 ignored; 0 measured; 0 filtered out

技術的発見

1. ディスク I/O は既に実装済み

Phase 2 Week 3 で read_sectors() と write_sectors() メソッドは既に実装され、ユニットテストで動作確認済みでした。今回は public に変更して、examples から使用可能にしました。

2. ディスクイメージ作成の自動化

dd コマンドで空のディスクイメージを作成することで、テスト環境を素早く構築できるようになりました。

• セクタサイズ: 512 bytes（標準的な HDD/SSD のセクタサイズ）
• セクタ数: 131072（64MB = 67108864 bytes）
• macOS の stat -f%z でファイルサイズを取得

3. テスト結果

• 単一セクタ（512 bytes）の読み書きが正常に動作
• 複数セクタ（1536 bytes = 3 セクタ）の読み書きが正常に動作
• “VIRTIO BLOCK TEST\n” メッセージをディスクに書き込み、正常に読み取り

4. Device Tree と Linux カーネルの統合

Device Tree に VirtIO Block ノードを追加することで、Linux カーネルの VirtIO ドライバーがデバイスを検出できるようになりました。カーネルコマンドライン root=/dev/vda rw により、カーネルは VirtIO Block デバイスを rootfs としてマウントしようとします。

Phase 2 Week 4 の成果

完了した実装

1. Device Tree 統合

   • VirtIO Block ノードを Device Tree に追加
   • カーネルコマンドラインに root=/dev/vda rw を指定
   • すべての関連ファイルを更新（4 ファイル）

2. ディスクイメージ基盤

   • 自動化スクリプト: scripts/create_disk_image.sh
   • ディスク I/O テスト: examples/virtio_disk_test.rs
   • read_sectors / write_sectors を public API として公開

3. 検証完了

   • ユニットテスト 34 件全パス
   • cargo fmt クリーン
   • cargo clippy クリーン
   • ディスク I/O 動作確認済み

Phase 2 全体の実装状況

完了項目:

• ✅ Week 1: VirtQueue 実装（Split Virtqueues）
• ✅ Week 2: VirtIO MMIO レジスタ実装
• ✅ Week 3: VirtIO Block ディスク I/O 実装
• ✅ Week 4: Device Tree 統合とディスクイメージ基盤

実装の制限と今後の展望

現時点での制限

現在のハイパーバイザーは簡易的な ARM64 コードを実行可能ですが、実際の Linux カーネルをブートするには以下の追加実装が必要です。

1. 割り込みハンドリング（GIC エミュレーション）

   • VirtIO デバイスからの割り込み通知
   • タイマー割り込み
   • Generic Interrupt Controller（GIC）のエミュレーション

2. タイマー実装

   • ARM Generic Timer のエミュレーション
   • カーネルのスケジューリングに必要

3. VirtQueue の完全な処理（ゲストメモリアクセス）

   • 現在は process_queue() がスタブ実装
   • ゲストメモリから記述子を読み取り、データを転送する必要がある

4. Linux カーネルのビルドと統合

   • ARM64 Linux カーネルをビルド
   • BusyBox ベースの initramfs/rootfs を作成
   • カーネルブートログの確認

Phase 3 の候補

Phase 2 で VirtIO Block デバイスの基盤実装が完了したので、Phase 3 では実際の Linux カーネルのブートに必要な追加実装を検討します。

1. GIC（Generic Interrupt Controller）エミュレーション
2. タイマー実装
3. VirtQueue の完全な処理
4. Linux カーネルのビルドと統合

まとめ

Phase 2 Week 4 では、Linux カーネル統合に向けた準備として、Device Tree への VirtIO Block ノード追加とディスクイメージ作成スクリプト・テストを実装しました。

VirtIO Block デバイスの基盤実装が完了し、次は実際の Linux カーネルをブートするための追加実装（GIC、タイマー、VirtQueue の完全な処理）に進みます。

参考資料

• VirtIO 1.2 Specification
• Device Tree Specification
• ARM64 Linux Booting
• QEMU VirtIO 実装
• プルリクエスト #20