linux中block驅(qū)動(dòng)的編寫詳解

引言

像IIC、LED、KEY等都屬于字符設(shè)備，這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)是所有驅(qū)動(dòng)類型中最為簡單的。塊設(shè)備是另外一種不同于字符設(shè)備的類型，這兩類設(shè)備在linux的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中有很大差異。總體來說，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)比字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的多，在IO操作上也表現(xiàn)出很大的不同。緩沖、IO的調(diào)度、請(qǐng)求隊(duì)列等都是和塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)的概念。

本章從驅(qū)動(dòng)小白（指本人）的切身實(shí)際出發(fā)，先不去了解那些深?yuàn)W的XXX，只從一個(gè)最簡單的例子開始，對(duì)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)有一個(gè)大體的了解。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，驅(qū)動(dòng)是一個(gè)大坑，夠你用10年來填。慢慢學(xué)吧。

1. 塊設(shè)備結(jié)構(gòu)

塊設(shè)備就是指磁盤、CD-ROM等硬件存儲(chǔ)介質(zhì)，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)連接了塊設(shè)備和用戶空間，實(shí)現(xiàn)用戶空間對(duì)磁盤的大塊數(shù)據(jù)訪問。整個(gè)子系統(tǒng)如下圖所示，包含虛擬文件系統(tǒng)，塊IO調(diào)度層，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及具體的塊設(shè)備。塊設(shè)備不同于字符設(shè)備，它是以塊為單位接收輸入和返回輸出，而字符設(shè)備是以字節(jié)為單位。塊設(shè)備支持隨機(jī)訪問，而且其讀寫速度都快于字符設(shè)備，因此驅(qū)動(dòng)的表現(xiàn)也至關(guān)重要。這也是為什么塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)被分開來寫。塊是最小的讀寫單位，不同的文件系統(tǒng)有不同大小的塊尺寸，但是它必須是2的指數(shù)，同時(shí)不能超過頁大小。通常使用的大小有512字節(jié)，1K字節(jié)，4K字節(jié)等。

虛擬文件系統(tǒng)（VFS）：隱藏了各種硬件的具體細(xì)節(jié)，為用戶操作不同的硬件提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。其基于不同的文件系統(tǒng)格式，比如EXT，F(xiàn)AT等。用戶程序?qū)υO(shè)備的操作都通過VFS來完成，在VFS上面就是諸如open、close、write和read的函數(shù)API。

映射層（mapping layer）：這一層主要用于確定文件系統(tǒng)的block size，然后計(jì)算所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包含多少個(gè)block。同時(shí)調(diào)用具體文件系統(tǒng)函數(shù)來訪問文件的inode，確定所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)在磁盤上面的邏輯地址。

IO調(diào)度器：這部分是linux塊系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，其涉及到如何接收用戶請(qǐng)求并能最高效去訪問硬件磁盤中的數(shù)據(jù)。

Block driver：完成和塊設(shè)備的具體交互。

2. 驅(qū)動(dòng)程序詳解

通過編寫一個(gè)vmem_disk驅(qū)動(dòng)來了解block驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，vmem_disk是一種模擬磁盤，其數(shù)據(jù)實(shí)際上存儲(chǔ)在RAM中。它通過vmalloc()分配出來的內(nèi)存空間來模擬出一個(gè)磁盤，以塊設(shè)備方式來訪問這片內(nèi)存。現(xiàn)在來看其主要結(jié)構(gòu)。

2.1 block_device_operations

Block_device_operations類似于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的file_operations結(jié)構(gòu)，它是對(duì)塊設(shè)備各種操作的集合，定義代碼如下：

struct block_device_operations {
    int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
    int (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
    int (*locked_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    int (*direct_access) (struct block_device *, sector_t,void **, unsigned long *);
    int (*media_changed) (struct gendisk *);
    int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
    int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
    struct module *owner;
};

1） 打開和釋放

int (*open)(struct inode *inode ,struct file *filp);

int (*release)(struct inode *inode ,struct file *filp);

這個(gè)和字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)類似，當(dāng)設(shè)備被打開和關(guān)閉時(shí)將調(diào)用它們。

2） IO控制

int (*ioctl)(struct inode *inode,struct file *filp uusignwd intcmd,unsigned long arg)

這個(gè)和字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的ioctrl類似，也是用于系統(tǒng)調(diào)用。塊設(shè)備包含大量的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，這些標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求由linux通用塊設(shè)備層處理，因此大部分ioctrl函數(shù)相當(dāng)短。

3） 介質(zhì)改變

int (*check_media_change) (kdev_t);

int (*revalidate) (kdev_t);

像磁盤、CD-ROM等塊設(shè)備是可插拔的，因此需要有個(gè)函數(shù)來檢測(cè)設(shè)備是否存在。當(dāng)介質(zhì)發(fā)生改變，使用revalidate_disk來響應(yīng)，給驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)會(huì)進(jìn)行必要的工作來使介質(zhì)準(zhǔn)備好。

4） 獲得驅(qū)動(dòng)信息

int (*getgeo)(struct block_device   *,struct hd_geometry *)；

該函數(shù)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的幾何信息填充一個(gè)hd_geometry結(jié)構(gòu)體，hd_geometry包含磁頭、扇區(qū)、柱面等信息。

所以我們要填充這個(gè)結(jié)構(gòu)體信息，并定義其對(duì)應(yīng)函數(shù)。填充如下：

static struct block_device_operations vmem_fops={
         .owner=THIS_MODULE,
         .getgeo=vmem_getgeo,
         .ioctl=vmem_ioctl,
         .open=vmem_open,
         .release=vmem_release,
};

我們只定義了open、release、ioctrl、getgeo函數(shù)。為了簡化這個(gè)驅(qū)動(dòng)，我們把open、release、ioctrl函數(shù)的具體內(nèi)容也都省略了，只是給出一個(gè)定義，沒有任何有效內(nèi)容。但是hd_geometry的信息需要填充，所以getgeo函數(shù)定義如下：

static int vmem_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo)
{
         geo->cylinders=1;
         geo->heads=1;
         geo->sectors=BLK_SIZE/SECTOR_SIZE;
         return 0;
}

定義了使用的塊設(shè)備的柱面、磁頭和扇區(qū)個(gè)數(shù)。

2.2 gendisk結(jié)構(gòu)體

在linux內(nèi)核中，用gendisk結(jié)構(gòu)體來表示一個(gè)獨(dú)立的磁盤設(shè)備。就像字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中使用cdev結(jié)構(gòu)體一樣，它也包含主次設(shè)備號(hào)，需要分配內(nèi)存，釋放結(jié)構(gòu)體和初始化操作。

1） 分配gendisk

分配函數(shù)為：

struct gendisk *alloc_disk(int minors);

2） 增加gendisk

這個(gè)是用于注冊(cè)磁盤設(shè)備，函數(shù)為：

void add_disk(struct gendisk *gd);

3） 釋放gendisk

當(dāng)不再需要使用磁盤時(shí)候，需要釋放這個(gè)結(jié)構(gòu)體，也即釋放其分配的內(nèi)存。

void del_gendisk(struct gendisk *gd);

以上這些函數(shù)在快設(shè)備初始化和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)中調(diào)用。

2.3 請(qǐng)求處理

每個(gè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心是它的請(qǐng)求函數(shù)，實(shí)際的工作，至少如設(shè)備的啟動(dòng)，都是在這個(gè)函數(shù)里完成的。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的request函數(shù)有以下原型：

void request(request_queue_t *queue);

當(dāng)內(nèi)核需要驅(qū)動(dòng)程序處理讀取、寫入以及其它對(duì)設(shè)備的操作時(shí)，就會(huì)調(diào)用該函數(shù)。在其返回前，request函數(shù)不必完成所有隊(duì)列中的請(qǐng)求。事實(shí)上，對(duì)大多數(shù)真實(shí)設(shè)備而言，它可能沒有完成任何請(qǐng)求。

每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列，這是因?yàn)閷?duì)磁盤數(shù)據(jù)實(shí)際傳入和傳出發(fā)生的時(shí)間，與內(nèi)核請(qǐng)求的時(shí)間相差很大，因此內(nèi)核需要有一定靈活性，以安排在適當(dāng)時(shí)刻（比如把影響相鄰磁盤扇區(qū)的請(qǐng)求分成一組）進(jìn)行傳輸。

我們用一個(gè)簡單的request函數(shù)：

static void vmem_request(struct request_queue *q){
         struct request *req;
         uint64_t pos=0;
         ssize_t size=0;
         struct bio_vec bvec;
         int rv=0;
         struct req_iterator iter;
         void *kaddr=NULL;
         while((req=blk_fetch_request(q)) != NULL){
                   spin_unlock_irq(q->queue_lock);
                   pos=blk_rq_pos(req)*SECTOR_SIZE;
                   size=blk_rq_bytes(req);
                   if(pos+size>vdev->size){
                            printk(KERN_WARNING "beyond addr/n");
                            rv=-EIO;
                            goto skip;
                   }
                   rq_for_each_segment(bvec, req, iter){
                            kaddr=kmap(bvec.bv_page);
                            rv=vmem_transfer(vdev, pos, bvec.bv_len, kaddr+bvec.bv_offset, rq_data_dir(req));
                            if(rv<0)
                                     goto skip;
                   pos+=bvec.bv_len;
                   kunmap(bvec.bv_page);
                   }
         skip:
                   blk_end_request_all(req, rv);
                   spin_lock_irq(q->queue_lock);
         }
}

Blk_fetch_request從請(qǐng)求隊(duì)列中獲取一個(gè)請(qǐng)求，當(dāng)沒有請(qǐng)求需要時(shí)，返回NULL。然后while中的程序開始處理這個(gè)請(qǐng)求。當(dāng)請(qǐng)求隊(duì)列創(chuàng)建的時(shí)候，request函數(shù)綁定了它，并且提供了一個(gè)自旋鎖。當(dāng)調(diào)用request函數(shù)時(shí)，該鎖由內(nèi)核控制。因此request函數(shù)是一個(gè)原子上下文中運(yùn)行的。因此在獲得request時(shí)，需要通過spin_unlock_irq函數(shù)來解鎖。

然后通過blk_rq_pos和blk_rq_bytes來獲得請(qǐng)求中的位置和大小。rq_for_each_segment是一個(gè)宏定義，其遍歷一個(gè)請(qǐng)求中的所有bio。這里插入一下對(duì)bio的介紹：

從本質(zhì)上講，一個(gè)request結(jié)構(gòu)是作為一個(gè)bio結(jié)構(gòu)的鏈表實(shí)現(xiàn)的。Bio結(jié)構(gòu)是在底層對(duì)部分塊設(shè)備IO請(qǐng)求的描述。Bio結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct bio { 
    sector_t bi_sector;//該bio結(jié)構(gòu)所要傳輸?shù)牡谝粋€(gè)（512字節(jié)）扇區(qū)：磁盤的位置 
    struct bio *bi_next;    //請(qǐng)求鏈表 
    struct block_device *bi_bdev;//相關(guān)的塊設(shè)備 
    unsigned long bi_flags//狀態(tài)和命令標(biāo)志 
    unsigned long bi_rw; //讀寫 
    unsigned short bi_vcnt;//bio_vesc偏移的個(gè)數(shù) 
    unsigned short bi_idx;    //bi_io_vec的當(dāng)前索引 
    unsigned short bi_phys_segments;//結(jié)合后的片段數(shù)目 
    unsigned short bi_hw_segments;//重映射后的片段數(shù)目 
    unsigned int bi_size;    //I/O計(jì)數(shù) 
    unsigned int bi_hw_front_size;//第一個(gè)可合并的段大小; 
    unsigned int bi_hw_back_size;//最后一個(gè)可合并的段大小 
    unsigned int bi_max_vecs;    //bio_vecs數(shù)目上限 
    struct bio_vec *bi_io_vec;    //bio_vec鏈表：內(nèi)存的位置 
    bio_end_io_t *bi_end_io;//I/O完成方法 
    atomic_t bi_cnt; //使用計(jì)數(shù) 
    void *bi_private; //擁有者的私有方法 
    bio_destructor_t *bi_destructor;    //銷毀方法 
}; 

與bio對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)每次存放的內(nèi)存不一定是連續(xù)的，bio_vec結(jié)構(gòu)體用于描述與這個(gè)bio對(duì)應(yīng)的所有內(nèi)存，它并不總是在一個(gè)頁面里，因此需要一個(gè)向量。IO調(diào)度算法將連續(xù)的bio合并成一個(gè)request，然后可以改善讀寫磁盤的性能。

遍歷bio的時(shí)候，就可以定義一個(gè)transfer函數(shù)來完成bio的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移了。Rq_data_dir獲得從request中得到數(shù)據(jù)傳輸方向，返回值0表示從設(shè)備讀數(shù)據(jù)，非0表示寫數(shù)據(jù)。Transfer中就可以通過簡單的memcpy來完成數(shù)據(jù)拷貝：

static int vmem_transfer(struct vmem_device *vdev, uint64_t pos, ssize_t size, void *buffer, int write)
{
         if(write)
                   memcpy(vdev->buf+pos, buffer, size);
         else
                   memcpy(buffer, vdev->buf+pos, size);
         return 0;
}

如果一個(gè)請(qǐng)求不是文件系統(tǒng)請(qǐng)求，就將請(qǐng)求傳遞給end_request。當(dāng)處理非文件系統(tǒng)請(qǐng)求時(shí)，傳遞0表示不能成功完成該請(qǐng)求。

2.4 設(shè)備初始化

在塊設(shè)備初始化階段，與字符設(shè)備類似?；具^程如下：

1） 注冊(cè)塊設(shè)備

vmem_major=register_blkdev(0, "VMEM");

第一個(gè)參數(shù)0表示由內(nèi)核自動(dòng)分配主設(shè)備號(hào)，如果成功注冊(cè)就返回這個(gè)主設(shè)備號(hào)，如果注冊(cè)失敗就返回負(fù)值。

2） 定義設(shè)備結(jié)構(gòu)體

這個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體是自己定義的，一般包含gendisk、設(shè)備號(hào)、請(qǐng)求隊(duì)列等。

struct vmem_device {
         struct gendisk *disk;
         struct request_queue *que;
         void *buf;
         spinlock_t lock;
         ssize_t size;
};

3） vmem_dev結(jié)構(gòu)體分配和buf分配

         vdev=kzalloc(sizeof(struct vmem_device), GFP_KERNEL);
         if(!vdev){
                   printk(KERN_WARNING "vmem_device: unable to allocate mem/n");
                   goto out;
         }
         vdev->size=BLK_SIZE;
         vdev->buf=vmalloc(vdev->size);
         if(vdev->buf==NULL){
                   printk(KERN_WARNING "failed to vmalloc vdev->buf/n");
                   goto out_dev;
         }

Buf就是一個(gè)虛擬的磁盤。

4） 初始化請(qǐng)求隊(duì)列

vdev->que=blk_init_queue(vmem_request, &vdev->lock);

5） 分配磁盤

disk=alloc_disk(1);

6） 填充vmem_dev結(jié)構(gòu)體中的信息。

         vdev->disk=disk;
         disk->major=vmem_major;
         disk->first_minor=1;
         disk->fops=&vmem_fops;
         disk->queue=vdev->que;
         disk->private_data=vdev;
         sprintf(disk->disk_name, "VMEM");

7）注冊(cè)磁盤

         set_capacity(disk, BLK_SIZE/SECTOR_SIZE);

         add_disk(disk);

3．實(shí)驗(yàn)

我們注冊(cè)驅(qū)動(dòng)，并看到在dev下面有VMEM設(shè)備，這個(gè)就是我們的虛擬磁盤設(shè)備文件。

然后將其格式化為ext2文件系統(tǒng)：

接下來我們就可以將其掛載并創(chuàng)建文件了。

總結(jié)

最后總結(jié)一下linux中block驅(qū)動(dòng)的編寫過程：

1） 填充request函數(shù)，這個(gè)函數(shù)在請(qǐng)求隊(duì)列初始化中將喝隊(duì)列綁定；

2） 定義vdev結(jié)構(gòu)體，其中包含gendisk、request_queue等結(jié)構(gòu)；

3） 定義設(shè)備初始化函數(shù)，并完成對(duì)disk的分配，注冊(cè)，請(qǐng)求隊(duì)列初始化工作；

4） 填充block_device_operations結(jié)構(gòu)體；

5） 定義設(shè)備退出函數(shù)，主要是釋放結(jié)構(gòu)體；

編輯：hfy