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　　本文的素材以及源代碼（稍有改動）均來源于《Linux Device Driver》，因此本文可視為該書塊設備驅(qū)動相關章節(jié)的閱讀理解,。

　　一,、體驗塊設備驅(qū)動（單擊下載驅(qū)動源碼）

　　本驅(qū)動模擬了一個硬盤,。想想你去中關村（不過我更喜歡去成都@世界）買了一個硬盤,，迫不及待地安裝在你的Linux機器上，你怎么樣才能使用這個新硬盤呢,？當然要先把它驅(qū)動起來,。

　　1、make生成sbull.ko后加載驅(qū)動：sudo insmod sbull.ko

　　2,、對硬盤分區(qū) 執(zhí)行suod fdisk /dev/sbulla

　　輸入x,，進入高級菜單

　　輸入h，change number of heads 為4

　　輸入c,，change number of cylinders 為4

　　輸入r,，退回主菜單

　　順次輸入n、p,、1,、1、4,，創(chuàng)建一個主分區(qū)占有cylinders 1-4

　　輸入w,，保存并退出

　　3、輸入 sudo mkfs.ext2 /dev/sbulla1 在硬盤分區(qū)上格式化ext2文件系統(tǒng)

　　4,、掛載新硬盤上的分區(qū) 輸入 mkdir testdir創(chuàng)建空目錄

　　輸入mount –t ext2 /dev/sbulla1 ./testdir

　　之后,，你就可以通過testdir目錄來訪問新硬盤分區(qū)了。

　　二,、塊設備驅(qū)動框架介紹

　　1,、驅(qū)動接口簡介 上層接口

　　用戶接口

　　塊設備 b：/dev/sda、/dev/sda2,、 /dev/ram0

　　用戶空間程序

　　mkfs,、mount、fdisk,；

　　直接調(diào)用open,、release,、ioctl接口

　　讀寫時，不直接調(diào)用讀寫接口,，而是將讀寫request提交給OS的block layer層

　　操作系統(tǒng)接口

　　block layer I/O scheduler決定需要執(zhí)行磁盤I/O時,，調(diào)用驅(qū)動的讀寫接口

　　抽象物理設備為 cylinder、header,、sector組成,，視其為編號從0開始的flat型sector集合。（注1）

　　總假定物理設備一個sector大小為512byte(注2)

　　下層接口

　　抽象物理設備為編號從0開始的flat型sector集合,，但轉(zhuǎn)換sector大小為物理設備的實際值,，通過物理寄存器的讀寫，將數(shù)據(jù)寫入指定的sector位置

　　由物理設備的中斷（讀寫完成）來喚醒用戶進程（或內(nèi)核線程）

　　注1： 借助minor number辨別partition編號（也可能是整個磁盤）,，再借助分區(qū)表決定分區(qū)的起始sector號

　　注2： #define KERNEL_SECTOR_SHIFT 9 #define KERNEL_SECTOR_SIZE (1 << KERNEL_SECTOR_SHIFT)

　　2,、塊設備結(jié)構體

　　塊設備結(jié)構體 struct gendisk 是塊設備驅(qū)動中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構，它在操作系統(tǒng)和驅(qū)動中代表一個物理磁盤,。其主要字段有： major：磁盤對應的主設備號,，出現(xiàn)在/proc/devices中。register_blkdev(sbull_major, "sbull");

　　first_minor：磁盤對應的第1個次設備號,。dev->gd->first_minor = which*SBULL_MINORS,；

　　minors ：磁盤擁有的次設備號的總數(shù)。dev->gd = alloc_disk(SBULL_MINORS);

　　disk_name：磁盤的名稱,。出現(xiàn)在/proc/partitions中

　　fops：塊設備驅(qū)動中的功能函數(shù),。包括：open\release\media_change\revalidate_disk\ioctl等

　　queue：OS回調(diào)讀寫函數(shù)時使用的request queue隊列（它綁定了讀寫函數(shù)）

　　private_data：私有數(shù)據(jù)，常用于存放包裹設備結(jié)構體

　　capacity：512字節(jié)大小的sector的總數(shù)量

　　set_capacity(dev->gd, nsectors*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE));

　　3,、塊設備結(jié)構體注冊 申請major number

　　sbull_major = register_blkdev(sbull_major, "sbull"); //sbull出現(xiàn)在/proc/devices中

　　分配（初始生成）塊設備結(jié)構體

　　dev->gd = alloc_disk(SBULL_MINORS); //同時也關聯(lián)設備號數(shù)量

　　將塊設備結(jié)構體與設備號,、設備操作函數(shù)、讀寫隊列關聯(lián)

　　dev->gd->major = sbull_major; //關聯(lián)主設備號

　　dev->gd->first_minor = which*SBULL_MINORS; //關聯(lián)次設備號

　　dev->gd->fops = &sbull_ops; //關聯(lián)功能函數(shù)

　　dev->queue = blk_init_queue(sbull_request, &dev->lock);

　　dev->gd->queue = dev->queue; //關聯(lián)讀寫隊列

　　將塊設備結(jié)構體注冊進OS

　　add_disk(dev->gd);

　　4,、塊設備結(jié)構體注銷 將塊設備結(jié)構體從OS中注銷

　　del_gendisk(dev->gd);

　　銷毀塊設備結(jié)構體（移除對kobject的最后ref.,，釋放結(jié)構體內(nèi)存）

　　put_disk(dev->gd);

　　釋放major number

　　unregister_blkdev(sbull_major, "sbull");

　　5、塊設備的簡單讀寫-原理 用戶程序或內(nèi)核組件提出讀寫request時,，會將該request提交給block layer層

　　block layer層構造request結(jié)構,，并將其鏈入塊設備結(jié)構體綁定的request queue中

　　在適當?shù)臅r候，block layer層回調(diào)request queue中綁定的驅(qū)動中的讀寫函數(shù),，并將request queue的指針作為參數(shù)傳給驅(qū)動中的讀寫函數(shù)

　　驅(qū)動中 的讀寫函數(shù)根據(jù)傳給它的request queue的指針,，從request queue中取出一個request，根據(jù)request中指定的方向（讀或?qū)懀?、?shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置,、在設備上的位置（起始sector編號）、傳輸數(shù) 據(jù)量的大?。╯ector數(shù)量）,，完成物理讀寫

　　驅(qū)動通知block layer層實際完成的讀寫量,，block layer層據(jù)此更新其內(nèi)部各個數(shù)據(jù)結(jié)構；并告知驅(qū)動是否整個request已經(jīng)處理完成,，若是,，驅(qū)動則負責將request從request queue中摘下，并釋放request結(jié)構的內(nèi)存,，喚醒等待該request完成的所有進程

　　6,、讀寫隊列結(jié)構體-注冊與注銷 分配（初始生成）讀寫隊列結(jié)構體，并與讀寫函數(shù)綁定

　　dev->queue = blk_init_queue(sbull_request, &dev->lock);

　　block layer在回調(diào)讀寫函數(shù)sbull_request時,，會先獲得自旋鎖dev->lock,，這樣block layer就可以與驅(qū)動的其它函數(shù)共享相同的臨界區(qū)

　　blk_queue_hardsect_size(dev->queue, hardsect_size);

　　設置實際設備的扇區(qū)大小，這樣block layer層就會根據(jù)實際設備能夠處理的扇區(qū)大小來構造request結(jié)構體,，從而不會出現(xiàn)實際設備處理不了的request

　　dev->queue->queuedata = http://blog.soso.com/qz.q/dev

　　將塊設備結(jié)構體與讀寫隊列關聯(lián)

　　dev->gd->queue = dev->queue;

　　將讀寫隊列結(jié)構體間接注冊進OS

　　add_disk(dev->gd);

　　將讀寫隊列結(jié)構體間接從OS中注銷

　　del_gendisk(dev->gd);

　　銷毀讀寫隊列結(jié)構體（移除對kobject的最后ref.,，釋放結(jié)構體內(nèi)存）

　　blk_cleanup_queue(dev->queue);

　　7、塊設備的簡單讀寫-實現(xiàn)

　　108 static void sbull_request(request_queue_t *q)

　　109 {

　　110 struct request *req;

　　112 while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) { //從request queue中取出一個request,循環(huán)直到request queue中的所有request被傳送完

　　//因為讀寫隊列與塊設備結(jié)構體已關聯(lián),，所以block layer層在將讀寫請求鏈入request queue時,，能將rq_disk字段指向塊設備結(jié)構體

　　113 struct sbull_dev *dev = req->rq_disk->private_data;

　　114 if (! blk_fs_request(req)) {

　　116 end_request(req, 0);

　　117 continue;

　　118 }

　 　123 sbull_transfer(dev, req->sector, req->current_nr_sectors, //根據(jù)request中指定的方向（rq_data_dir）、數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置（ req->buffer ）,、

　　124 req->buffer, rq_data_dir(req)); //在設備上的位置（ req->sector ）,、傳輸數(shù)據(jù)量的大?。?req->current_nr_sectors ）,，完成物理讀寫

　　125 end_request(req, 1); //通知block layer層;將request從request queue中摘下;釋放request結(jié)構的內(nèi)存，喚醒等待該request完成的所有進程

　　126 }

　　127 }

　　void end_request(struct request *req, int uptodate)

　　{

　　//驅(qū)動通知block layer層實際完成的讀寫量,，block layer層據(jù)此更新其內(nèi)部各個數(shù)據(jù)結(jié)構,；并告知驅(qū)動是否整個request已經(jīng)處理完成

　　if (!end_that_request_first(req, uptodate, req->hard_cur_sectors)) {

　　add_disk_randomness(req->rq_disk);

　　blkdev_dequeue_request(req); //若是，驅(qū)動則負責將request從request queue中摘下

　　end_that_request_last(req); //釋放request結(jié)構的內(nèi)存,，喚醒等待該request完成的所有進程

　　}

　　}

　　8,、簡單讀寫的不足 一次只命令硬件傳輸1個數(shù)據(jù)塊segment（內(nèi)存中不超過1page的連續(xù)單元），其只是request中的一小部分而已

　　雖然簡單讀寫采用while循環(huán)請求elv_next_request,，但block層會認為硬件可能由于某種原因不能一次性完成一個完整request的傳輸,，因此相鄰2次elv_next_request極有可能返回的是不同的request

　　block layer盡了很大努力，實施電梯調(diào)度算法（drivers/block/ll_rw_block.c and elevator.c ）,，使得一個request結(jié)構體中包含多個在內(nèi)存中離散,，但在物理設備上卻連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。

　　先后2次elv_next_request的簡單讀寫,，使得磁頭必須尋道,，產(chǎn)生較大延遲

　　簡單讀寫忽視block layer層的工作，對同一個request結(jié)構體中包含的多個segment在物理設備上連續(xù),，不予理睬,，實在是暴殄天物

　　9,、請求隊列 一個塊設備的I/O請求的序列

　　跟蹤未完成的塊I/O請求

　　允許使用多I/O調(diào)度器，以最大化性能的方式提交I/O請求給你的驅(qū)動,，I/O調(diào)度器還負責合并鄰近的請求

　　請求隊列的實現(xiàn)

　　drivers/block/Ll_rw_block.c和elevator.c

　　10,、塊設備的高效讀寫-原理與實現(xiàn)

　　一個request結(jié)構體中包含多個在內(nèi)存中離散，但在物理設備上卻連續(xù)的數(shù)據(jù)塊,，由bio和bio_vec結(jié)構體來表示

　　

　　

　　337 static void setup_device(struct sbull_dev *dev, int which)

　　362 switch (request_mode) {

　　370 case RM_FULL:

　　371 dev->queue = blk_init_queue(sbull_full_request, &dev->lock);

　　374 break;

　　385 }

　　387 dev->queue->queuedata = http://blog.soso.com/qz.q/dev;

　　409 }

　　175 static void sbull_full_request(request_queue_t *q)

　　176 {

　　177 struct request *req;

　　178 int sectors_xferred;

　　179 struct sbull_dev *dev = q->queuedata;

　　181 while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) { //每次取出讀寫隊列中的一個request

　　187 sectors_xferred = sbull_xfer_request(dev, req);

　　188 if (! end_that_request_first(req, 1, sectors_xferred)) {

　　189 blkdev_dequeue_request(req);

　　191 end_that_request_last(req, 1);

　　192 }

　　193 }

　　194 }

　　#define rq_for_each_bio(_bio, rq) \

　　if ((rq->bio)) \

　　for (_bio = (rq)->bio; _bio; _bio = _bio->bi_next)

　　157 static int sbull_xfer_request(struct sbull_dev *dev, struct request *req)

　　158 {

　　159 struct bio *bio;

　　160 int nsect = 0;

　　162 rq_for_each_bio(bio, req) { //while循環(huán),，每次取出req中的一個bio

　　163 sbull_xfer_bio(dev, bio);

　　164 nsect += bio->bi_size/KERNEL_SECTOR_SIZE; //bi_size記錄一個bio中數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)

　　165 }

　　167 return nsect;

　　168 }

　　#define bio_for_each_segment(bvl, bio, i) \

　　__bio_for_each_segment(bvl, bio, i, (bio)->bi_idx)

　　#define __bio_for_each_segment(bvl, bio, i, start_idx) \

　　for (bvl = bio_iovec_idx((bio), (start_idx)), i = (start_idx); \

　　i < (bio)->bi_vcnt; \

　　bvl++, i++)

　　133 static int sbull_xfer_bio(struct sbull_dev *dev, struct bio *bio)

　　134 {

　　135 int i;

　　136 struct bio_vec *bvec;

　　137 sector_t sector = bio->bi_sector; //bi_sector記錄bio中首字節(jié)應位于硬件的哪個扇區(qū)。bio中的所有segment在硬件上的sector位置全部連續(xù)

　　139 /* Do each segment independently. */

　　140 bio_for_each_segment(bvec, bio, i) { //while循環(huán),，每次取出bio中的一個bio_vec來傳輸

　　141 char *buffer = __bio_kmap_atomic(bio, i, KM_USER0); //獲取bv_page的內(nèi)核virtual address

　　143 sbull_transfer(dev, sector, bio_cur_sectors(bio), //bio_cur_sectors(bio)求出bio當前segment的大?。╯ector數(shù)目）

　　144 buffer, bio_data_dir(bio) == WRITE);

　　145 sector += bio_cur_sectors(bio); //累進數(shù)據(jù)在硬件上的位置（sector）

　　147 __bio_kunmap_atomic(bio, KM_USER0);

　　149 }

　　151 return 0; /* Always "succeed" */

　　152 }

　　11、塊設備的其它操作接口fops（open,、release,、media_change、revalidate_disk,、ioctl）

　　1） open與release（本驅(qū)動可以模擬光盤從光驅(qū)中更換）

　　216 static int sbull_open(struct inode *inode, struct file *filp)

　　217 {

　 　218 struct sbull_dev *dev = inode->i_bdev->bd_disk->private_data; //inode->i_bdev->bd_disk指向關聯(lián)的gendisk structure

　　223 if (! dev->users)

　　224 check_disk_change(inode->i_bdev); //check_disk_change將導致對media_change的調(diào)用,，若介質(zhì)已改變，將導致調(diào)用revalidate_disk

　　225 dev->users++;

　　228 } media_changed不為NULL時,，則會被內(nèi)核API check_disk_change所調(diào)用,；

　　在media_changed返回true的情況下， revalidate_disk會被內(nèi)核API check_disk_change所調(diào)用

　　int check_disk_change(struct block_device *bdev)

　　{

　　struct gendisk *disk = bdev->bd_disk;

　　struct block_device_operations * bdops = disk->fops;

　　if (!bdops->media_changed) //media_changed為NULL

　　return 0;

　　if (!bdops->media_changed(bdev->bd_disk)) //media_changed不為NULL時,，則會被內(nèi)核API check_disk_change所調(diào)用

　　return 0;

　　if (__invalidate_device(bdev))

　　printk("VFS: busy inodes on changed media.\n");

　　if (bdops->revalidate_disk) // 在media_changed返回true的情況下,，revalidate_disk不為NULL時，則會被內(nèi)核API check_disk_change所調(diào)用

　　bdops->revalidate_disk(bdev->bd_disk);

　　if (bdev->bd_disk->minors > 1)

　　bdev->bd_invalidated = 1;

　　return 1;

　　}

　　230 static int sbull_release(struct inode *inode, struct file *filp)

　　231 {

　　232 struct sbull_dev *dev = inode->i_bdev->bd_disk->private_data;

　　235 dev->users--;

　　244 } 12,、media_change與revalidate_disk media_changed不為NULL時,，則會被內(nèi)核API check_disk_change所調(diào)用

　　若磁盤介質(zhì)已更改，應返回true,；否則返回false

　　在media_changed返回true的情況下,， revalidate_disk會被內(nèi)核API check_disk_change所調(diào)用

　　應完成對新磁盤介質(zhì)進行操作的準備工作

　　249 int sbull_media_changed(struct gendisk *gd)

　　250 {

　　251 struct sbull_dev *dev = gd->private_data;

　　253 return dev->media_change;

　　254 } 260 int sbull_revalidate(struct gendisk *gd)

　　261 {

　　262 struct sbull_dev *dev = gd->private_data;

　　264 if (dev->media_change) {

　　265 dev->media_change = 0;

　　266 // memset (dev->data, 0, dev->size);

　　267 }

　　269 } 13、ioctl 大部分的ioctl命令都已經(jīng)被block layer層所截獲并處理,，到達不了驅(qū)動程序

　　驅(qū)動ioctl函數(shù)中需要處理的命令是HDIO_GETGEO （用戶,，例如fdisk，要求獲得磁盤的幾何參數(shù)）（測試結(jié)果似乎OS并未調(diào)用ioctl,，原因待查）

　　291 int sbull_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp,

　　292 unsigned int cmd, unsigned long arg)

　　293 {

　　294 long size;

　　295 struct hd_geometry geo;

　　296 struct sbull_dev *dev = filp->private_data;

　　298 switch(cmd) {

　　299 case HDIO_GETGEO:

　　301 /*

　　302 * Get geometry: since we are a virtual device, we have to make

　　303 * up something plausible. So we claim 16 sectors, four heads,

　　304 * and calculate the corresponding number of cylinders. We set the

　　305 * start of data at sector four.

　　306 */

　　307 // size = dev->size*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE);

　　308 size = dev->size / KERNEL_SECTOR_SIZE;

　　309 geo.cylinders = (size & ~0x3f) >> 6;

　　310 geo.heads = 4;

　　311 geo.sectors = 16;

　　312 geo.start = 4;

　　313 if (copy_to_user((void __user *) arg, &geo, sizeof(geo)))

　　314 return -EFAULT;

　　315 return 0;

　　316 }

　　318 return -ENOTTY; /* unknown command */

　　319 } 單擊,，與作者交流

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