Linux 块设备驱动实验
一
块设备驱动要远比字符设备驱动复杂得多，不同类型的存储设备又对应不同的驱动子系统，本章我们重点学习一下块设备相关驱动概念，不涉及到具体的存储设备。
1、什么是块设备？
块设备是针对存储设备的，比如 SD 卡、EMMC、NAND Flash、Nor Flash、SPI Flash、机械硬盘、固态硬盘等。块设备驱动相比字符设备
驱动的主要区别如下：
①、块设备只能以块为单位进行读写访问，块是 linux 虚拟文件系统(VFS)基本的数据传输单位。字符设备是以字节为单位进行数据传输的，不需要缓冲。
②、块设备在结构上是可以进行随机访问的，对于这些设备的读写都是按块进行的，块设备使用缓冲区来暂时存放数据，等到条件成熟以后在一次性将缓冲区中的数据写入块设备中。这么做的目的为了提高块设备寿命。
2、块设备驱动框架
2.1 block_device 结构体
linux 内核使用 block_device 表示块设备， block_device 为 一 个 结 构 体 ， 定 义 在include/linux/fs.h 文件中，结构体内容如下：
struct block_device {
dev_t bd_dev; /* not a kdev_t - it's a search key */
int bd_openers;
struct inode * bd_inode; /* will die */
struct super_block * bd_super;
struct mutex bd_mutex; /* open/close mutex */
struct list_head bd_inodes;
void * bd_claiming;
void * bd_holder;
int bd_holders;
bool bd_write_holder;
#ifdef CONFIG_SYSFS
struct list_head bd_holder_disks;
#endif
struct block_device * bd_contains;
unsigned bd_block_size;
struct hd_struct * bd_part;
/* number of times partitions within this device have been opened. */
unsigned bd_part_count;
int bd_invalidated;
struct gendisk * bd_disk;
struct request_queue * bd_queue;
struct list_head bd_list;
/*
* Private data. You must have bd_claim'ed the block_device
* to use this. NOTE: bd_claim allows an owner to claim
* the same device multiple times, the owner must take special
* care to not mess up bd_private for that case.
*/
unsigned long bd_private;
/* The counter of freeze processes */
int bd_fsfreeze_count;
/* Mutex for freeze */
struct mutex bd_fsfreeze_mutex;
};
重点关注一下第 21 行的 bd_disk 成员变量，此成员变量为gendisk 结构体指针类型。内核使用 block_device 来表示一个具体的块设备对象，比如一个硬盘或者分区，如果是硬盘的话 bd_disk 就指向通用磁盘结构 gendisk。
2.2、注册块设备
我们需要向内核注册新的块设备、申请设备号，块设备注册函数为register_blkdev，函数原型如下：
int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)
函数参数和返回值含义如下：
major：主设备号。
name：块设备名字。
返回值：如果参数 major 在 1~255 之间的话表示自定义主设备号，那么返回 0 表示注册成功，如果返回负值的话表示注册失败。如果 major 为 0 的话表示由系统自动分配主设备号，那么返回值就是系统分配的主设备号（1-255），如果返回负值那就表示注册失败。
2.3、注销块设备
和字符设备驱动一样，如果不使用某个块设备了，那么就需要注销掉，函数为unregister_blkdev，函数原型如下：
void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)
函数参数和返回值含义如下：
major：要注销的块设备主设备号。
name：要注销的块设备名字。
返回值：无
2.4、gendisk 结构体
linux 内核使用 gendisk 来描述一个磁盘设备，这是一个结构体，定义在 include/linux/genhd.h中，内容如下：
struct gendisk {
/* major, first_minor and minors are input parameters only,
* don't use directly. Use disk_devt() and disk_max_parts().
*/
int major; /* major number of driver */
int first_minor;
int minors; /* maximum number of minors, =1 for
* disks that can't be partitioned. */
char disk_name[DISK_NAME_LEN]; /* name of major driver */
char *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);
unsigned int events; /* supported events */
unsigned int async_events; /* async events, subset of all */
/* Array of pointers to partitions indexed by partno.
* Protected with matching bdev lock but stat and other
* non-critical accesses use RCU. Always access through
* helpers.
*/
struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;
struct hd_struct part0;
const struct block_device_operations *fops;
struct request_queue *queue;
void *private_data;
int flags;
struct device *driverfs_dev; // FIXME: remove
struct kobject *slave_dir;
struct timer_rand_state *random;
atomic_t sync_io; /* RAID */
struct disk_events *ev;
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY
struct blk_integrity *integrity;
#endif
int node_id;
};
第 5 行，major 为磁盘设备的主设备号。
第 6 行，first_minor 为磁盘的第一个次设备号。
第 7 行，minors 为磁盘的次设备号数量，也就是磁盘的分区数量，这些分区的主设备号一样，次设备号不同。
第 21 行，part_tbl 为磁盘对应的分区表，为结构体 disk_part_tbl 类型，disk_part_tbl 的核心是一个 hd_struct 结构体指针数组，此数组每一项都对应一个分区信息。
第 24 行，fops 为块设备操作集，为 block_device_operations 结构体类型。和字符设备操作集 file_operations 一样，是块设备驱动中的重点！
第 25 行，queue 为磁盘对应的请求队列，所以针对该磁盘设备的请求都放到此队列中，驱动程序需要处理此队列中的所有请求。
编写块的设备驱动的时候需要分配并初始化一个 gendisk，linux 内核提供了一组 gendisk 操作函数，我们来看一下一些常用的 API 函数。
1、申请 gendisk
使用 gendisk 之前要先申请，allo_disk 函数用于申请一个 gendisk，函数原型如下：
struct gendisk *alloc_disk(int minors)
函数参数和返回值含义如下：
minors：次设备号数量，也就是 gendisk 对应的分区数量。
返回值：成功：返回申请到的 gendisk，失败：NULL。
2、删除 gendisk
如果要删除 gendisk 的话可以使用函数 del_gendisk，函数原型如下：
void del_gendisk(struct gendisk *gp)
函数参数和返回值含义如下：
gp：要删除的 gendisk。
返回值：无。
3、将 gendisk 添加到内核
使用 alloc_disk 申请到 gendisk 以后系统还不能使用，必须使用 add_disk 函数将申请到的gendisk 添加到内核中，add_disk 函数原型如下：
void add_disk(struct gendisk *disk)
函数参数和返回值含义如下：
disk：要添加到内核的 gendisk。
返回值：无。
4、设置 gendisk 容量
每一个磁盘都有容量，所以在初始化 gendisk 的时候也需要设置其容量，使用函数set_capacity，函数原型如下：
void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size)
函数参数和返回值含义如下：
disk：要设置容量的 gendisk。
size：磁盘容量大小，注意这里是扇区数量。块设备中最小的可寻址单元是扇区，一个扇区一般是 512 字节，有些设备的物理扇区可能不是 512 字节。不管物理扇区是多少，内核和块设备驱动之间的扇区都是 512 字节。所以 set_capacity 函数设置的大小就是块设备实际容量除以
512 字节得到的扇区数量。比如一个 2MB 的磁盘，其扇区数量就是(210241024)/512=4096。
返回值：无。
5、调整 gendisk 引用计数
内核会通过 get_disk 和 put_disk 这两个函数来调整 gendisk 的引用计数，根据名字就可以知道，get_disk 是增加 gendisk 的引用计数，put_disk 是减少 gendisk 的引用计数，这两个函数原型如下所示：
truct kobject *get_disk(struct gendisk *disk)
void put_disk(struct gendisk *disk)
2.5、block_device_operations 结构体
和字符设备的 file _operations 一样，块设备也有操作集，为结构体 block_device_operations，此结构体定义在 include/linux/blkdev.h 中，结构体内容如下：
struct block_device_operations {
int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
int (*rw_page)(struct block_device *, sector_t, struct page *, int rw); //用于读写指定的页
int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
long (*direct_access)(struct block_device *, sector_t,void **, unsigned long *pfn, long size);
unsigned int (*check_events) (struct gendisk *disk,unsigned int clearing);
/* ->media_changed() is DEPRECATED, use ->check_events() instead */
int (*media_changed) (struct gendisk *);
void (*unlock_native_capacity) (struct gendisk *);
int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *); //用于获取磁盘信息，包括磁头、柱面和扇区等信息。
/* this callback is with swap_lock and sometimes page table lock held */
void (*swap_slot_free_notify) (struct block_device *, unsigned long);
struct module *owner;
};
2.6、块设备 I/O 请求过程
大家如果仔细观察的话会在 block_device_operations 结构体中并没有找到 read 和 write 这样的读写函数，那么块设备是怎么从物理块设备中读写数据？这里就引出了块设备驱动中非常重要的 request_queue、request 和 bio。
1、请求队列 request_queue
内核将对块设备的读写都发送到请求队列 request_queue 中，request_queue 中是大量的request(请求结构体)，而 request 又包含了 bio，bio 保存了读写相关数据，比如从块设备的哪个地址开始读取、读取的数据长度，读取到哪里，如果是写的话还包括要写入的数据等。
①、初始化请求队列
request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
函数参数和返回值含义如下：
rfn：请求处理函数指针，每个 request_queue 都要有一个请求处理函数，请求处理函数request_fn_proc 原型如下：
void (request_fn_proc) (struct request_queue *q)
请求处理函数需要驱动编写人员自行实现。
lock：自旋锁指针，需要驱动编写人员定义一个自旋锁，然后传递进来。，请求队列会使用这个自旋锁。
返回值：如果为 NULL 的话表示失败，成功的话就返回申请到的 request_queue 地址。
②、删除请求队列
void blk_cleanup_queue(struct request_queue *q)
函数参数和返回值含义如下：
q：需要删除的请求队列。
返回值：无
③、分配请求队列并绑定制造请求函数
request_queue 申请函数 blk_alloc_queue，函数原型如下：
struct request_queue *blk_alloc_queue(gfp_t gfp_mask)
函数参数和返回值含义如下：
gfp_mask：内存分配掩码，具体可选择的掩码值请参考 include/linux/gfp.h 中的相关宏定义，一般为 GFP_KERNEL。
返回值：申请到的无 I/O 调度的 request_queue。
我们需要为 blk_alloc_queue 函数申请到的请求队列绑定一个“制造请求”函数(其他参考资料将其直接翻译为“制造请求”函数)。这里我们需要用到函数 blk_queue_make_request，函数原型如下：
void blk_queue_make_request(struct request_queue *q, make_request_fn *mfn)
函数参数和返回值含义如下：
q：需要绑定的请求队列，也就是 blk_alloc_queue 申请到的请求队列。
mfn：需要绑定的“制造”请求函数，函数原型如下：
void (make_request_fn) (struct request_queue *q, struct bio *bio)
“制造请求”函数需要驱动编写人员实现。
返回值：无。
一般 blk_alloc_queue 和 blk_queue_make_request 是搭配在一起使用的，用于那么非机械的存储设备、无需 I/O 调度器，比如 EMMC、SD 卡等。
2、请求 request
request 是一个结构体，request 里面有一个名为“bio”的成员变量，类型为 bio 结构体指针。前面说了，真正的数据就保存在 bio 里面，所以我们需要从 request_queue 中取出一个一个的 request，然后再从每个 request 里面取出 bio，最后根据 bio 的描述讲数据写入到块设备，或者从块设备中读取数据。
①、获取请求
我们需要从request_queue中依次获取每个request，使用blk_peek_request函数完成此操作，函数原型如下：
request *blk_peek_request(struct request_queue *q)
函数参数和返回值含义如下：
q：指定 request_queue。
返回值：request_queue 中下一个要处理的请求(request)，如果没有要处理的请求就返回
NULL。
②、开启请求
使用 blk_peek_request 函数获取到下一个要处理的请求以后就要开始处理这个请求，这里要用到 blk_start_request 函数，函数原型如下：
void blk_start_request(struct request *req)
函数参数和返回值含义如下：
req：要开始处理的请求。
返回值：无。
③、一步到位处理请求
我们也可以使用 blk_fetch_request 函数来一次性完成请求的获取和开启，blk_fetch_request函数很简单，内容如下：
struct request *blk_fetch_request(struct request_queue *q)
{
struct request *rq;
rq = blk_peek_request(q);
if (rq)
blk_start_request(rq);
return rq;
}
可以看出，blk_fetch_request 就是直接调用了 blk_peek_request 和 blk_start_request 这两个函数。
④、其他和请求有关的函数
3、bio 结构
每个 request 里面里面会有多个 bio，bio 保存着最终要读写的数据、地址等信息。上层应用程序对于块设备的读写会被构造成一个或多个 bio 结构，bio 结构描述了要读写的起始扇区、要读写的扇区数量、是读取还是写入、页偏移、数据长度等等信息。上层会将 bio 提交给 I/O 调度器，I/O 调度器会将这些 bio 构造成 request 结构，而一个物理存储设备对应一个 request_queue，request_queue 里面顺序存放着一系列的 request。新产生的 bio 可能被合并到 request_queue 里现有的 request 中，也可能产生新的 request，然后插入到 request_queue 中合适的位置，这一切都是由 I/O 调度器来完成的。request_queue、request 和 bio 之间的关系如下图
二、使用请求队列实验
首先是传统的使用请求队列的时候，也就是针对机械硬盘的时候如何编写驱动。
我们先来一下一相关的宏定义和结构体，代码如下：
#include 接下来看一下驱动模块的加载与卸载，内容如下：
static int __init ramdisk_init(void)
{
int ret = 0;
/* 1、申请用于 ramdisk 内存 */
ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL); //因为本实验是使用一块内存模拟真实的块设备，所以申请2m内存
if(ramdisk.ramdiskbuf == NULL) {
ret = -EINVAL;
goto ram_fail;
}
/* 2、初始化自旋锁 */
spin_lock_init(&ramdisk.lock); //blk_init_queue 函数在分配并初始化请求队列的时候需要用到一次自旋锁。
/* 3、注册块设备 */
ramdisk.major = register_blkdev(0, RAMDISK_NAME); /* 自动分配 */
if(ramdisk.major < 0) {
goto register_blkdev_fail;
}
printk("ramdisk major = %d\r\n", ramdisk.major);
/* 4、分配并初始化 gendisk */
ramdisk.gendisk = alloc_disk(RADMISK_MINOR);
if(!ramdisk.gendisk) {
ret = -EINVAL;
goto gendisk_alloc_fail;
}
/* 5、分配并初始化请求队列 */
ramdisk.queue = blk_init_queue(ramdisk_request_fn,&ramdisk.lock); //分配并初始化一个请求队列，请求处理函数为ramdisk_request_fn，具体的块设备读写操作就在此函数中完成，这个需要驱动开发人员去编写
if(!ramdisk.queue) {
ret = -EINVAL;
goto blk_init_fail;
}
/* 6、添加(注册)disk */
ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major; /* 主设备号 */
ramdisk.gendisk->first_minor = 0; /*起始次设备号) */
ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops; /* 操作函数 */ //ramdisk_fops，需要驱动开发人员自行编写实现
ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk; /* 私有数据 */
ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue; /* 请求队列 */
sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, RAMDISK_NAME);/* 名字 */
set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE/512); /* 设备容量(单位为扇区)*/
add_disk(ramdisk.gendisk);
return 0;
blk_init_fail:
put_disk(ramdisk.gendisk);
gendisk_alloc_fail:
unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);
register_blkdev_fail:
kfree(ramdisk.ramdiskbuf); /* 释放内存 */
ram_fail:
return ret;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit ramdisk_exit(void)
{
/* 释放 gendisk */
del_gendisk(ramdisk.gendisk);
put_disk(ramdisk.gendisk);
/* 清除请求队列 */
blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);
/* 注销块设备 */
unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);
/* 释放内存 */
kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
}
module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hsd");
在 ramdisk_init 函数中设置了 gendisk 的 fops 成员变量，也就是块设备的操作集，具体内容如下：
int ramdisk_open(struct block_device *dev, fmode_t mode)
{
printk("ramdisk open\r\n");
return 0;
}
void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
{
printk("ramdisk release\r\n");
}
int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev,struct hd_geometry *geo)
{
/* 这是相对于机械硬盘的概念 */
geo->heads = 2; /* 磁头 */
geo->cylinders = 32; /* 柱面 */
geo->sectors = RAMDISK_SIZE / (2 * 32 *512); /* 磁道上的扇区数量 */
return 0;
}
static struct block_device_operations ramdisk_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = ramdisk_open,
.release = ramdisk_release,
.getgeo = ramdisk_getgeo,
};
重点是 getgeo 函数，第getgeo 的具体实现，此函数用户获取磁盘信息，信息保存在参数 geo 中，为结构体 hd_geometry 类型，如下：
struct hd_geometry {
unsigned char heads; /* 磁头 */
unsigned char sectors; /*一个磁道上的扇区数量 */
unsigned short cylinders; /* 柱面 */
unsigned long start;
};
本例程中设置 ramdisk 有 2 个磁头(head)、一共有 32 个柱面(cylinderr)。知道磁盘总容量、磁头数、柱面数以后我们就可以计算出一个磁道上有多少个扇区了，也就是 hd_geometry 中的sectors 成员变量。
最后就是非常重要的请求处理函数，使用 blk_init_queue 函数初始化队列的时候需要指定一个请求处理函数，本例程中注册的请求处理函数如下所示：
static void ramdisk_transfer(struct request *req)
{
unsigned long start = blk_rq_pos(req) << 9; /* blk_rq_pos 获取到的是扇区地址，左移 9 位转换为字节地址 */
unsigned long len = blk_rq_cur_bytes(req); /* 大小 */
void *buffer = bio_data(req->bio);
if(rq_data_dir(req) == READ) /* 读数据 */
memcpy(buffer, ramdisk.ramdiskbuf + start, len);
else if(rq_data_dir(req) == WRITE) /* 写数据 */
memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + start, buffer, len);
}
void ramdisk_request_fn(struct request_queue *q)
{
int err = 0;
struct request *req;
/* 循环处理请求队列中的每个请求 */
req = blk_fetch_request(q);
while(req != NULL)
{
/* 针对请求做具体的传输处理 */
ramdisk_transfer(req);
/* 判断是否为最后一个请求，如果不是的话就获取下一个请求
* 循环处理完请求队列中的所有请求。
*/
if (!__blk_end_request_cur(req, err))
req = blk_fetch_request(q);
}
}
三、不使用请求队列实验
ramdisk_init 函数大部分和上一个实验相同，只是本实验中改为使用blk_queue_make_request 函数设置“制造请求”函数，修改后的 ramdisk_init 函数内容如下(有省略)：
static int __init ramdisk_init(void)
{
......
/* 5、分配请求队列 */
ramdisk.queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if(!ramdisk.queue){
ret = -EINVAL;
goto blk_allo_fail;
}
/* 6、设置“制造请求”函数 */
blk_queue_make_request(ramdisk.queue, ramdisk_make_request_fn);
/* 7、添加(注册)disk */
.......
ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops; /* 操作函数 */
......
接下来重点看一下“制造请求”函数 ramdisk_make_request_fn，函数内容如下：
void ramdisk_make_request_fn(struct request_queue *q,struct bio *bio)
{
int offset;
struct bio_vec bvec;
struct bvec_iter iter;
unsigned long len = 0;
offset = (bio->bi_iter.bi_sector) << 9; /* 获取设备的偏移地址 */ //直接读取 bio 的 bi_iter 成员变量的 bi_sector 来获取要操作的设备地址(扇区)。
/* 处理 bio 中的每个段 */
bio_for_each_segment(bvec, bio, iter) //循环获取 bio 中的每个段，然后对其每个段进行处理。
{
char *ptr = page_address(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset;//根据 bio_vec 中页地址以及偏移地址转换为真正的数据起始地址。
len = bvec.bv_len; //获取要出来的数据长度，也就是 bio_vec 的 bv_len 成员变量
if(bio_data_dir(bio) == READ) /* 读数据 */
memcpy(ptr, ramdisk.ramdiskbuf + offset, len);
else if(bio_data_dir(bio) == WRITE) /* 写数据 */
memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + offset, ptr, len);
offset += len;
}
set_bit(BIO_UPTODATE, &bio->bi_flags);
bio_endio(bio, 0);
}
虽然 ramdisk_make_request_fn 函数第一个参数依旧是请求队列，但是实际上这个请求队列不包含真正的请求，所有的处理内容都在第二个 bio 参数里面，所以 ramdisk_make_request_fn函数里面是全部是对 bio 的操作。