乾坤合一~Linux设备驱动之块设备驱动
1. 题外话
在蜕变成蝶的一系列学习当中，我们已经掌握了大部分Linux驱动的知识，在乾坤合一的分享当中，以综合实例为主要讲解，在一个月的蜕茧成蝶的学习探索当中，觉得数据结构，指针，链表等等占据了代码的大部分框架，这些都需要我们平时多看代码，并且在相关知识点的时候需要在电脑上进行操作，这也让自己受益匪浅，笔者在这期间受到了几家IT学院的邀请录制视频，当兼职布道师。但毕竟自己还是个学生，应该潜心学习，争取更好的做一个IT的人才，所以都没有接受，这里很抱歉，并且会更加努力，好好钻研，希望和大家一起共同进步~
2. 块设备与字符设备I/O口操作异同
2.1 块设备只能以块为单位接受输入和返回输出，而字符设备则以字节为单位。大多数设备是字符设备，因为它们不需要缓冲而且不以固定块大小进行操作。
2.2 块设备对于I/O 请求有对应的缓冲区，因此它们可以选择以什么顺序进行响应，字符设备无须缓冲且被直接读写。对于存储设备而言调 读写的顺序作用巨大，因为在读写连续的扇区比分离的扇区更快。
2.3 字符设备只能被顺序读写，而块设备可以随机访问。虽然块设备可随机访问，但是对于磁盘这类机械设备而言，顺序地组织块设备的访问可以提高性能。
3. 块设备驱动结构
3.1 block_device_operations 结构体
struct block device operations
{
int (*open)(struct inode *, struct file*); //打开
int (*release)(struct inode *, struct file*); //释放
//与字符设备驱动类似，当设备被打开和关闭时将调用它们。
int (*ioctl)(struct inode *,struct file *,unsigned,unsigned long); //ioctl
// ioctl()系统调用的实现，块设备包含大量的标准请求，这些标准请求由Linux 块设备层处理
long (*unlocked ioctl)(struct file *, unsigned, unsigned long);
long (*compat ioctl)(struct file *, unsigned, unsigned long);
int (*direct access)(struct block device *, sector t, unsigned long*);
int (*media changed)(struct gendisk*); //介质被改变？
//被内核调用来检查是否驱动器中的介质已经改变，如果是，则返回一个非0 值，否则返回0
int (*revalidate disk)(struct gendisk*); //使介质有效
//revalidate_disk()函数被调用来响应一个介质改变，它给驱动一个机会来进行必要的工作以使新介质准备好。
int (*getgeo)(struct block device *, struct hd geometry*);//填充驱动器信息
//根据驱动器的几何信息填充一个hd_geometry 结构体
struct module *owner; //模块拥有者
// 一个指向拥有这个结构体的模块的指针，它通常被初始化为THIS_MODULE
};
3.2 gendisk 结构体
struct gendisk
{
int major; /* 主设备号 */
int first minor; /*第1个次设备号*/
int minors; /* 最大的次设备数，如果不能分区，则为1*/
char disk name [32]; /* 设备名称 */
struct hd struct **part; /* 磁盘上的分区信息 */
struct block device operations *fops; /*块设备操作结构体*/
struct request queue *queue; /*请求队列*/
void *private data; /*私有数据*/
sector t capacity; /*扇区数，512 字节为1个扇区*/
int flags;
char devfs name[64];
int number;
struct device *driverfs dev;
struct kobject kobj;
struct timer rand state *random;
int policy;
atomic t sync io; /* RAID */
unsigned long stamp;
int in flight;
#ifdef CONFIG SMP
struct disk stats *dkstats;
#else
struct disk stats dkstats;
#endif
};
3.3 gendisk的操作
//分配gendisk struct gendisk *alloc disk (int minors); // 增加gendisk void add disk(struct gendisk *gd); // 释放gendisk void del gendisk (struct gendisk *gd); //gendisk 引用计数 // 设置gendisk 容量 void set capacity (struct gendisk *disk, sector t size);
3.4 request 与bio 结构体
1) 请求
在Linux 块设备驱动中，使用request 结构体来表征等待进行的I/O 请求，request 结构体的主要成员包括(只用于内核块设备层):
sector t hard sector; //第一个尚未传输的扇区 unsigned long hard nr sectors; //尚待完成的扇区数 unsigned int hard cur sectors; //当前I/O 操作中待完成的扇区数
2) 请求队列
一个块请求队列是一个块I/O 请求的队列，请求队列跟踪的块I/O 请求，它存储用于描述这个设备能够支持的请求的类型信息、它们的最大大小、多少不同的段可进入一个请求、硬件扇区大小、对齐要求等参数，其结果是：如果请求队列被配置正确了，它不会交给该设备一个不能处理的请求。
//request 队列结构体
struct request queue
{
...
/* 保护队列结构体的自旋锁 */
spinlock t queue lock;
spinlock t *queue lock;
/* 队列kobject */
struct kobject kobj;
/* 队列设置 */
unsigned long nr requests; /* 最大的请求数量 */
unsigned int nr congestion on;
unsigned int nr congestion off;
unsigned int nr batching;
unsigned short max sectors; /* 最大的扇区数 */
unsigned short max hw sectors;
unsigned short max phys segments; /* 最大的段数 */
unsigned short max hw segments;
unsigned short hardsect size; /* 硬件扇区尺寸 */
unsigned int max segment size; /* 最大的段尺寸 */
unsigned long seg boundary mask; /* 段边界掩码 */
unsigned int dma alignment; /* DMA 传送的内存对齐限制 */
struct blk queue tag *queue tags;
atomic t refcnt; /* 引用计数 */
unsigned int in flight;
unsigned int sg timeout;
unsigned int sg reserved size;
int node;
struct list head drain list;
struct request *flush rq;
unsigned char ordered;
};
3) 块I/O
通常一个bio 对应一个I/O 请求，一个请求可以包含多个bio。
struct bio
{
sector t bi sector; /* 要传输的第一个扇区 */
//标识这个 bio 要传送的第一个 （512 字节）扇区。
struct bio *bi next; /* 下一个bio */
struct block device *bi bdev;
unsigned long bi flags; /* 状态、命令等 */
unsigned long bi rw; /* 低位表示READ/WRITE，高位表示优先级*/
unsigned short bi vcnt; /* bio vec 数量 */
unsigned short bi idx; /* 当前bvl vec 索引 */
/*不相邻的物理段的数目*/
unsigned short bi phys segments;
/*物理合并和DMA remap合并后不相邻的物理段的数目*/
unsigned short bi hw segments;
unsigned int bi size; /* 以字节为单位所需传输的数据大小 */
//被传送的数据大小，以字节为单位，驱动中可以使用bio_sectors(bio)宏获得以扇区为单位的大小。
/* 为了明了最大的hw 尺寸，我们考虑这个bio 中第一个和最后一个虚拟的可合并的段的尺寸 */
unsigned int bi hw front size;
unsigned int bi hw back size;
unsigned int bi max vecs; /* 我们能持有的最大bvl vecs 数 */
struct bio vec *bi io vec; /* 实际的vec 列表 */
bio end io t *bi end io;
atomic t bi cnt;
void *bi private;
bio destructor t *bi destructor; /* destructor */
};
3.5 块设备驱动注册与注销
首先注册她们自己到内核，其函数原型如下
int register blkdev (unsigned int major, const char *name);
// major参数是块设备要使用的主设备号，name为设备名
与register_blkdev()对应的注销函数是unregister_blkdev()，其原型为：
int unregister blkdev (unsigned int major, const char *name); // 传递给register_blkdev() 的参数必须与传递给register_blkdev() 的参数匹配，否则这个函数返回-EINVAL
4 Linux 块设备驱动的模块加载与卸载
4.1 需要完成的工作
- 分配、初始化请求队列，绑定请求队列和请求函数。
- 分配、初始化gendisk，给gendisk 的maj or、fops 、queue 等成员赋值，最后添加gendisk。
- 注册块设备驱动。
4.2 块设备驱动的模块加载函数模板 （使用bl k_a llo c_que ue )
static int init xxx init (void)
{
//分配gendisk
xxx disks = alloc disk (1);
if (!xxx disks)
{
goto out;
}
//块设备驱动注册
if (register blkdev (XXX MAJOR, "xxx"))
{
err = - EIO;
goto out;
}
// “请求队列”分配
xxx queue = blk alloc queue (GFP KERNEL);
if (!xxx queue)
{
goto out queue;
}
blk queue make request(xxx queue, &xxx make request); //绑定“制造请求”函数
blk queue hardsect size (xxx queue, xxx blocksize); //硬件扇区尺寸设置
//gendisk初始化
xxx disks->major = XXX MAJOR;
xxx disks->first minor = 0;
xxx disks->fops = &xxx op;
xxx disks->queue = xxx queue;
sprintf(xxx disks->disk name, "xxx%d", i);
set capacity (xxx disks, xxx size); //xxx size 以512bytes 为单位
add disk (xxx disks); //添加gendisk
return 0;
out queue: unregister blkdev (XXX MAJOR, "xxx");
out: put disk(xxx disks);
blk cleanup queue (xxx queue);
return - ENOMEM;
}
4.3 块设备驱动的模块加载函数模板（使用bl k_ i nit_queue ）
static int init xxx init (void)
{
//块设备驱动注册
if (register blkdev (XXX MAJOR, "xxx"))
{
err = - EIO;
goto out;
}
//请求队列初始化
xxx queue = blk init queue (xxx request, xxx lock);
if (!xxx queue)
{
goto out queue;
}
blk queue hardsect size (xxx queue, xxx blocksize); //硬件扇区尺寸 设置
//gendisk初始化
xxx disks->major = XXX MAJOR;
xxx disks->first minor = 0;
xxx disks->fops = &xxx op;
xxx disks->queue = xxx queue;
sprintf(xxx disks->disk name, "xxx%d", i);
set capacity (xxx disks, xxx size *2);
add disk (xxx disks); //添加gendisk
return 0;
out queue: unregister blkdev (XXX MAJOR, "xxx");
out: put disk(xxx disks);
blk cleanup queue (xxx queue);
return - ENOMEM;
}
4.4 在块设备的open()函数中赋值private_data
static int xxx open (struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct xxx dev *dev = inode->i bdev->bd disk->private data;
filp->private data = dev; //赋值file 的private data
...
return 0;
}
5 块设备的I/O请求处理
5.1 使用求情队列
块设备驱动请求函数的原型为：
void request (request queue t *queue);
//请求函数可以在没有完成请求队列中的所有请求的情况下返回，甚至它一个请求不完成都可以返回
下面给出了一个更复杂的请求函数，它进行了3 层遍历：遍历请求队 列中的每个请求，遍历请求中的每个bio，遍历bio 中的每个段。请求函数遍历请求、bio 和段如下：
static void xxx full request (request queue t *q)
{
struct request *req;
int sectors xferred;
struct xxx dev *dev = q->queuedata;
/* 遍历每个请求 */
while ((req = elv next request(q)) != NULL)
{
if (!blk fs request (req))
{
printk (KERN NOTICE "Skip non-fs request\n");
end request (req, 0);
continue;
}
sectors xferred = xxx xfer request (dev, req);
if (!end that request first (req, 1, sectors xferred))
{
blkdev dequeue request (req);
end that request last (req);
}
}
}
/* 请求处理 */
static int xxx xfer request (struct xxx dev *dev,struct request *req)
{
struct bio *bio;
int nsect = 0;
/* 遍历请求中的每个bio */
rq for each bio (bio, req)
{
xxx xfer bio (dev, bio);
nsect += bio->bi size / KERNEL SECTOR SIZE;
}
return nsect;
}
/* bio 处理 */
static int xxx xfer bio (struct xxx dev *dev, struct bio *bio)
{
int i;
struct bio vec *bvec;
sector t sector = bio->bi sector;
/* 遍历每一段 */
bio for each segment(bvec, bio, i)
{
char *buffer = bio kmap atomic(bio, i, KM USER0);
xxx transfer(dev, sector, bio cur sectors(bio), buffer, bio data dir (bio) == WRITE);
sector += bio cur sectors(bio);
bio kunmap atomic (bio, KM USER0);
}
return 0;
}
5.2 不适用请求队列
有些设备不需要使用请求队列，其函数原型如下：
typedef int (make request fn) (request queue t *q, struct bio *bio); //bio 结构体表示一个或多个要传送的缓冲区
在处理处理bio完成后应该使用bio_endio()函数通知处理结束，如下所示：
void bio endio (struct bio *bio, unsigned int bytes, int error); //参数bytes 是已经传送的字节数，它可以比这个bio 所代表的字节数少
不管对应的I/O 处理成功与否，“制造请求”函数都应该返回0 。如果“制造请求” 函数返回一个非零值，bio 将被再次提交。下面代码所示为一个 “制造请求”函数的例子。
static int xxx make request (request queue t *q, struct bio *bio)
{
struct xxx dev *dev = q->queuedata;
int status;
status = xxx xfer bio (dev, bio); //处理bio
bio endio (bio, bio->bi size, status); //通告结束
return 0;
}
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