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linux块设备分析与使用
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本篇文章力求简单明了的解释Linux的块设备驱动，让大家对它少些畏惧，快速的开发一个块设备分析完这篇之后，下一步就是分析MMC卡的驱动，争取分析之后可以达到优化读卡速度的目的Linux的块设备看似比较复杂，其实梳理一下并不难，有如下两点：
1.对请求的响应request（如果使用请求队列）
2.制造请求make_request.（不使用请求队列）
request是采用一定的算法组合了请求以提高性能，这个时候算法组合就是系统默认的make_request函数，函数名为__mak_request,而如果不采用请求组合的时候，就可以自定义make_request函数因为内核中这个函数是个函数指针，可以改变的有些时候不需要组合的方式，如SD卡和RAMDISK
以上两个方式都不能由驱动自己调用，只有当内核认为是时候让驱动处理对设备的读写等操作,它才会调用这个函数
基本上块设备就是对以上两种方式选择一个，然后对其进行处理所有的块设备驱动都是围绕这个部分展开期间有很多数据结构需要我们特别注意
我们先使用请求队列对请求进行响应，等于是采用默认的make_request函数，采用Linux默认的队列优先级算法对这个方法进行分析展开
原型为void request(request_queue_t *queue)
主要依靠这个函数对请求进行响应，并且所有的请求最终都被驱动处理这个函数是被内核来调用每个设备都有一个请求队列Request函数会在设备的请求队列生成的时候和队列绑定在一起通过函数
request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
生成一个请求队列其中rfn函数就是我们用户自己的request函数生成的这个队列会放到gendisk结构里面，gendisk是来表示一个独立的磁盘设备或分区下面我们对request函数实例进行分析
static void sbull_request(request_queue_t *q)
{
struct request *req;
while((req = elv_next_request(q)) != NULL){
sbull_transfer(dev,req->sector,req->current_nr_sectors,
req->buffer,rq_data_dir(req);
end_request(req,1);
}
}
这里面先从队列取得第一个未完成的请求（request结构），取得req是采用elv_next_request函数，为何采用这个函数呢？上面我们讲了，如果我们没有设定make_request函数的时候，就采用默认的make_request函数，elv_next_request是一个函数指针目前Linux采用的是电梯调度程序程序，所以如果取得下一个未完成的请求就要采用电梯调度程序中的函数当然，如果更换了调度程序，就不能采用这个函数了
end_request(req,1)表示对req的响应成功
void end_request(struct request *req, int uptodate)
{
if (!end_that_request_first(req, uptodate, req->hard_cur_sectors)) {
add_disk_randomness(req->rq_disk);
blkdev_dequeue_request(req);//从队列里面删除请求
end_that_request_last(req);
}
}
end_that_request_first：驱动程序从前一次结束的地方开始，完成了规定数目的扇区的传输如果成功，返回0.表示该请求执行完毕这时候必须用blkdev_dequeue_request(req) 从队列里面删除请求，并把其传输给end_that_request_last(req);通知任何等待已经晚上请求的对象，并重复利用该request结构
我们对request结构主要关心3个成员变量
sector_t sector;
开始扇区索引号特别注意的是，指的是512字节的扇区，如果硬件上2048的话，把其放入请求中的时候，要将它除以4
unsigned long nr_sectors
需要传输的扇区（512字节）数
unsigned int current_nr_sectors
当前需要传输的扇区（512字节）数
另外一个重要的就是struct bio *bio;
bio 是给这个请求的 bio 结构的链表. 你不应当直接存取这个成员; 使用 rq_for_each_bio(后面描述) 代替.
具体的关于IO操作的东西都在bio里面
刚才我分析的是采用请求队列的方式，现在我们分析不使用请求队列的方式为使用这个模式, 你的驱动必须提供一个"制作请求"函数, 而不是一个请求函数. make_request 函数有这个原型:
typedef int (make_request_fn) (request_queue_t *q, struct bio *bio);
注意一个请求队列仍然存在, 即便它从不会真正有任何请求. make_request 函数用一个 bio 结构作为它的主要参数, 这个 bio 结构表示一个或多个要传送的缓冲. make_request 函数做 2 个事情之一: 它可或者直接进行传输, 或者重定向这个请求到另一个设备.
直接进行传送只是使用我们前面描述的存取者方法来完成这个 bio. 因为没有使用请求结构, 但是, 你的函数应当通知这个 bio 结构的创建者直接指出完成, 使用对 bio_endio 的调用:
void bio_endio(struct bio *bio, unsigned int bytes, int error);
这里, bytes 是你至今已经传送的字节数. 它可小于由这个 bio 整体所代表的字节数; 在这个方式中, 你可指示部分完成, 并且更新在 bio 中的内部的"当前缓冲"指针. 你应当再次调用 bio_endio 在你的设备进行进一步处理时, 或者当你不能完成这个请求指出一个错误. 错误是通过提供一个非零值给 error 参数来指示的; 这个值通常是一个错误码, 例如 -EIO. make_request 应当返回 0, 不管这个 I/O 是否成功.
如果 sbull 用 request_mode=2 加载, 它操作一个 make_request 函数. 因为 sbull 已经有一个函数看传送单个 bio, 这个 make_request 函数简单:
static int sbull_make_request(request_queue_t *q, struct bio *bio)
{
struct sbull_dev *dev = q->queuedata;
int status;
status = sbull_xfer_bio(dev, bio);
bio_endio(bio, bio->bi_size, status);
return 0;
}
请注意你应当从不调用 bio_endio 从一个通常的请求函数; 那个工作由 end_that_request_first 代替来处理.
一些块驱动, 例如那些实现卷管理者和软件 RAID 阵列的, 真正需要重定向请求到另一个设备来处理真正的 I/O. 编写这样的一个驱动超出了本书的范围. 我们, 但是, 注意如果 make_request 函数返回一个非零值, bio 被再次提交. 一个"堆叠"驱动, 可, 因此, 修改 bi_bdev 成员来指向一个不同的设备, 改变起始扇区值, 接着返回; 块系统接着传递 bio 到新设备. 还有一个 bio_split 调用来划分一个 bio 到多个块以提交给多个设备. 尽管如果队列参数被之前设置, 划分一个 bio 几乎从不需要.
任何一个方式, 你都必须告知块子系统, 你的驱动在使用一个自定义的 make_request 函数. 为此, 你必须分配一个请求队列, 使用:
request_queue_t *blk_alloc_queue(int flags);
这个函数不同于 blk_init_queue, 它不真正建立队列来持有请求. flags 参数是一组分配标志被用来为队列分配内存; 常常地正确值是 GFP_KERNEL. 一旦你有一个队列, 传递它和你的 make_request 函数到 blk_queue_make_request:
void blk_queue_make_request(request_queue_t *queue, make_request_fn *func);
sbull 代码来设置 make_request 函数, 象:
dev->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
blk_queue_make_request(dev->queue, sbull_make_request);
对于好奇的人, 花些时间深入 drivers/block/ll_rw_block.c 会发现, 所有的队列都有一个 make_request 函数. 缺省的版本, generic_make_request, 处理 bio 和一个请求结构的结合. 通过提供一个它自己的 make_request 函数, 一个驱动真正只覆盖一个特定的请求队列方法, 并且排序大部分工作.
下面我们就对LDD3上面的块设备例子进行分析
/*
* Sample disk driver, from the beginning.
*/
#include <linux/config.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h> /* printk() */
#include <linux/slab.h> /* kmalloc() */
#include <linux/fs.h> /* everything... */
#include <linux/errno.h> /* error codes */
#include <linux/timer.h>
#include <linux/types.h> /* size_t */
#include <linux/fcntl.h> /* O_ACCMODE */
#include <linux/hdreg.h> /* HDIO_GETGEO */
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/buffer_head.h> /* invalidate_bdev */
#include <linux/bio.h>
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
static int sbull_major = 0;
module_param(sbull_major, int, 0);
static int hardsect_size = 512;
module_param(hardsect_size, int, 0);
static int nsectors = 1024; /* How big the drive is */
module_param(nsectors, int, 0);
static int ndevices = 4;
module_param(ndevices, int, 0);
/*
* The different "request modes" we can use.
*/
enum {
RM_SIMPLE = 0, /* The extra-simple request function 采用简单的方式*/
RM_FULL = 1, /* The full-blown version 采用比较全的队列传输方式*/
RM_NOQUEUE = 2, /* Use make_request 不采用队列请求，采用制造请求的方式*/
};
static int request_mode = RM_SIMPLE;//默认采用简单方式
module_param(request_mode, int, 0);
/*
* Minor number and partition management.
*/
#define SBULL_MINORS 16
#define MINOR_SHIFT 4
#define DEVNUM(kdevnum) (MINOR(kdev_t_to_nr(kdevnum)) >> MINOR_SHIFT
/*
* We can tweak our hardware sector size, but the kernel talks to us
* in terms of small sectors, always.
*/
#define KERNEL_SECTOR_SIZE 512
/*
* After this much idle time, the driver will simulate a media change.
*/
#define INVALIDATE_DELAY 30*HZ
/*
* The internal representation of our device.
*/
struct sbull_dev {
int size; /* Device size in sectors */
u8 *data; /* The data array */
short users; /* How many users */
short media_change; /* Flag a media change? */
spinlock_t lock; /* For mutual exclusion */
struct request_queue *queue; /* The device request queue */
struct gendisk *gd; /* The gendisk structure */
struct timer_list timer; /* For simulated media changes */
};
static struct sbull_dev *Devices = NULL;
/*
* Handle an I/O request.
*/
static void sbull_transfer(struct sbull_dev *dev, unsigned long sector,
unsigned long nsect, char *buffer, int write)
{
unsigned long offset = sector*KERNEL_SECTOR_SIZE;
unsigned long nbytes = nsect*KERNEL_SECTOR_SIZE;
if ((offset + nbytes) > dev->size) {
printk (KERN_NOTICE "Beyond-end write (%ld %ld)\n", offset, nbytes);
return;
}
if (write)
memcpy(dev->data + offset, buffer, nbytes);
else
memcpy(buffer, dev->data + offset, nbytes);
}
/*
* The simple form of the request function.
*/
static void sbull_request(request_queue_t *q)
{
struct request *req;
while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) {
struct sbull_dev *dev = req->rq_disk->private_data;
if (! blk_fs_request(req)) {
printk (KERN_NOTICE "Skip non-fs request\n");
end_request(req, 0);
continue;
}
// printk (KERN_NOTICE "Req dev %d dir %ld sec %ld, nr %d f %lx\n",
// dev - Devices, rq_data_dir(req),
// req->sector, req->current_nr_sectors,
// req->flags);
sbull_transfer(dev, req->sector, req->current_nr_sectors,
req->buffer, rq_data_dir(req));
end_request(req, 1);
}
}
/*
* Transfer a single BIO.
*/
static int sbull_xfer_bio(struct sbull_dev *dev, struct bio *bio)
{
int i;
struct bio_vec *bvec;
sector_t sector = bio->bi_sector;
/* Do each segment independently. */
bio_for_each_segment(bvec, bio, i) {
char *buffer = __bio_kmap_atomic(bio, i, KM_USER0);
sbull_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; /* Always "succeed" */
}
/*
* Transfer a full request.
*/
static int sbull_xfer_request(struct sbull_dev *dev, struct request *req)
{
struct bio *bio;
int nsect = 0;
rq_for_each_bio(bio, req) {
sbull_xfer_bio(dev, bio);
nsect += bio->bi_size/KERNEL_SECTOR_SIZE;
}
return nsect;
}
/*
* Smarter request function that "handles clustering".
*/
static void sbull_full_request(request_queue_t *q)
{
struct request *req;
int sectors_xferred;
struct sbull_dev *dev = q->queuedata;
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 = sbull_xfer_request(dev, req);
if (! end_that_request_first(req, 1, sectors_xferred)) {
blkdev_dequeue_request(req);
end_that_request_last(req);
}
}
}
/*
* The direct make request version.
*/
static int sbull_make_request(request_queue_t *q, struct bio *bio)
{
struct sbull_dev *dev = q->queuedata;
int status;
status = sbull_xfer_bio(dev, bio); //制造请求就是直接对bio进行处理，然后通过bio_endio来通知上层处理情况
bio_endio(bio, bio->bi_size, status);
return 0;
}
/*
* Open and close.
*/
static int sbull_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct sbull_dev *dev = inode->i_bdev->bd_disk->private_data;
del_timer_sync(&dev->timer);
filp->private_data = dev;
spin_lock(&dev->lock);
if (! dev->users)
check_disk_change(inode->i_bdev);
dev->users++;
spin_unlock(&dev->lock);
return 0;
}
static int sbull_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct sbull_dev *dev = inode->i_bdev->bd_disk->private_data;
spin_lock(&dev->lock);
dev->users--;
if (!dev->users) {
dev->timer.expires = jiffies + INVALIDATE_DELAY;
add_timer(&dev->timer);
}
spin_unlock(&dev->lock);
return 0;
}
/*
* Look for a (simulated) media change.
*/
int sbull_media_changed(struct gendisk *gd)
{
struct sbull_dev *dev = gd->private_data;
return dev->media_change;
}
/*
* Revalidate. WE DO NOT TAKE THE LOCK HERE, for fear of deadlocking
* with open. That needs to be reevaluated.
*/
int sbull_revalidate(struct gendisk *gd)
{
struct sbull_dev *dev = gd->private_data;
if (dev->media_change) {
dev->media_change = 0;
memset (dev->data, 0, dev->size);
}
return 0;
}
/*
* The "invalidate" function runs out of the device timer; it sets
* a flag to simulate the removal of the media.
*/
void sbull_invalidate(unsigned long ldev)
{
struct sbull_dev *dev = (struct sbull_dev *) ldev;
spin_lock(&dev->lock);
if (dev->users || !dev->data)
printk (KERN_WARNING "sbull: timer sanity check failed\n");
else
dev->media_change = 1;
spin_unlock(&dev->lock);
}
/*
* The ioctl() implementation
*/
int sbull_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
long size;
struct hd_geometry geo;
struct sbull_dev *dev = filp->private_data;
switch(cmd) {
case HDIO_GETGEO:
/*
* Get geometry: since we are a virtual device, we have to make
* up something plausible. So we claim 16 sectors, four heads,
* and calculate the corresponding number of cylinders. We set the
* start of data at sector four.
*/
size = dev->size*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE);
geo.cylinders = (size & ~0x3f) >> 6;
geo.heads = 4;
geo.sectors = 16;
geo.start = 4;
if (copy_to_user((void __user *) arg, &geo, sizeof(geo)))
return -EFAULT;
return 0;
}
return -ENOTTY; /* unknown command */
}
/*
* The device operations structure.
*/
static struct block_device_operations sbull_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = sbull_open,
.release = sbull_release,
.media_changed = sbull_media_changed,
.revalidate_disk = sbull_revalidate,
.ioctl = sbull_ioctl
};
/*
* Set up our internal device.
*/
static void setup_device(struct sbull_dev *dev, int which)
{
/*
* Get some memory.
*/
memset (dev, 0, sizeof (struct sbull_dev));
dev->size = nsectors*hardsect_size;
dev->data = vmalloc(dev->size);
if (dev->data == NULL) {
printk (KERN_NOTICE "vmalloc failure.\n");
return;
}
spin_lock_init(&dev->lock);
/*
* The timer which "invalidates" the device.
*/
init_timer(&dev->timer);
dev->timer.data = (unsigned long) dev;
dev->timer.function = sbull_invalidate;
/*
* The I/O queue, depending on whether we are using our own
* make_request function or not.
*/
switch (request_mode) {
case RM_NOQUEUE://采用制造请求的方式，需要采用blk_alloc_queue分配队列，同时采用blk_queue_make_request设定制造请求函数
dev->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
blk_queue_make_request(dev->queue, sbull_make_request);
break;
case RM_FULL://简单和复杂的对请求处理的函数，都是要采用blk_init_queue来初始化队列
dev->queue = blk_init_queue(sbull_full_request, &dev->lock);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
break;
default:
printk(KERN_NOTICE "Bad request mode %d, using simple\n", request_mode);
/* fall into.. */
case RM_SIMPLE://简单和复杂的对请求处理的函数，都是要采用blk_init_queue来初始化队列
dev->queue = blk_init_queue(sbull_request, &dev->lock);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
break;
}
blk_queue_hardsect_size(dev->queue, hardsect_size);
dev->queue->queuedata = dev;
/*
* And the gendisk structure.
*/
dev->gd = alloc_disk(SBULL_MINORS);
if (! dev->gd) {
printk (KERN_NOTICE "alloc_disk failure\n");
goto out_vfree;
}
dev->gd->major = sbull_major;
dev->gd->first_minor = which*SBULL_MINORS;
dev->gd->fops = &sbull_ops;
dev->gd->queue = dev->queue;
dev->gd->private_data = dev;
snprintf (dev->gd->disk_name, 32, "sbull%c", which + 'a');
set_capacity(dev->gd, nsectors*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE));
add_disk(dev->gd);
return;
out_vfree:
if (dev->data)
vfree(dev->data);
}
static int __init sbull_init(void)
{
int i;
/*
* Get registered.
*/
sbull_major = register_blkdev(sbull_major, "sbull");//注册一个块设备
if (sbull_major <= 0) {
printk(KERN_WARNING "sbull: unable to get major number\n");
return -EBUSY;
}
/*
* Allocate the device array, and initialize each one.
*/
Devices = kmalloc(ndevices*sizeof (struct sbull_dev), GFP_KERNEL);
if (Devices == NULL)
goto out_unregister;
for (i = 0; i < ndevices; i++)
setup_device(Devices + i, i);
return 0;
out_unregister:
unregister_blkdev(sbull_major, "sbd");
return -ENOMEM;
}
static void sbull_exit(void)
{
int i;
for (i = 0; i < ndevices; i++) {
struct sbull_dev *dev = Devices + i;
del_timer_sync(&dev->timer);
if (dev->gd) {
del_gendisk(dev->gd);
put_disk(dev->gd);
}
if (dev->queue) {
if (request_mode == RM_NOQUEUE)
blk_put_queue(dev->queue);
else
blk_cleanup_queue(dev->queue);
}
if (dev->data)
vfree(dev->data);
}
unregister_blkdev(sbull_major, "sbull");
kfree(Devices);
}
module_init(sbull_init);
module_exit(sbull_exit);