《Linux Device Drivers》第十六章 块设备驱动程序——note

• 简介
  • 一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的随机数据来访问设备
  • Linux内核视块设备为与字符设备相异的基本设备类型
  • Linux块设备驱动程序接口使得块设备可以发挥其最大的功效，但是其复杂程序又是编程者必须面对的一个问题
  • 一个数据块指的是固定大小的数据，而大小的值由内核确定
  • 数据块的大小通常是4096个字节，但是可以根据体系结构和所使用的文件系统进行改变
  • 与数据块对应的是扇区，它是由底层硬件决定大小的一个块，内核所处理的设备扇区大小是512字节
  • 如果要使用不同的硬件扇区大小，用户必须对内核的扇区数做相应的修改
• 注册
  • 注册块设备驱动程序
    • <linux/fs.h>
    • int register_blkdev(unsigned int major, const char *name);
      • 如果需要的话分配一个动态的主设备号
      • 在/proc/devices中创建一个入口项
    • int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name);
  • 注册磁盘
    • struct block_device_operations
      • int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
      • int (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
      • int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
      • int (*media_changed) (struct gendisk *gd);
      • int (*revalidate_disk) (struct gendisk *gd);
      • struct module *owner;
    • gendisk结构
      • <linux/genhd.h>
      • struct gendisk
        • int major;
        • int first_minor;
        • int minors;
          • 常取16
        • char disk_name[32]
          • 显示在/proc/partitions和sysfs中
        • struct block_device_operations *fops;
        • struct request_queue *queue;
        • int flags;
        • sector_t capacity;
        • void *private_data;
      • struct gendisk *alloc_disk(int minors);
      • void del_gendisk(struct gendisk *gd);
      • void add_disk(struct gendisk *gd);

• 块设备操作
  • open和release函数
    • 对于那些操作实际硬件设备的驱动程序，open和release函数可以设置驱动程序和硬件的状态。这些操作包括使磁盘开始或者停止旋转，锁住可移动介质的仓门以及分配DMA缓存等
    • 有一些操作能够让块设备在用户空间内被直接打开，这些操作包括给磁盘分区，或者在分区上创建文件系统，或者运行文件系统检查程序
  • 对可移动介质的支持
    • 调用media_changed函数以检查介质是否被改变
    • 在介质改变后将调用revalideate函数
  • ioctl函数
    • 高层的块设备子系统在驱动程序获得ioctl命令前，已经截取了大量的命令
    • 实际上在一个现代驱动程序中，许多ioctl命令根本就不用实现
• 请求处理
  • 每个块设备驱动程序的核心是它的请求函数
  • 驱动程序所需要知道的任何关于请求的信息，都包含在通过请求队列传递给我们的结构中
    
  • request函数介绍
    • void request(request_queue_t *queue);
      • 当内核需要驱动程序处理读取、写入以及其他对设备的操作时，就会调用该函数
    • 每个设备都有一个请求队列
      • dev->queue = blk_init_queue(test_request, &dev->lock);
    • 对request函数的调用是与用户空间进程中的动作完全异步的
  • 一个简单的request函数
    • struct request * elv_next_request(request_queue_t queue);
    • void end_request(struct request *req, int succeeded);
    • struct request
      • sector_t secotr;
      • unsigned long nr_sectors;
      • char *buffer
      • rq_data_dir(struct request *req);
  • 请求队列
    • 一个块设备请求队列可以这样描述：包含块设备I/O请求的序列
    • 请求队列跟踪未完成的块设备的I/O请求
    • 请求队列还实现了插件接口
    • I/O调度器还负责合并邻近的请求
    • 请求队列拥有request_queue或request_queue_t结构类型
    • <linux/blkdev.h>
    • 队列的创建与删除
      • request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *request, spinlock_t *lock);
      • void blk_cleanup_queue(request_queue_t *queue);
    • 队列函数
      • struct request *elv_next_request(request_queue_t *queue);
      • void blkdev_dequeue_request(struct request *req);
      • void elv_requeue_request(request_queue_t *queue, struct request *req);
    • 队列控制函数
      • void blk_stop_queue(request_queue_t *queue);
      • void blk_start_queue(request_queue_t *queue);
      • void blk_queue_bounce_limit(request_queue_t *queue, u64 dma_addr);
      • void blk_queue_max_sectors(request_queue_t *queue, unsigned short max);
      • void blk_queue_max_phys_segments(request_queue_t *queue, unsigned short max);
      • void blk_queue_max_hw_segments(request_queue_t *queue, unsigned short max);
      • void blk_queue_max_segment_size(request_queue_t *queue, unsigned short max);
      • void blk_queue_segment_boundary(request_queue_t *queue, unsigned long mask);
      • void blk_queue_dma_alignment(request_queue_t *queue, int mask);
      • void blk_queue_hardsect_size(request_queue_t *queue, unsigned short max);
    • 请求过程剖析
      • 从本质上讲，一个request结构是作为一个bio结构的链表实现的
      • bio结构
        • bio结构包含了驱动程序执行请求的全部信息，而不必与初始化这个请求的用户空间的进程相关联
        • <linux/bio.h>
        • struct bio
          • sector_t bi_sector;
          • unsigned int bi_size;
            • 以字节为单位所需要传输的数据大小
          • unsigned long bi_flags;
          • unsigned short bio_phys_segments;
          • unsigned short bio_hw_segments;
          • struct bio_vec *bi_io_vec
        • struct bio_vec
          • struct page *vb_page;
          • unsigned int bv_len;
          • unsigned int bv_offset;
        • example
          • int segno;
          • struct bio_vec *bvec;
          • bio_for_each_segment(bvec, bio, segno)
          • {
            • /* 使用该段进行一定的操作 */
          • }
        • char *__bio_kmap_atomic(struct bio *bio, int i, enum km_type type);
        • void __bio_kunmap_atomic(char *buffer, enum km_type type):
        • struct page *bio_page(struct bio *bio);
        • int bio_offset(struct bio *bio);
        • int bio_cur_sectors(struct bio *bio);
        • char *bio_data(struct bio *bio);
        • char *bio_kmap_irq(struct bio *bio, unsigned long *flags);
        • void bio_kunmap_irq(char *buffer, unsigned long *flags);
      • request结构成员
        • struct request
          • sector_t hard_sector;
          • unsigned long hard_nr_sectors;
          • unsigned int hard_cur_sectors;
          • struct bio *bio;
          • char *buffer;
          • unsigned short nr_phys_segments;
          • struct list_head queuelist;
      • 屏障请求
        • 在驱动程序接收到请求前，块设备层重新组合了请求以提高I/O性能
        • 出于同样的目的，驱动程序也可以重新组合请求
        • 但在无限制重新组合请求时面临了一个问题：一些应用程序的某些操作，要在另外一些操作开始前完成
        • 2.6版本的块设备层使用屏障（barrier）请求来解决这个问题
        • 如果一个请求被设置了REQ_HARDBARRER标志，那么在其他后续请求被初始化前，它必须被写入驱动器
        • void blk_queue_ordered(request_queue_t *queue, int flag);
        • int blk_barrier_rq(sruct request *req);
          • 如果返回一个非零值，该请求是一个屏障请求
      • 不可重试请求
        • int blk_noretry_request(struct request *req);
    • 请求完成函数
      • int end_that_request_first(struct request *req, int success, int count);
      • void end_that_request_last(struct request *req);
      • example
        • void end_request(struct request *req, int uptodate)
        • {
          • if (!end_that_request(req, uptodate, req->hard_cur_sectors)
          • {
            • add_disk_randomness(req->rq_disk);
            • blkdev_dequeue_request(req);
            • end_that_request_last(req);
          • }
        • }
      • 使用bio
        • example
          • struct request *req
          • struct bio *bio;
          • rq_for_each_bio(bio, req)
          • {
            • /* 使用该bio结构进行一定的操作 */
          • }
      • 块设备请求和DMA
        • int blk_rq_map_sg(request_queue_t *queue, struct request *req, struct scatterlist *list);
        • clear_bit(QUEUE_FLAG_CLEAR, &queue->queue_flags);
      • 不使用请求队列
        • typedef int (make_request_fn) (request_queue_t *q, struct bio *bio);
        • void bio_endio(struct bio *bio, unsigned int bytes, int error);
        • request_queue_t *blk_alloc_queue(int flags);
          • 并未真正地建立一个保存请求的队列
        • void blk_queue_make_request(request_queue_t *queue, make_request_fn *func);
        • drivers/block/ll_rw_block.c
• 其他一些细节
  • 命令预处理
    • typedef int (prep_rq_fn) (request_queue_t *queue, struct request *req);
      • 该函数要能返回下面的值之一
        • BLKPREP_OK
        • BLKPREP_KILL
        • BLKPREP_DEFER
    • void blk_queue_prep_rq(request_queue_t *queue, prep_rq_fn *func);
  • 标记命令队列
    • 同时拥有多个活动请求的硬件通常支持某种形式的标记命令队列（Tagged Command Queueing, TCQ）
    • TCQ只是为每个请求添加一个整数（标记）的技术，这样当驱动器完成它们中的一个请求后，它就可以告诉驱动程序完成的是哪个
    • int blk_queue_int_tags(request_queue_t *queue, int depth, struct blk_queue_tag *tags);
    • int blk_queue_resize_tags(request_queue_t *queue, int new_depth);
    • int blk_queue_start_tag(request_queue_t *queue, struct request *req);
    • void blk_queue_end_tag(request_queue_t *queue, struct request *req);
    • struct request *blk_queue_find_tag(request_queue_t *queue, int tag);
    • void blk_queue_invalidate_tags(request_queue_t *queue);