1、塊設(shè)備的I/O操作特點(diǎn)

字符設(shè)備與塊設(shè)備的區(qū)別：

塊設(shè)備只能以塊為單位接受輸入和返回輸出，而字符設(shè)備則以字符為單位。

塊設(shè)備對(duì)于I/O請(qǐng)求有對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，因此它們可以選擇以什么順序進(jìn)行響應(yīng)，字符設(shè)備無需緩沖區(qū)且直接被讀寫。

字符設(shè)備只能被順序讀寫，而塊設(shè)備可以隨機(jī)讀寫。 但是對(duì)于磁盤等機(jī)械設(shè)備而言，順序的組織塊設(shè)備的訪問可以提高性能

總體而言，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)比字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)要復(fù)雜得多，在I/O操作上表現(xiàn)出極大的不同，緩沖、I/O調(diào)度、請(qǐng)求隊(duì)列等都是與塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)的概念。

對(duì)于扇區(qū)1、10、3、2的請(qǐng)求被調(diào)整為對(duì)扇區(qū)1、2、3、10的請(qǐng)求。但是對(duì)于SD卡、RAMDISK等非機(jī)械設(shè)備來說則沒必要調(diào)整

2.block_device_operations結(jié)構(gòu)體

1、打開和釋放?

int (*open)(struct inode *inode,struct file *filp); int(*release)(struct inode *inode,struct file *filp); //與字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)類似，當(dāng)設(shè)備打開和關(guān)閉的時(shí)候調(diào)用它們

2、io控制

int (*ioctl)(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned long arg); //上述函數(shù)是ioctl()系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)，塊設(shè)備包含大量的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，這些標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求由Linux塊設(shè)備層處理，因此大部分塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的ioctl（）函數(shù)相當(dāng)短。

3、介質(zhì)改變?

int (*media_changed)(struct gendisk *gd); /*被內(nèi)核調(diào)用來檢查是否驅(qū)動(dòng)器中的介質(zhì)已經(jīng)改變。如果是，則返回一個(gè)非0值。否則返回0.這個(gè)函數(shù)僅適用于支持可移動(dòng)介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器，通常需要在驅(qū)動(dòng)器中增加一個(gè)表示介質(zhì)狀態(tài)是否改變的標(biāo)志變量，非可移動(dòng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)不需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法。*/

4、使介質(zhì)有效?

int (*revalidate_disk)(struct gendisk *gd);// revalidate_disk()函數(shù)被調(diào)用來響應(yīng)一個(gè)介質(zhì)改變，它給驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)會(huì)來進(jìn)行必要的工作以使新介質(zhì)準(zhǔn)備好。

5、獲得驅(qū)動(dòng)器信息

int (*getgeo)(struct block_device *,struct hd_geometry *) ;//該函數(shù)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的幾何信息填充一個(gè)hd_geometry的結(jié)構(gòu)體，包含磁頭、扇區(qū)、柱面等信息。

6、模塊指針?

struct module * owner;// 一個(gè)指向擁有這個(gè)結(jié)構(gòu)體的模塊的指針，它通常被初始化為THIS_MODULE.

3.?gendisk分析

在Linux內(nèi)核中，使用gendisk(通用磁盤)結(jié)構(gòu)體來表示1個(gè)獨(dú)立的磁盤設(shè)備（或分區(qū)）。

int major;/* 主設(shè)備號(hào) */int first_minor; /*第1個(gè)次設(shè)備號(hào)*/int minors: //磁盤使用這些成員描述設(shè)備號(hào)。　　　　　　 //最大的次設(shè)備數(shù)，如果不能分區(qū)，則為1,一個(gè)驅(qū)動(dòng)器至少使用一個(gè)次設(shè)備號(hào)。　　　　　　　//如果驅(qū)動(dòng)器是可被分區(qū)的（大多數(shù)情況下），用戶將要為每個(gè)可能的分區(qū)都分配一個(gè)次設(shè)備號(hào)。minors通常取16，他使得一個(gè)“完整的的磁盤“包含15個(gè)分區(qū)。 某些磁盤驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置每個(gè)設(shè)備可使用64個(gè)次設(shè)備號(hào)。char disk_name[32]; //設(shè)置磁盤設(shè)備名字的成員。該名字將顯示在/proc/partitions和sysfs中。struct block_device_operations *fops; //設(shè)置前面所述的各種設(shè)備操作；struct request_queue *queue; //內(nèi)核使用該結(jié)構(gòu)為設(shè)備管理i/o請(qǐng)求；在”請(qǐng)求過程“中詳細(xì)進(jìn)行論述。int flags; //用來描述驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)的標(biāo)志（很少使用）。如果用戶設(shè)備包含了可移動(dòng)介質(zhì)，其將被設(shè)置為GENHD_FL_REMOVABLE。sector_t capacity; //以512字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器可包含的扇區(qū)數(shù)。void *preivate_data; //塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可能使用該成員保存指向其內(nèi)部數(shù)據(jù)的指針。

major、first_minor和minors共同表征了磁盤的主、次設(shè)備號(hào)，同一個(gè)磁盤的各個(gè)分區(qū)共享1個(gè)主設(shè)備號(hào)，而次設(shè)備號(hào)則不同。

fops為block_device_operations，即上節(jié)描述的塊設(shè)備操作集合。queue是內(nèi)核用來管理這個(gè)設(shè)備的 I/O請(qǐng)求隊(duì)列的指針。

capacity表明設(shè)備的容量，以512個(gè)字節(jié)為單位。private_data可用于指向磁盤的任何私有數(shù)據(jù)，用法與字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)file結(jié)構(gòu)體的private_data類似。

Linux內(nèi)核提供了一組函數(shù)來操作gendisk，主要包括：

? 分配gendisk

gendisk結(jié)構(gòu)體是一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的結(jié)構(gòu)體，它需要特別的內(nèi)核操作來初始化，驅(qū)動(dòng)不能自己分配這個(gè)結(jié)構(gòu)體，而應(yīng)該使用下列函數(shù)來分配gendisk：

struct gendisk *alloc_disk(int minors);

minors 參數(shù)是這個(gè)磁盤使用的次設(shè)備號(hào)的數(shù)量，一般也就是磁盤分區(qū)的數(shù)量，此后minors不能被修改。

? 增加gendisk

gendisk結(jié)構(gòu)體被分配之后，系統(tǒng)還不能使用這個(gè)磁盤，需要調(diào)用如下函數(shù)來注冊(cè)這個(gè)磁盤設(shè)備：

void add_disk(struct gendisk *gd);

特別要注意的是對(duì)add_disk()的調(diào)用必須發(fā)生在驅(qū)動(dòng)程序的初始化工作完成并能響應(yīng)磁盤的請(qǐng)求之后。

? 釋放gendisk

當(dāng)不再需要一個(gè)磁盤時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用如下函數(shù)釋放gendisk：

void del_gendisk(struct gendisk *gd);

? gendisk引用計(jì)數(shù)

gendisk中包含1個(gè)kobject成員，因此，它是一個(gè)可被引用計(jì)數(shù)的結(jié)構(gòu)體。通過get_disk()和put_disk()函數(shù)可用來操作引用計(jì)數(shù)，這個(gè)工作一般不需要驅(qū)動(dòng)親自做。通常對(duì) del_gendisk()的調(diào)用會(huì)去掉gendisk的最終引用計(jì)數(shù)，但是這一點(diǎn)并不是一定的。

因此，在del_gendisk()被調(diào)用后，這個(gè)結(jié)構(gòu)體可能繼續(xù)存在。

? 設(shè)置gendisk容量

void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size);

塊設(shè)備中最小的可尋址單元是扇區(qū)，扇區(qū)大小一般是2的整數(shù)倍，最常見的大小是512字節(jié)。扇區(qū)的大小是設(shè)備的物理屬性，扇區(qū)是所有塊設(shè)備的基本單元，塊設(shè)備無法對(duì)比它還小的單元進(jìn)行尋址和操作，不過許多塊設(shè)備能夠一次就傳輸多個(gè)扇區(qū)。雖然大多數(shù)塊設(shè)

備的扇區(qū)大小都是512字節(jié)，不過其它大小的扇區(qū)也很常見，比如，很多CD-ROM盤的扇區(qū)都是2K大小。

不管物理設(shè)備的真實(shí)扇區(qū)大小是多少，內(nèi)核與塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)交互的扇區(qū)都以512字節(jié)為單位。因此，set_capacity()函數(shù)也以512字節(jié)為單位。

4.塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載和卸載函數(shù)模板

在塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模塊加載函數(shù)中通常需要完成如下工作：
① 分配、初始化請(qǐng)求隊(duì)列，綁定請(qǐng)求隊(duì)列和請(qǐng)求函數(shù)。
② 分配、初始化gendisk，給gendisk的major、fops、queue等成員賦值，最后添加gendisk。
③ 注冊(cè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

使用blk_alloc_queue

static int __init xxx_init(void){ //分配gendisk xxx_disks = alloc_disk(1); if (!xxx_disks) { goto out; } /* 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè) 在2.6內(nèi)核中，對(duì) register_blkdev()的調(diào)用完全是可選的，register_blkdev()的功能已隨時(shí)間正在減少，這個(gè)調(diào)用最多只完全2件事： ① 如果需要，分配一個(gè)動(dòng)態(tài)主設(shè)備號(hào)。 ② 在/proc/devices中創(chuàng)建一個(gè)入口。 在將來的內(nèi)核中，register_blkdev()可能會(huì)被去掉。但是目前的大部分驅(qū)動(dòng)仍然調(diào)用它。 */ if (register_blkdev(XXX_MAJOR, "xxx")) { err = - EIO; goto out; } //“請(qǐng)求隊(duì)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); //綁定“制造請(qǐng)求”函數(shù) blk_queue_hardsect_size(xxx_queue, xxx_blocksize); //硬件扇區(qū)尺寸設(shè)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為單位 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;}

使用blk_init_queue

static int __init xxx_init(void){ //塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè) if (register_blkdev(XXX_MAJOR, "xxx")) { err = - EIO; goto out; } //請(qǐng)求隊(duì)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); //硬件扇區(qū)尺寸設(shè)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;}

每個(gè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的核心是它的請(qǐng)求函數(shù)。

實(shí)際的工作，如設(shè)備的啟動(dòng)，都是在這個(gè)函數(shù)中完成。

驅(qū)動(dòng)程序的新能，是這個(gè)操作系統(tǒng)性能的重要組成部分，因此內(nèi)核的塊設(shè)備子系統(tǒng)在編寫的時(shí)候就非常注意性能方面的問題。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊卸載函數(shù)模板

① 清除請(qǐng)求隊(duì)列。
② 刪除gendisk和對(duì)gendisk的引用。
③ 刪除對(duì)塊設(shè)備的引用，注銷塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

static void __exit xxx_exit(void){ if (bdev) { invalidate_bdev(xxx_bdev, 1); blkdev_put(xxx_bdev); } del_gendisk(xxx_disks); //刪除gendisk put_disk(xxx_disks); blk_cleanup_queue(xxx_queue[i]); //清除請(qǐng)求隊(duì)列 unregister_blkdev(XXX_MAJOR, "xxx");}

5.塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)I/O

request函數(shù)介紹

原型：

void request(request_queue_t *queue);

這個(gè)函數(shù)不能由驅(qū)動(dòng)自己調(diào)用，只有當(dāng)內(nèi)核認(rèn)為是時(shí)候讓驅(qū)動(dòng)處理對(duì)設(shè)備的讀寫等操作時(shí)，它才調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

請(qǐng)求函數(shù)可以在沒有完成請(qǐng)求隊(duì)列中的所有請(qǐng)求的情況下返回，甚至它1個(gè)請(qǐng)求不完成都可以返回。但是，對(duì)大部分設(shè)備而言，在請(qǐng)求函數(shù)中處理完所有請(qǐng)求后再返回通常是值得推薦的方法。

對(duì)request函數(shù)的調(diào)用是與用戶空間進(jìn)程中的動(dòng)作是完全異步的，因此不能直接對(duì)用戶空間進(jìn)行訪問。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求函數(shù)例程:

static void xxx_request(request_queue_t *q){ struct request *req; while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) { struct xxx_dev *dev = req->rq_disk->private_data; if (!blk_fs_request(req)) //不是文件系統(tǒng)請(qǐng)求 { printk(KERN_NOTICE "Skip non-fs request/n"); end_request(req, 0);//通知請(qǐng)求處理失敗 continue; } xxx_transfer(dev, req->sector, req->current_nr_sectors, req->buffer, rq_data_dir(req)); //處理這個(gè)請(qǐng)求 end_request(req, 1); //通知成功完成這個(gè)請(qǐng)求 }}//完成具體的塊設(shè)備I/O操作static void xxx_transfer(struct xxx_dev *dev, unsigned long sector, unsignedlong 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) { write_dev(offset, buffer, nbytes); //向設(shè)備些nbytes個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) } else { read_dev(offset, buffer, nbytes); //從設(shè)備讀nbytes個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) }}void end_request(struct request *req, int uptodate){ /* 當(dāng)設(shè)備已經(jīng)完成1個(gè)I/O請(qǐng)求的部分或者全部扇區(qū)傳輸后， end_that_request_first這個(gè)函數(shù)告知塊設(shè)備層，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)已經(jīng)完成count個(gè)扇區(qū)的傳送 返回值為0表示所有的扇區(qū)已經(jīng)被傳送并且這個(gè)請(qǐng)求完成 */ if (!end_that_request_first(req, uptodate, req->hard_cur_sectors)) { /* 使用塊 I/O 請(qǐng)求的定時(shí)來給系統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)池貢獻(xiàn)熵，它不影響塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)。 但是，僅當(dāng)磁盤的操作時(shí)間是真正隨機(jī)的時(shí)候（大部分機(jī)械設(shè)備如此），才應(yīng)該調(diào)用它。 */ add_disk_randomness (req->rq_disk); blkdev_dequeue_request (req);//從隊(duì)列中清除這個(gè)請(qǐng)求 end_that_request_last(req);//通知所有正在等待這個(gè)請(qǐng)求完成的對(duì)象請(qǐng)求已經(jīng)完成并回收這個(gè)請(qǐng)求結(jié)構(gòu)體。 } }

請(qǐng)求隊(duì)列

一個(gè)塊設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列是：包含塊設(shè)備I/O請(qǐng)求的序列。

請(qǐng)求隊(duì)列跟蹤未完成的塊設(shè)備的I/O請(qǐng)求，保存了描述設(shè)備所能處理的請(qǐng)求的參數(shù)：最大尺寸、在同一個(gè)請(qǐng)求中所包含的獨(dú)立段的數(shù)目、硬件扇區(qū)的大小、對(duì)齊需求等。

請(qǐng)求隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了插件接口，以便可以使用多個(gè)I/O調(diào)度器。

I/O調(diào)度器積累了大量的請(qǐng)求，根據(jù)塊索引號(hào)升序（或者降序）排列他們，并按照這個(gè)順序向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送請(qǐng)求。

磁頭從一個(gè)磁盤的末尾移向另一個(gè)磁盤，如同單向電梯一樣，直到每個(gè)請(qǐng)求都得到滿足。

隊(duì)列的創(chuàng)建與刪除

一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)必須由塊設(shè)備的I/O子系統(tǒng)創(chuàng)建。

request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *request,spinlock_t *lock) ;//該函數(shù)參數(shù)是處理這個(gè)隊(duì)列的request指針和控制訪問隊(duì)列權(quán)限的自旋鎖。void blk_cleanup_queue(request_queue_t *);//刪除隊(duì)列

隊(duì)列中的函數(shù)

返回隊(duì)列中下一個(gè)要處理的請(qǐng)求

struct request *elv_next_request(request_queue_t *queue);

將請(qǐng)求從隊(duì)列中刪除

void blkdev_dequeue_request(struct request *req);

隊(duì)列控制函數(shù)

驅(qū)動(dòng)程序使用塊設(shè)備層到處的一組函數(shù)去控制請(qǐng)求隊(duì)列的操作。

void blk_stop_queue(request_queue_t *queue)void blk_start_queue(request_queue_t *queue) //如果驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)入不能處理更多命令的狀態(tài)，就會(huì)調(diào)用blk_stop_queue以通知塊設(shè)備層，以暫停調(diào)用request函數(shù)。當(dāng)有能力處理更多請(qǐng)求時(shí)，需要調(diào)用blk_start_queue重新開始調(diào)用。void blk_queue_bounce_limit(request_queue_t *queue,u64 dma_addr); //該函數(shù)告訴內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行DMA所使用的最高物理內(nèi)存。如果一個(gè)請(qǐng)求包含了超越界限的內(nèi)存引用，將使用回彈緩沖區(qū)（bounce buffer）進(jìn)行處理。

請(qǐng)求過程剖析

每個(gè)request結(jié)構(gòu)都代表了一個(gè)塊設(shè)備的I/O請(qǐng)求。

一個(gè)特定的請(qǐng)求可以分布在整個(gè)內(nèi)存中，但多數(shù)是對(duì)相鄰的扇區(qū)進(jìn)行操作。

如果多個(gè)請(qǐng)求都是對(duì)磁盤中的相鄰扇區(qū)進(jìn)行操作，則內(nèi)核將對(duì)他們進(jìn)行合并。

從本質(zhì)上講，一個(gè)request結(jié)構(gòu)是作為一個(gè)bio結(jié)構(gòu)的鏈表實(shí)現(xiàn)的。

bio

bio結(jié)構(gòu) bio結(jié)構(gòu)在中定義，包含了驅(qū)動(dòng)程序作者所要使用的諸多成員。

sector_t bi_sector; //該bio結(jié)構(gòu)所要傳輸?shù)牡谝粋€(gè)扇區(qū)（512字節(jié)）unsigned int bi_size; //以字節(jié)為單位所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小。unsigned long bi_flags; //bio中一系列的標(biāo)志位；如果是寫請(qǐng)求，最低有效位將被設(shè)置。unsigned short bio_phys_segments;unsigned short bio_hw_segments; //當(dāng)DMA 映射完成時(shí)，它們分別表示bio中包含的物理段的數(shù)目和硬件所能操作的數(shù)目。

request結(jié)構(gòu)成員

sector_t hard_sector;unsigned long hard_nr_sectors;unsigned int hard_cur_sectors;// 用于跟蹤那些驅(qū)動(dòng)程序還未完成的扇區(qū)。還未傳輸?shù)牡谝粋€(gè)扇區(qū)保存在hard_sector中，等待傳輸扇區(qū)的總數(shù)量保存在hard_nr_sectors中，當(dāng)前bio中剩余的扇區(qū)數(shù)目包含在hard_cur_sectors中。struct bio *bio;// 該請(qǐng)求的bio結(jié)構(gòu)鏈表。struct list_head queuelist;// 內(nèi)核鏈表結(jié)構(gòu)，用來把請(qǐng)求連接到請(qǐng)求隊(duì)列中。

屏障請(qǐng)求

在驅(qū)動(dòng)程序收到請(qǐng)求前，塊設(shè)備層重新組合了請(qǐng)求以提高I/O性能。出于同樣的目的，驅(qū)動(dòng)程序也可以重新組合請(qǐng)求。

但是一些應(yīng)用程序的某些操作，要寫在另外一些操作之前，比如關(guān)系數(shù)據(jù)庫在執(zhí)行一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的會(huì)話前，日志信息要寫到驅(qū)動(dòng)器上。

2.6內(nèi)核采用屏障（barrier）請(qǐng)求解決問題：如果一個(gè)請(qǐng)求被設(shè)置了REQ_HARDBARRER標(biāo)志，那么其后請(qǐng)求被初始化前，它必須被寫進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

不可重試請(qǐng)求

當(dāng)?shù)谝淮握?qǐng)求失敗后，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常要重試請(qǐng)求。這樣的性能使得系統(tǒng)更可靠，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

但是，內(nèi)核在某些情況下標(biāo)記請(qǐng)求是不可重試的。這些請(qǐng)求如果在第一次執(zhí)行失敗后，要盡快拋棄。

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