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14.块设备驱动

来源:本站原创 浏览:18次 时间:2021-12-07

一、字符设备驱动与块设备驱动

1、字符设备驱动:
  当我们的应用层读写(read()/write())字符设备驱动时,是按字节/字符来读写数据的,期间没有任何缓存区,因为数据量小,不能随机读取数据,例如:按键、LED、鼠标、键盘等
2、块设备:
  块设备是i/o设备中的一类, 当我们的应用层对该设备读写时,是按扇区大小来读写数据的,若读写的数据小于扇区的大小,就会需要缓存区, 可以随机读写设备的任意位置处的数据,例如 普通文件(.txt,.c等),硬盘,U盘,SD卡。
3、块设备结构:
段(Segments):由若干个块组成。是Linux内存管理机制中一个内存页或者内存页的一部分。
块 (Blocks): 由Linux制定对内核或文件系统等数据处理的基本单位。通常由1个或多个扇区组成。(对Linux操作系统而言)
扇区(Sectors):块设备的基本单位。通常在512字节到32768字节之间,默认512字节
应用程序进行文件的读写,通过文件系统将文件的读写转换为块设备驱动操作硬件。

二、块设备驱动框架

  当我们对一个*.txt写入数据时,文件系统会转换为对块设备上扇区的访问,也就是调用ll_rw_block()函数,从这个函数开始就进入了设备层.

1、先来分析ll_rw_block()函数(/fs/buffer.c):
void ll_rw_block(int rw, int nr, struct buffer_head *bhs[])//rw:读写标志位,  nr:bhs[]长度,  bhs[]:要读写的数据数组{  int i;       for (i = 0; i < nr; i++) {  struct buffer_head *bh = bhs[i];                 //获取nr个buffer_head   ... ...   if (rw == WRITE || rw == SWRITE) {  if (test_clear_buffer_dirty(bh)) {  ... ...  submit_bh(WRITE, bh);                //提交WRITE写标志的buffer_head            continue;  }}   else {  if (!buffer_uptodate(bh)) {  ... ...  submit_bh(rw, bh);               //提交其它标志的buffer_head  continue;  }}  unlock_buffer(bh); }}

  其中buffer_head结构体,就是我们的缓冲区描述符,存放缓存区的各种信息,结构体如下所示:

struct buffer_head {unsigned long b_state;          //缓冲区状态标志 struct buffer_head *b_this_page;    //页面中的缓冲区 struct page *b_page;           //存储缓冲区位于哪个页面sector_t b_blocknr;           //逻辑块号size_t b_size;              //块的大小char *b_data;               //页面中的缓冲区struct block_device *b_bdev;     //块设备,来表示一个独立的磁盘设备bh_end_io_t *b_end_io;         //I/O完成方法 void *b_private;             //完成方法数据 struct list_head b_assoc_buffers;   //相关映射链表/* mapping this buffer is associated with */struct address_space *b_assoc_map;       atomic_t b_count;             //缓冲区使用计数 };

2、然后进入submit_bh()中, submit_bh()函数如下:
int submit_bh(int rw, struct buffer_head * bh){   struct bio *bio;                    //定义一个bio(block input output),也就是块设备i/o   ... ����Ϳ˵,��ʳ֮��...   bio = bio_alloc(GFP_NOIO, 1);      //分配bio  /*根据buffer_head(bh)构造bio */   bio->bi_sector = bh->b_blocknr * (bh->b_size >> 9);      //存放逻辑块号   bio->bi_bdev = bh->b_bdev;                              //存放对应的块设备   bio->bi_io_vec[0].bv_page = bh->b_page;           //存放缓冲区所在的物理页面   bio->bi_io_vec[0].bv_len = bh->b_size;              //存放扇区的大小   bio->bi_io_vec[0].bv_offset = bh_offset(bh);            //存放扇区中以字节为单位的偏移量   bio->bi_vcnt = 1;                                    //计数值   bio->bi_idx = 0;                                     //索引值   bio->bi_size = bh->b_size;                         //存放扇区的大小   bio->bi_end_io = end_bio_bh_io_sync;             //设置i/o回调函数   bio->bi_private = bh;                               //指向哪个缓冲区   ... ...   submit_bio(rw, bio);                           //提交bio   ... ...}

  submit_bh()函数就是通过bh来构造bio,然后调用submit_bio()提交bio

3、 submit_bio()函数如下:
void submit_bio(int rw, struct bio *bio){   ... ...   generic_make_request(bio);        }

  最终调用generic_make_request(),把bio数据提交到相应块设备的请求队列中,generic_make_request()函数主要是实现对bio的提交处理

4、generic_make_request()函数如下所示:
void generic_make_request(struct bio *bio){ if (current->bio_tail) {                   // current->bio_tail不为空,表示有bio正在提交  *(current->bio_tail) = bio;     //将当前的bio放到之前的bio->bi_next里面  bio->bi_next = NULL;    //更新bio->bi_next=0;  current->bio_tail = &bio->bi_next; //然后将当前的bio->bi_next放到current->bio_tail里,使下次的bio就会放到当前bio->bi_next里面了  return;    }BUG_ON(bio->bi_next);   do {  current->bio_list = bio->bi_next;  if (bio->bi_next == NULL) current->bio_tail = &current->bio_list;  else bio->bi_next = NULL;  __generic_make_request(bio);           //调用__generic_make_request()提交bio  bio = current->bio_list;   } while (bio);   current->bio_tail = NULL; /* deactivate */}

  从上面的注释和代码分析到,只有当第一次进入generic_make_request()时, current->bio_tail为NULL,才能调用__generic_make_request().

  __generic_make_request()首先由bio对应的block_device获取申请队列q,然后要检查对应的设备是不是分区,如果是分区的话要将扇区地址进行重新计算,最后调用q的成员函数make_request_fn完成bio的递交.

5、__generic_make_request()函数如下所示:
static inline void __generic_make_request(struct bio *bio){request_queue_t *q;    int ret;   ... ...   do {  q = bdev_get_queue(bio->bi_bdev);  //通过bio->bi_bdev获取申请队列q  ... ...  ret = q->make_request_fn(q, bio);             //提交申请队列q和bio   } while (ret);}

  这个q->make_request_fn()又是什么函数?到底做了什么,我们搜索下它在哪里被初始化的

  如下图,搜索make_request_fn,它在blk_queue_make_request()函数中被初始化mfn这个参数


  继续搜索blk_queue_make_request,找到它被谁调用,赋入的mfn参数是什么

  如下图,找到它在blk_init_queue_node()函数中被调用

  最终q->make_request_fn()执行的是__make_request()函数

6、我们来看看__make_request()函数,对提交的申请队列q和bio做了什么
static int __make_request(request_queue_t *q, struct bio *bio){  struct request *req;          //块设备本身的队列  ... ...//(1)将之前的申请队列q和传入的bio,通过排序,合并在本身的req队列中  el_ret = elv_merge(q, &req, bio);  ... ...  init_request_from_bio(req, bio);        //合并失败,单独将bio放入req队列  add_request(q, req);                  //单独将之前的申请队列q放入req队列  ... ...  __generic_unplug_device(q);      //(2) 执行申请队列的处理函数      }

  1)上面的elv_merge()函数,就是内核中的电梯算法(elevator merge),它就类似我们坐的电梯,通过一个标志,向上或向下.

  比如申请队列中有以下6个申请:

  4(in),2(out),5(in),3(out),6(in),1(out)   //其中in:写出队列到扇区,ou:读入队列

  最后执行下来,就会排序合并,先写出4,5,6,队列,再读入1,2,3队列

  1. 上面的__generic_unplug_device()函数如下:
void __generic_unplug_device(request_queue_t *q){      if (unlikely(blk_queue_stopped(q)))  return;   if (!blk_remove_plug(q))  return;   q->request_fn(q);         }

  最终执行q的成员request_fn()函数, 执行申请队列的处理函数

7、框架分析总结,如下图所示:

8、其中q->request_fn是一个request_fn_proc结构体,如下图所示:


8.1那这个申请队列q->request_fn又是怎么来的?
  我们参考自带的块设备驱动程序drivers\block\xd.c

  在入口函数中发现有这么一句:

static struct request_queue *xd_queue;             //定义一个申请队列xd_queuexd_queue = blk_init_queue(do_xd_request, &xd_lock);       //分配一个申请队列

  其中blk_init_queue()函数原型如下所示:

request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock);//  *rfn: request_fn_proc结构体,用来执行申请队列中的处理函数//  *lock:队列访问权限的自旋锁(spinlock),该锁需要通过DEFINE_SPINLOCK()函数来定义

  显然就是将do_xd_request()挂到xd_queue->request_fn里.然后返回这个request_queue队列
8.2我们再看看申请队列的处理函数 do_xd_request()是如何处理的,函数如下:

static void do_xd_request (request_queue_t * q){  struct request *req;              if (xdc_busy)  return;  while ((req = elv_next_request(q)) != NULL)    //(1)while获取申请队列中的需要处理的申请  {int res = 0;... ...   for (retry = 0; (retry < XD_RETRIES) && !res; retry++)                 res = xd_readwrite(rw, disk, req->buffer, block, count);                 //将获取申请req的buffer成员 读写到disk扇区中,当读写失败返回0,成功返回1   end_request(req, res);         //申请队列中的的申请已处理结束,当res=0,表示读写失败}}

  为什么要while一直获取?

  因为这个q是个申请队列,里面会有多个申请,之前是使用电梯算法elv_merge()函数合并的,所以获取也要通过电梯算法elv_next_request()函数获取.

  通过上面代码和注释,内核中的申请队列q最终都是交给驱动处理,由驱动来对扇区读写

9、接下来我们就看看drivers\block\xd.c的入口函数大概流程,是如何创建块设备驱动的
static DEFINE_SPINLOCK(xd_lock);     //定义一个自旋锁,用到申请队列中static struct request_queue *xd_queue; //定义一个申请队列xd_queuestatic int __init xd_init(void)          //入口函数{if (register_blkdev(XT_DISK_MAJOR, "xd"))  //1.创建一个块设备,保存在/proc/devices中goto out1;xd_queue = blk_init_queue(do_xd_request, &xd_lock);  //2.分配一个申请队列,后面会赋给gendisk结构体的queue成员... ...for (i = 0; i < xd_drives; i++) {                     ... ...  struct gendisk *disk = alloc_disk(64);  //3.分配一个gendisk结构体, 64:次设备号个数,也称为分区个数/*    4.接下来设置gendisk结构体        */  disk->major = XT_DISK_MAJOR;             //设置主设备号  disk->first_minor = i<<6;                //设置次设备号  disk->fops = &xd_fops;                   //设置块设备驱动的操作函数  disk->queue = xd_queue;                  //设置queue申请队列,用于管理该设备IO申请队列  ... ...  xd_gendisk[i] = disk;} ... ... for (i = 0; i < xd_drives; i++)  add_disk(xd_gendisk[i]);                                //5.注册gendisk结构体}

  其中gendisk(通用磁盘)结构体是用来存储该设备的硬盘信息,包括请求队列、分区链表和块设备操作函数集等,结构体如下所示:

struct gendisk {  int major;                        /*设备主设备号*/  int first_minor;                  /*起始次设备号*/  int minors;                       /*次设备号的数量,也称为分区数量,如果改值为1,表示无法分区*/  char disk_name[32];              /*设备名称*/  struct hd_struct **part;          /*分区表的信息*/  int part_uevent_suppress;  struct block_device_operations *fops;  /*块设备操作集合 */  struct request_queue *queue;           /*申请队列,用于管理该设备IO申请队列的指针*/  void *private_data;                    /*私有数据*/  sector_t capacity;                     /*扇区数,512字节为1个扇区,描述设备容量*/  ....};

10、所以注册一个块设备驱动,需要以下步骤:

  1.创建一个块设备
  2.分配一个申请队列
  3.分配一个gendisk结构体
  4.设置gendisk结构体的成员
  5.注册gendisk结构体

三、以sdram模拟块设备的操作

参考函数



Ramblock.c

/* 参考: * drivers\block\xd.c * drivers\block\z2ram.c */#include <linux/module.h>#include <linux/errno.h>#include <linux/interrupt.h>#include <linux/mm.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/timer.h>#include <linux/genhd.h>#include <linux/hdreg.h>#include <linux/ioport.h>#include <linux/init.h>#include <linux/wait.h>#include <linux/blkdev.h>#include <linux/blkpg.h>#include <linux/delay.h>#include <linux/io.h>#include <asm/system.h>#include <asm/uaccess.h>#include <asm/dma.h>static struct gendisk *ramblock_disk;static request_queue_t *ramblock_queue;static int major;static DEFINE_SPINLOCK(ramblock_lock);#define RAMBLOCK_SIZE (1024*1024)static unsigned char *ramblock_buf;static int ramblock_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo){/* 容量=heads*cylinders*sectors*512 *//*磁头 柱面  扇区*/geo->heads     = 2;geo->cylinders = 32;geo->sectors   = RAMBLOCK_SIZE/2/32/512;return 0;}static struct block_device_operations ramblock_fops = {.owner= THIS_MODULE,.getgeo= ramblock_getgeo,};static void do_ramblock_request(request_queue_t * q){static int r_cnt = 0;static int w_cnt = 0;struct request *req;//printk("do_ramblock_request %d\n", ++cnt);/*以电梯调度算法取出下一个请求*//*用内存模拟磁盘读写。*/while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) {/* 数据传输三要素: 源,目的,长度 *//* 源/目的: */unsigned long offset = req->sector * 512;/* 目的/源: */// req->buffer/* 长度: */unsigned long len = req->current_nr_sectors * 512;if (rq_data_dir(req) == READ){//printk("do_ramblock_request read %d\n", ++r_cnt);memcpy(req->buffer, ramblock_buf+offset, len);}else{//printk("do_ramblock_request write %d\n", ++w_cnt);memcpy(ramblock_buf+offset, req->buffer, len);}end_request(req, 1);}}static int ramblock_init(void){/* 1. 分配一个gendisk结构体 */ramblock_disk = alloc_disk(16); /* 次设备号个数: 分区个数+1 *//* 2. 设置 *//* 2.1 分配/设置队列: 提供读写能力 */ramblock_queue = blk_init_queue(do_ramblock_request, &ramblock_lock);ramblock_disk->queue = ramblock_queue;/* 2.2 设置其他属性: 比如容量 */major = register_blkdev(0, "ramblock");  /* cat /proc/devices */ramblock_disk->major       = major;ramblock_disk->first_minor = 0;sprintf(ramblock_disk->disk_name, "ramblock");ramblock_disk->fops        = &ramblock_fops;set_capacity(ramblock_disk, RAMBLOCK_SIZE / 512);/* 3. 硬件相关操作分配内存*/ramblock_buf = kzalloc(RAMBLOCK_SIZE, GFP_KERNEL);/* 4. 注册 */add_disk(ramblock_disk);return 0;}static void ramblock_exit(void){unregister_blkdev(major, "ramblock");del_gendisk(ramblock_disk);put_disk(ramblock_disk);blk_cleanup_queue(ramblock_queue);kfree(ramblock_buf);}module_init(ramblock_init);module_exit(ramblock_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

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