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。
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 = ¤t->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
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
- 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
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");