Linux系统驱动（十九）块设备驱动

一、块设备驱动简介

（一）简介

系统能够随机访问固定大小（1block–512byte）数据片的设备被称之为块设备。

• 注：块设备的访问方式是随机的，即可以直接访问设备上的任何块，而不需要按照顺序读取或写入

块设备文件一般都是以安装（挂载）文件系统的方式使用，这也是块设备通常的访问方式。

• 注：为了使用块设备存储数据，我们需要在其上安装（或挂载）一个文件系统。文件系统是组织和存储文件的一种方式，它定义了如何存储数据、如何命名文件以及如何组织文件的层次结构。安装（挂载）文件系统是将块设备与目录树中的某个点（挂载点）关联起来的过程，之后该目录下的所有文件和目录都将被存储在块设备上

扇区是块设备的基本存储单元，扇区大小一般是2的整数倍，最常见的大小是512字节。所有对块设备的读写操作都是基于扇区进行的。因此，扇区的大小直接决定了块设备能够处理的最小数据量。
扇区是设备的最小可寻址单位，所以块不能比扇区还小，只能数倍与扇区大小。
内核对块大小的要求是:必须是扇区大小的整数倍，并且小于页面的大小，所以块的大小通常是512字节、1K或者4K。

（二）块设备驱动相关概念

磁头：一个磁盘有多少个面就有多少个磁头
磁道：在一个磁头上可以有很多环，这些环就叫做磁道
扇区：磁道上访问数据的最小的单位就是扇区，一个扇区的大小就是512字节

1block = 512字节 1024字节 2048字节 4096字节
1扇区 = 512字节

块设备的能存储的数据 = 磁头 * 磁道 * 扇区 * 512

机械硬盘存放文件时，同一个文件有可能存放在不同的盘片的不同面，且数据可能会分成多个块，并且是无序的存放。因此在读取时，为了减少切换磁头的频率，会先无序的从磁盘读出该文件所有块，然后再对读到内存中的块进行排序后返回给用户空间

• 注：磁盘擅长连续的读数据而非跳跃的读数据

二、块设备驱动

（一）框架图

1. 虚拟文件系统（VFS）

隐藏了各种硬件的具体细节，为用户操作不同的硬件提供了一个统一的接口。屏蔽各个文件系统的差异，其基于不同的文件系统格式，比如EXT，FAT等。用户程序对设备的操作都通过VFS来完成，在VFS上面就是诸如open、close、write和read的函数API。

windows文件系统：ntfs
ubuntu文件系统：ext4

2. Disk Cache：硬盘的高速缓存

用户缓存最近访问的文件数据，如果能在高速缓存中找到，就不必去访问硬盘，毕竟硬盘的访问速度慢很多。

3. 映射层（mapping layer）

这一层主要用于确定文件系统的block size，然后计算所请求的数据包含多少个block。同时调用具体文件系统函数来访问文件的inode，确定所请求的数据在磁盘上面的逻辑地址。

4. Generic Block Layer：通用块层

Linux内核把块设备看做是由若干个扇区组成的数据空间，上层的读写请求在通用块层被构造成一个或多个bio结构
在硬盘上连续存储的每个空间会对应一个BIO结构体

5. I/O Scheduler Layer :I/O调度层

负责将通用块层的块I/O操作进行（电梯调度算法）调度、插入、暂存、排序、合并、分发等操作，对磁盘的操作更为高效。负责将通用块层的块I/O操作进行
将连续的BIO（可能属于不同进程）合并成一个request加入到request队列，因此一个request中有一个或多个BIO结构体

6. 块设备驱动层

在块系统架构的最底层，由块设备驱动根据排序好的请求，对硬件进行数据访问。

（二）块设备驱动框架

user:open     read    write    close
-------------------(io请求)-----------------------------------
kernel	|中间层: （block_device）|   read读1500数据在物理磁盘上三段不连续，构造3个bio结构体|	将用户的io请求转化成BIO(block，input ,output),|	在物理内存上连续的bio会被合成request，这个request|	会被放到内核的一个队列上。|---------------------------------------------------------|driver:gendisk| 1.分配对象| 2.对象初始化| 3.初始化一个队列  head----request(read)----request(write)---...| //4.硬盘设备的初始化| 5.注册、注销
------------------------------------------------------------------  
haredware :   分配的内存（模拟真实的设备）（1M）

• 补充：反汇编命令 objdump

三、块设备驱动API

（一）结构体对象

1. gendisk的结构体对象struct gendisk {   int major;   			//块设备的主设备号int first_minor; 		//起始的次设备号int minors; 			//设备的个数，分区的个数char disk_name[DISK_NAME_LEN]; //磁盘的名字struct disk_part_tbl  *part_tbl;//磁盘的分区表的首地址struct hd_struct part0;	//part0分区的描述const struct block_device_operations *fops;//块设备的操作方法结构体struct request_queue *queue;//队列void *private_data; 	//私有数据};2. hd_struct分区的结构体：part0分区的描述struct hd_struct {sector_t start_sect; 	//起始的扇区号sector_t nr_sects;   	//扇区的个数                        int  partno;        	//分区号};//块设备的操作方法结构体struct block_device_operations {int (*open) (struct block_device *, fmode_t);int (*release) (struct gendisk *, fmode_t);int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *); //设置磁盘的磁头，磁道，扇区的个数的};3. hd_geometry结构体struct hd_geometry {unsigned char heads;unsigned char sectors;unsigned short cylinders;unsigned long start;};
----------------------------------------------------------------
4. request_queue结构体struct  request_queue {/*双向链表数据结构，将所有加入到队列的IO请求组建成一个双向链表*/struct  list_head  queue_head; struct list_head    requeue_list; //request队列spinlock_t      requeue_lock;     //队列自旋锁unsigned long     nr_requests;     /* 最大的请求数量 */unsigned long     queue_flags;/*当前请求队列的状QUEUE_FLAG_STOPPED*/ };
5. request结构体struct  request{struct list_head queuelist;/* 请求对象中的链表元素*/struct request_queue *q; /* 指向存放当前请求的请求队列*/unsigned int __data_len; /* 当前请求要求数据传输的总的数据量 */sector_t __sector;         /* 当前请求要求数据传输的块设备的起始扇区 */struct bio *bio;  /* bio对象所携带的信息转存至请求对象中*/struct bio *biotail; /* bio链表*/};//通常一个request请求可以包含多个bio，一个bio对应一个I/O请求  
6. bio结构体struct bio {  struct bio *bi_next;  /* 指向当前bio的下一个对象*/ unsigned long  bi_flags;   /* 状态、命令等 */ unsigned long bi_rw;   /* 表示READ/WRITE*/ struct block_device *bi_bdev;    /* 与请求相关联的块设备对象指针*/ unsigned short bi_vcnt;  /* bi_io_vec数组中元素个数 */ unsigned short bi_idx;  /* 当前处理的bi_io_vec数组元素索引 */unsigned int bi_size;  /* 本次传输需要传输的数据总量，byte(扇区大小整数倍) */ struct bio_vec *bi_io_vec;/* 指向一个IO向量的数组，数组中的内各元素对应一个物理页的page对象 */};
7. bio_vec结构体struct bio_vec {  struct page  *bv_page; //指向用于数据传输的页面所对应的struct page对象unsigned int bv_len;   //表示当前要传输的数据大小  unsigned int bv_offset;//表示数据在页面内的偏移量 };

1. reque_queue和request及bio的关系

新版本的linux块设备驱动会有多个request_queue，一般是有几个核就有几个request队列；
每个request_queue上有多个request节点，以链表形式链在一起；
每个request节点又包含多个bio结构体（可能属于不同的进程，但是必定是在物理上连续存储的）；
每个bio结构体又包含多个bio_vec结构体，因为bio结构体在内存上可能又分成了多个块，bio_vec结构体中存放了页号，偏移量和长度

因此，可以根据bio_vec结构体中的信息获得内存中的线性地址；
然后，根据request节点的起始扇区号，加上dev_addr，得到要操作的物理内存地址；

（二）结构体对象初始化API

1. 初始化结构体struct gendisk *mydisk;struct gendisk *alloc_disk(int minors)//void put_disk(struct gendisk *disk)//归还引用计数功能：分配gendisk的内存，然后完成必要的初始化参数：@minors:分区的个数返回值：成功返回分配到的内存的首地址，失败返回NULLint register_blkdev(unsigned int major, const char *name)//void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)功能：申请设备设备驱动的主设备号参数：@major ： 0：自动申请>0 :静态指定@name  :名字  cat /proc/devices返回值： major=0 ;成功返回主设备号，失败返回错误码major>0 :成功返回0 ，失败返回错误码void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size)功能：设置磁盘的容量struct request_queue *blk_mq_init_sq_queue(struct blk_mq_tag_set *set,const struct blk_mq_ops *ops,unsigned int queue_depth,unsigned int set_flags)//void blk_cleanup_queue(struct request_queue *q)功能：用于在给定队列深度的情况下使用mq ops设置队列的助手，以及通过mq ops标志传递的助手参数：@被初始化的tag对象，tag被上层使用，里面包含硬件队列的个数，队列的操作方法结构体，标志位等@放入到tag中的操作方法结构体@ tag中指定支持的队列深度@将tag中队列的处理标志位，例如BLK_MQ_F_SHOULD_MERGE， BLK_MQ_F_BLOCKING等返回值：成功返回队列指针，失败返回错误码指针 
2. 队列处理相关函数blk_mq_start_request(rq); //开始处理队列blk_mq_end_request(rq, BLK_STS_OK); //结束队列处理rq_for_each_segment(bvec, rq, iter) //从request->bio_vecvoid* b_buf = page_address(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset; //将页地址转换为线性地址（内地址）rq_data_dir(rq))   //从request获取本次读写的方向  WRITE 1   READ 0dev_addr+(rq->__sector *512) //磁盘设备的地址3.注册、注销void add_disk(struct gendisk *disk)//注册void del_gendisk(struct gendisk *disk)//注销

四、代码示例