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
... ...
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
![](/qrcode.jpg)
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
- 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_queue
xd_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_queue
static 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");