Linux 块设备驱动实验

一

块设备驱动要远比字符设备驱动复杂得多，不同类型的存储设备又对应不同的驱动子系统，本章我们重点学习一下块设备相关驱动概念，不涉及到具体的存储设备。

1、什么是块设备？

块设备是针对存储设备的，比如 SD 卡、EMMC、NAND Flash、Nor Flash、SPI Flash、机械硬盘、固态硬盘等。块设备驱动相比字符设备
驱动的主要区别如下：

①、块设备只能以块为单位进行读写访问，块是 linux 虚拟文件系统(VFS)基本的数据传输单位。字符设备是以字节为单位进行数据传输的，不需要缓冲。

②、块设备在结构上是可以进行随机访问的，对于这些设备的读写都是按块进行的，块设备使用缓冲区来暂时存放数据，等到条件成熟以后在一次性将缓冲区中的数据写入块设备中。这么做的目的为了提高块设备寿命。

2、块设备驱动框架

2.1 block_device 结构体
linux 内核使用 block_device 表示块设备， block_device 为一个结构体，定义在include/linux/fs.h 文件中，结构体内容如下：

struct block_device {dev_t			bd_dev;  /* not a kdev_t - it's a search key */int				bd_openers;struct inode *			bd_inode;	/* will die */struct super_block *	bd_super;struct mutex		bd_mutex;	/* open/close mutex */struct list_head	bd_inodes;void *				bd_claiming;void *				bd_holder;int					bd_holders;bool				bd_write_holder;
#ifdef CONFIG_SYSFSstruct list_head	bd_holder_disks;
#endifstruct block_device *	bd_contains;unsigned				bd_block_size;struct hd_struct *		bd_part;/* number of times partitions within this device have been opened. */unsigned				bd_part_count;int					bd_invalidated;struct gendisk *	bd_disk;struct request_queue *  bd_queue;struct list_head	bd_list;/** Private data.  You must have bd_claim'ed the block_device* to use this.  NOTE:  bd_claim allows an owner to claim* the same device multiple times, the owner must take special* care to not mess up bd_private for that case.*/unsigned long		bd_private;/* The counter of freeze processes */int					bd_fsfreeze_count;/* Mutex for freeze */struct mutex		bd_fsfreeze_mutex;
};

重点关注一下第 21 行的 bd_disk 成员变量，此成员变量为gendisk 结构体指针类型。内核使用 block_device 来表示一个具体的块设备对象，比如一个硬盘或者分区，如果是硬盘的话 bd_disk 就指向通用磁盘结构 gendisk。

2.2、注册块设备

我们需要向内核注册新的块设备、申请设备号，块设备注册函数为register_blkdev，函数原型如下：

int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)

函数参数和返回值含义如下：
major：主设备号。
name：块设备名字。
返回值：如果参数 major 在 1~255 之间的话表示自定义主设备号，那么返回 0 表示注册成功，如果返回负值的话表示注册失败。如果 major 为 0 的话表示由系统自动分配主设备号，那么返回值就是系统分配的主设备号（1-255），如果返回负值那就表示注册失败。

2.3、注销块设备

和字符设备驱动一样，如果不使用某个块设备了，那么就需要注销掉，函数为unregister_blkdev，函数原型如下：

void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)

函数参数和返回值含义如下：
major：要注销的块设备主设备号。
name：要注销的块设备名字。
返回值：无

2.4、gendisk 结构体

linux 内核使用 gendisk 来描述一个磁盘设备，这是一个结构体，定义在 include/linux/genhd.h中，内容如下：

struct gendisk {/* major, first_minor and minors are input parameters only,* don't use directly.  Use disk_devt() and disk_max_parts().*/int major;			/* major number of driver */int first_minor;int minors;                     /* maximum number of minors, =1 for* disks that can't be partitioned. */char disk_name[DISK_NAME_LEN];	/* name of major driver */char *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);unsigned int events;		/* supported events */unsigned int async_events;	/* async events, subset of all *//* Array of pointers to partitions indexed by partno.* Protected with matching bdev lock but stat and other* non-critical accesses use RCU.  Always access through* helpers.*/struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;struct hd_struct part0;const struct block_device_operations *fops;struct request_queue *queue;void *private_data;int flags;struct device *driverfs_dev;  // FIXME: removestruct kobject *slave_dir;struct timer_rand_state *random;atomic_t sync_io;		/* RAID */struct disk_events *ev;
#ifdef  CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITYstruct blk_integrity *integrity;
#endifint node_id;
};

第 5 行，major 为磁盘设备的主设备号。

第 6 行，first_minor 为磁盘的第一个次设备号。

第 7 行，minors 为磁盘的次设备号数量，也就是磁盘的分区数量，这些分区的主设备号一样，次设备号不同。

第 21 行，part_tbl 为磁盘对应的分区表，为结构体 disk_part_tbl 类型，disk_part_tbl 的核心是一个 hd_struct 结构体指针数组，此数组每一项都对应一个分区信息。

第 24 行，fops 为块设备操作集，为 block_device_operations 结构体类型。和字符设备操作集 file_operations 一样，是块设备驱动中的重点！

第 25 行，queue 为磁盘对应的请求队列，所以针对该磁盘设备的请求都放到此队列中，驱动程序需要处理此队列中的所有请求。

编写块的设备驱动的时候需要分配并初始化一个 gendisk，linux 内核提供了一组 gendisk 操作函数，我们来看一下一些常用的 API 函数。

1、申请 gendisk
使用 gendisk 之前要先申请，allo_disk 函数用于申请一个 gendisk，函数原型如下：

struct gendisk *alloc_disk(int minors)

函数参数和返回值含义如下：
minors：次设备号数量，也就是 gendisk 对应的分区数量。
返回值：成功：返回申请到的 gendisk，失败：NULL。

2、删除 gendisk
如果要删除 gendisk 的话可以使用函数 del_gendisk，函数原型如下：

void del_gendisk(struct gendisk *gp)

函数参数和返回值含义如下：
gp：要删除的 gendisk。
返回值：无。

3、将 gendisk 添加到内核
使用 alloc_disk 申请到 gendisk 以后系统还不能使用，必须使用 add_disk 函数将申请到的gendisk 添加到内核中，add_disk 函数原型如下：

void add_disk(struct gendisk *disk)

函数参数和返回值含义如下：
disk：要添加到内核的 gendisk。
返回值：无。

4、设置 gendisk 容量
每一个磁盘都有容量，所以在初始化 gendisk 的时候也需要设置其容量，使用函数set_capacity，函数原型如下：

void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size)

函数参数和返回值含义如下：
disk：要设置容量的 gendisk。
size：磁盘容量大小，注意这里是扇区数量。块设备中最小的可寻址单元是扇区，一个扇区一般是 512 字节，有些设备的物理扇区可能不是 512 字节。不管物理扇区是多少，内核和块设备驱动之间的扇区都是 512 字节。所以 set_capacity 函数设置的大小就是块设备实际容量除以
512 字节得到的扇区数量。比如一个 2MB 的磁盘，其扇区数量就是(210241024)/512=4096。
返回值：无。

5、调整 gendisk 引用计数
内核会通过 get_disk 和 put_disk 这两个函数来调整 gendisk 的引用计数，根据名字就可以知道，get_disk 是增加 gendisk 的引用计数，put_disk 是减少 gendisk 的引用计数，这两个函数原型如下所示：

truct kobject *get_disk(struct gendisk *disk)
void put_disk(struct gendisk *disk)

2.5、block_device_operations 结构体

和字符设备的 file _operations 一样，块设备也有操作集，为结构体 block_device_operations，此结构体定义在 include/linux/blkdev.h 中，结构体内容如下：

struct block_device_operations {int (*open) (struct block_device *, fmode_t);void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);int (*rw_page)(struct block_device *, sector_t, struct page *, int rw);		//用于读写指定的页int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);long (*direct_access)(struct block_device *, sector_t,void **, unsigned long *pfn, long size);unsigned int (*check_events) (struct gendisk *disk,unsigned int clearing);/* ->media_changed() is DEPRECATED, use ->check_events() instead */int (*media_changed) (struct gendisk *);void (*unlock_native_capacity) (struct gendisk *);int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);				//用于获取磁盘信息，包括磁头、柱面和扇区等信息。/* this callback is with swap_lock and sometimes page table lock held */void (*swap_slot_free_notify) (struct block_device *, unsigned long);struct module *owner;
};

2.6、块设备 I/O 请求过程

大家如果仔细观察的话会在 block_device_operations 结构体中并没有找到 read 和 write 这样的读写函数，那么块设备是怎么从物理块设备中读写数据？这里就引出了块设备驱动中非常重要的 request_queue、request 和 bio。

1、请求队列 request_queue

内核将对块设备的读写都发送到请求队列 request_queue 中，request_queue 中是大量的request(请求结构体)，而 request 又包含了 bio，bio 保存了读写相关数据，比如从块设备的哪个地址开始读取、读取的数据长度，读取到哪里，如果是写的话还包括要写入的数据等。

①、初始化请求队列

request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)

函数参数和返回值含义如下：
rfn：请求处理函数指针，每个 request_queue 都要有一个请求处理函数，请求处理函数request_fn_proc 原型如下：

void (request_fn_proc) (struct request_queue *q)

请求处理函数需要驱动编写人员自行实现。
lock：自旋锁指针，需要驱动编写人员定义一个自旋锁，然后传递进来。，请求队列会使用这个自旋锁。
返回值：如果为 NULL 的话表示失败，成功的话就返回申请到的 request_queue 地址。

②、删除请求队列

void blk_cleanup_queue(struct request_queue *q)

函数参数和返回值含义如下：
q：需要删除的请求队列。
返回值：无

③、分配请求队列并绑定制造请求函数

request_queue 申请函数 blk_alloc_queue，函数原型如下：

struct request_queue *blk_alloc_queue(gfp_t gfp_mask)

函数参数和返回值含义如下：
gfp_mask：内存分配掩码，具体可选择的掩码值请参考 include/linux/gfp.h 中的相关宏定义，一般为 GFP_KERNEL。
返回值：申请到的无 I/O 调度的 request_queue。

我们需要为 blk_alloc_queue 函数申请到的请求队列绑定一个“制造请求”函数(其他参考资料将其直接翻译为“制造请求”函数)。这里我们需要用到函数 blk_queue_make_request，函数原型如下：

void blk_queue_make_request(struct request_queue *q, make_request_fn *mfn)

函数参数和返回值含义如下：
q：需要绑定的请求队列，也就是 blk_alloc_queue 申请到的请求队列。
mfn：需要绑定的“制造”请求函数，函数原型如下：

void (make_request_fn) (struct request_queue *q, struct bio *bio)

“制造请求”函数需要驱动编写人员实现。
返回值：无。
一般 blk_alloc_queue 和 blk_queue_make_request 是搭配在一起使用的，用于那么非机械的存储设备、无需 I/O 调度器，比如 EMMC、SD 卡等。

2、请求 request

request 是一个结构体，request 里面有一个名为“bio”的成员变量，类型为 bio 结构体指针。前面说了，真正的数据就保存在 bio 里面，所以我们需要从 request_queue 中取出一个一个的 request，然后再从每个 request 里面取出 bio，最后根据 bio 的描述讲数据写入到块设备，或者从块设备中读取数据。

①、获取请求
我们需要从request_queue中依次获取每个request，使用blk_peek_request函数完成此操作，函数原型如下：

request *blk_peek_request(struct request_queue *q)

函数参数和返回值含义如下：
q：指定 request_queue。
返回值：request_queue 中下一个要处理的请求(request)，如果没有要处理的请求就返回
NULL。

②、开启请求
使用 blk_peek_request 函数获取到下一个要处理的请求以后就要开始处理这个请求，这里要用到 blk_start_request 函数，函数原型如下：

void blk_start_request(struct request *req)

函数参数和返回值含义如下：
req：要开始处理的请求。
返回值：无。

③、一步到位处理请求

我们也可以使用 blk_fetch_request 函数来一次性完成请求的获取和开启，blk_fetch_request函数很简单，内容如下：

struct request *blk_fetch_request(struct request_queue *q)
{struct request *rq;rq = blk_peek_request(q);if (rq)blk_start_request(rq);return rq;
}

可以看出，blk_fetch_request 就是直接调用了 blk_peek_request 和 blk_start_request 这两个函数。

④、其他和请求有关的函数
在这里插入图片描述
3、bio 结构

每个 request 里面里面会有多个 bio，bio 保存着最终要读写的数据、地址等信息。上层应用程序对于块设备的读写会被构造成一个或多个 bio 结构，bio 结构描述了要读写的起始扇区、要读写的扇区数量、是读取还是写入、页偏移、数据长度等等信息。上层会将 bio 提交给 I/O 调度器，I/O 调度器会将这些 bio 构造成 request 结构，而一个物理存储设备对应一个 request_queue，request_queue 里面顺序存放着一系列的 request。新产生的 bio 可能被合并到 request_queue 里现有的 request 中，也可能产生新的 request，然后插入到 request_queue 中合适的位置，这一切都是由 I/O 调度器来完成的。request_queue、request 和 bio 之间的关系如下图
在这里插入图片描述

二、使用请求队列实验

首先是传统的使用请求队列的时候，也就是针对机械硬盘的时候如何编写驱动。

我们先来一下一相关的宏定义和结构体，代码如下：

#include <linux/types.h>
......
#include <asm/io.h>#define RAMDISK_SIZE (2 * 1024 * 1024) /* 容量大小为 2MB */
#define RAMDISK_NAME "ramdisk" /* 名字 */
#define RADMISK_MINOR 3 /* 表示三个磁盘分区！不是次设备号为 3！ *//* ramdisk 设备结构体 */
struct ramdisk_dev{int major; /* 主设备号 */unsigned char *ramdiskbuf; /* ramdisk 内存空间,用于模拟块设备 */spinlock_t lock; /* 自旋锁 */struct gendisk *gendisk; /* gendisk */struct request_queue *queue;/* 请求队列 */
};struct ramdisk_dev ramdisk; /* ramdisk 设备 */

接下来看一下驱动模块的加载与卸载，内容如下：

static int __init ramdisk_init(void)
{int ret = 0;/* 1、申请用于 ramdisk 内存 */ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL);	//因为本实验是使用一块内存模拟真实的块设备，所以申请2m内存if(ramdisk.ramdiskbuf == NULL) {ret = -EINVAL;goto ram_fail;}/* 2、初始化自旋锁 */spin_lock_init(&ramdisk.lock);	//blk_init_queue 函数在分配并初始化请求队列的时候需要用到一次自旋锁。/* 3、注册块设备 */ramdisk.major = register_blkdev(0, RAMDISK_NAME); /* 自动分配 */if(ramdisk.major < 0) {goto register_blkdev_fail;} printk("ramdisk major = %d\r\n", ramdisk.major);/* 4、分配并初始化 gendisk */ramdisk.gendisk = alloc_disk(RADMISK_MINOR);if(!ramdisk.gendisk) {ret = -EINVAL;goto gendisk_alloc_fail;}/* 5、分配并初始化请求队列 */ramdisk.queue = blk_init_queue(ramdisk_request_fn,&ramdisk.lock);	//分配并初始化一个请求队列，请求处理函数为ramdisk_request_fn，具体的块设备读写操作就在此函数中完成，这个需要驱动开发人员去编写if(!ramdisk.queue) {ret = -EINVAL;goto blk_init_fail;}/* 6、添加(注册)disk */ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major; /* 主设备号 */ramdisk.gendisk->first_minor = 0; /*起始次设备号) */ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops; /* 操作函数 */	//ramdisk_fops，需要驱动开发人员自行编写实现ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk; /* 私有数据 */ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue; /* 请求队列 */sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, RAMDISK_NAME);/* 名字 */set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE/512); /* 设备容量(单位为扇区)*/add_disk(ramdisk.gendisk);return 0;blk_init_fail:put_disk(ramdisk.gendisk);gendisk_alloc_fail:unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);register_blkdev_fail:kfree(ramdisk.ramdiskbuf); /* 释放内存 */ram_fail:return ret;
}/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit ramdisk_exit(void)
{/* 释放 gendisk */del_gendisk(ramdisk.gendisk);put_disk(ramdisk.gendisk); /* 清除请求队列 */blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);/* 注销块设备 */unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);/* 释放内存 */kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
}module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hsd");

在 ramdisk_init 函数中设置了 gendisk 的 fops 成员变量，也就是块设备的操作集，具体内容如下：

int ramdisk_open(struct block_device *dev, fmode_t mode)
{printk("ramdisk open\r\n");return 0;
}void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
{printk("ramdisk release\r\n");
}int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev,struct hd_geometry *geo)
{/* 这是相对于机械硬盘的概念 */geo->heads = 2; /* 磁头 */ geo->cylinders = 32; /* 柱面 */geo->sectors = RAMDISK_SIZE / (2 * 32 *512); /* 磁道上的扇区数量 */return 0;
}static struct block_device_operations ramdisk_fops =
{.owner = THIS_MODULE,.open = ramdisk_open,.release = ramdisk_release,.getgeo = ramdisk_getgeo,
};

重点是 getgeo 函数，第getgeo 的具体实现，此函数用户获取磁盘信息，信息保存在参数 geo 中，为结构体 hd_geometry 类型，如下：

struct hd_geometry {unsigned char heads; /* 磁头 */unsigned char sectors; /*一个磁道上的扇区数量 */unsigned short cylinders; /* 柱面 */unsigned long start; 
};

本例程中设置 ramdisk 有 2 个磁头(head)、一共有 32 个柱面(cylinderr)。知道磁盘总容量、磁头数、柱面数以后我们就可以计算出一个磁道上有多少个扇区了，也就是 hd_geometry 中的sectors 成员变量。
最后就是非常重要的请求处理函数，使用 blk_init_queue 函数初始化队列的时候需要指定一个请求处理函数，本例程中注册的请求处理函数如下所示：

static void ramdisk_transfer(struct request *req)
{ unsigned long start = blk_rq_pos(req) << 9; /* blk_rq_pos 获取到的是扇区地址，左移 9 位转换为字节地址 */unsigned long len = blk_rq_cur_bytes(req); /* 大小 */void *buffer = bio_data(req->bio); if(rq_data_dir(req) == READ) /* 读数据 */memcpy(buffer, ramdisk.ramdiskbuf + start, len);else if(rq_data_dir(req) == WRITE) /* 写数据 */memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + start, buffer, len);}void ramdisk_request_fn(struct request_queue *q)
{int err = 0;struct request *req;/* 循环处理请求队列中的每个请求 */req = blk_fetch_request(q);while(req != NULL) {/* 针对请求做具体的传输处理 */ramdisk_transfer(req);/* 判断是否为最后一个请求，如果不是的话就获取下一个请求* 循环处理完请求队列中的所有请求。*/if (!__blk_end_request_cur(req, err))req = blk_fetch_request(q);}
}

三、不使用请求队列实验

ramdisk_init 函数大部分和上一个实验相同，只是本实验中改为使用blk_queue_make_request 函数设置“制造请求”函数，修改后的 ramdisk_init 函数内容如下(有省略)：

static int __init ramdisk_init(void)
{....../* 5、分配请求队列 */ramdisk.queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);if(!ramdisk.queue){ret = -EINVAL;goto blk_allo_fail;}/* 6、设置“制造请求”函数 */blk_queue_make_request(ramdisk.queue, ramdisk_make_request_fn);/* 7、添加(注册)disk */.......ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops; /* 操作函数 */......

接下来重点看一下“制造请求”函数 ramdisk_make_request_fn，函数内容如下：

void ramdisk_make_request_fn(struct request_queue *q,struct bio *bio)
{int offset;struct bio_vec bvec;struct bvec_iter iter;unsigned long len = 0;offset = (bio->bi_iter.bi_sector) << 9; /* 获取设备的偏移地址 */  //直接读取 bio 的 bi_iter 成员变量的 bi_sector 来获取要操作的设备地址(扇区)。/* 处理 bio 中的每个段 */bio_for_each_segment(bvec, bio, iter)	//循环获取 bio 中的每个段，然后对其每个段进行处理。{char *ptr = page_address(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset;//根据 bio_vec 中页地址以及偏移地址转换为真正的数据起始地址。len = bvec.bv_len;		//获取要出来的数据长度，也就是 bio_vec 的 bv_len 成员变量if(bio_data_dir(bio) == READ) /* 读数据 */memcpy(ptr, ramdisk.ramdiskbuf + offset, len);else if(bio_data_dir(bio) == WRITE) /* 写数据 */memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + offset, ptr, len);offset += len;}set_bit(BIO_UPTODATE, &bio->bi_flags);bio_endio(bio, 0);
}