通用块设备驱动程序框架分析

1 引言

    驱动程序可发分为三大类型：字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络设备驱动程序。块设备和字符设备驱动在IO操作方面的区别还包括：（1）块设备驱动程序特点是通常以块（Sector）为单位的IO操作如Flash、磁盘等存储介质，而字符设备则大多数以字节为单位。（2）字符设备只能被顺序读定，而块设备可以随机访问。（3）块设备相对于IO请求有对应的缓冲区，而且缓冲区的数据到具体设备上并非实时的，（一个非常经典的例子是在安全删除U盘时，有时需要等待很长一段时间，这时间就是将缓冲区的数据刷新到实际设备上）。这样做的原因一是因为块设备的读写量较大，而且访问是随机的，所以如果不经过缓冲，然后优化读写，会降低读写效率。例如，在一秒内应用程序先后访问“磁盘1柱面0上的扇区1”、“磁盘0柱面0上的扇区3”和“磁盘1柱面0上的扇区2”，如果不进行优化，那么显然磁头需要来回跳转，效率不高，如果将操作3和操作2进行调整，可以显著提高效率。所以对于块设备的读写，需要设置缓冲区，进行优化。

2 块设备驱动的结构层次

    如图所示，本文主要讲解通用的块设备驱动，不局限在各种存储子系统的细分下，换而言之，实现一个”XXX存储子系统”，提供和使用与块IO调度层和硬件层的接口实现方法。

    应用程序：即调用open(“1.txt”)；

    虚拟文件系统：根据设备名称寻找到对应的驱动函数；它能够识别出，是字符设备文件、块设备文件还是普通文件，进而调用不同的处理函数。

    文件系统：将对文件的读写转换成对硬件设备扇区的读写；

    块IO调度层：即实现各种调度算法的层次，主要实现的代码集中在ll_rw_block.c。主要功能是维护队列和提供优化缓存的算法。为下层具体的硬件存储子系统，提供队列接口函数。上层应用程序经过文件系统转换为对应扇区的读写操作请求，这些操作内核描述为一个bio，由上可知，经过调度算法后，不一定立即对硬件设备读写，而是将请求缓存，即而组成一个队列。所以队列是经过调度算法优化的读写操作请求集合。

    各种存储设备子系统层：即针对各种设备都有自己的框架，例如mtd的存储子系统，抽象出来了一套自己的框架，虽然也向上块IO调度层提供了队列处理函数，但实际读写硬件设备是在自己的队列处理函数实现。[Linux内核的开发维护者总是千方百计地提供一系列标准框架，简化硬件芯片驱动需要做的工作，个人感觉驱动开发其实并不是特别难的事，难的是制定框架的工作]

3 主要接口

3.1 int register_blkdev(unsignedint major, const char *name)

 

3.2 request_queue_t * blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)

    向“块IO调度层”提供队列的处理函数。注意以下几点

    （1）无论是何种硬件制定的子系统驱动框架，都需要向上层-块IO调度层（ll_rw_block.c）提供该处理函数。

    （2）该函数的调用并不能由驱动自己调用，只有当内核认为是时候让驱动处理对设备的读写操作时，它才调用这个函数。

    （3）该函数的主要工作就是发起与request对应的块设备IO动作（但是具体的IO工作不一定要在该函数内同步完成）例如mmc或者mtd子系统中的该函数实现都不是直接操作IO，而是唤醒操作IO的线程处理函数。

 

3.3 struct gendisk *alloc_disk(int minors) 和voidadd_disk(struct gendisk *disk) 的gendisk处理函数

Gendisk 通用结构体表示独立的磁盘设备（或分区），“3.2”中申请的队列也属于其成员。

 

3.3 struct request *elv_next_request(request_queue_t *q)

从队列中取出需要操作的队列

 

3.4 void end_request(structrequest *req, int uptodate)

当处理完一个队列后，需要提交，告知内核已经完成操作该队列。

 

4 主要操作流程

4.1 初始化部分

（1）申请一个gendisk结构体，以及初始化一个读写队列（申请）；

（2）设置gendisk结构体还有其它属性（设置）；

（3）注册块设备以及gendisk（注册）；

4.2 读写队列处理函数

（1）取出一个队列；

（2）执行相应的读写操作；

（3）报告完成；

5 示例代码

    内存虚拟一块存储空间作为块设备。（来自其它博客，但已经验证过）。

 

#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 */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);  //1. 循环取出队列while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) {                 //2. 操作队列/* 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);}//3 报告完成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 */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");

 

参考文献：

[1] 《Linux设备驱动开发详解》-宋宝华