Linux內(nèi)核中的塊設(shè)備驅(qū)動
在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，塊設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核中一個重要的組成部分，它用于管理硬盤、閃存等存儲設(shè)備。Linux內(nèi)核是一個開源、自由的操作系統(tǒng)內(nèi)核，驅(qū)動程序源代碼公開可用，可以幫助開發(fā)人員更好地了解Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動的工作原理。
一、塊設(shè)備驅(qū)動程序的基礎(chǔ)概念
1、塊設(shè)備驅(qū)動程序的作用
塊設(shè)備驅(qū)動程序是一種負責管理塊設(shè)備(如硬盤、NVMe快閃存儲器等)的軟件組件，它負責實現(xiàn)塊設(shè)備的讀寫操作、磁盤緩存的管理等。塊設(shè)備驅(qū)動程序使得操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種應(yīng)用程序都可以通過標準的接口訪問塊設(shè)備。
2、Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動程序中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在Linux內(nèi)核中，塊設(shè)備驅(qū)動程序主要包含以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
（1）bio
I/O操作描述符(I/O descriptor，簡稱bio)是Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動程序中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它描述了一個塊設(shè)備操作的所有細節(jié)和參數(shù)，包括讀寫操作的塊數(shù)、讀寫的數(shù)據(jù)指針、物理地址、緩沖區(qū)大小、操作類型等。bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性在于它是向塊設(shè)備發(fā)送I/O操作的載體。
（2）request_queue
request_queue是塊設(shè)備驅(qū)動程序中的另一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它管理著一組bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。request_queue中可以管理多個bio請求，并且可以高效地組織和處理這些請求。當一個新的I/O請求到來時，request_queue會將其和之前未完成的請求進行合并，以提高I/O操作的效率。
（3）gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)
gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)是Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動程序的子結(jié)構(gòu)之一，它是塊設(shè)備驅(qū)動程序和塊設(shè)備層之間的接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個塊設(shè)備(如硬盤、固態(tài)硬盤等)都對應(yīng)著一個gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)，以便于被塊設(shè)備驅(qū)動程序和塊設(shè)備層管理和訪問。gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)中包括了塊設(shè)備的主要屬性，例如塊大小、可訪問的扇區(qū)數(shù)、分區(qū)信息、分塊信息等。
3、Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作流程
Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作流程如下：
（1）初始化塊設(shè)備驅(qū)動程序
在Linux內(nèi)核中，塊設(shè)備驅(qū)動程序的初始化通常是在模塊加載時完成的(即init函數(shù)中完成初始化)。塊設(shè)備驅(qū)動程序的初始化包括注冊塊設(shè)備驅(qū)動程序、創(chuàng)建gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)以及建立request_queue等。
（2）接受并處理I/O請求
塊設(shè)備驅(qū)動程序通常是被塊設(shè)備層調(diào)用的，以提供塊設(shè)備的讀寫服務(wù)，塊設(shè)備層會將I/O請求通過request_queue發(fā)送給塊設(shè)備驅(qū)動程序，塊設(shè)備驅(qū)動程序會在這里接收到并處理I/O請求。
（3）處理I/O請求
塊設(shè)備驅(qū)動程序主要實現(xiàn)I/O請求的處理，其處理流程通常包括以下幾個步驟：
- 將待處理的I/O請求從request_queue中取出。
- 將請求轉(zhuǎn)化為通用的bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
- 將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到硬件設(shè)備的操作隊列中。
- 等待硬件設(shè)備完成I/O請求。
- 在I/O請求完成后，將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從硬件設(shè)備的操作隊列中移除，并修改I/O請求的狀態(tài)。
（4）釋放塊設(shè)備驅(qū)動程序資源
在Linux內(nèi)核中，塊設(shè)備驅(qū)動程序資源的釋放實際上是由模塊卸載時完成的(即exit函數(shù)中完成資源釋放)。在資源釋放時，塊設(shè)備驅(qū)動程序需要注銷注冊設(shè)備、刪除gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)以及銷毀request_queue等。
二、塊設(shè)備驅(qū)動程序源代碼分析
1、塊設(shè)備驅(qū)動程序的編寫
Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動程序涉及到很多I/O操作，因此需要仔細編寫。下面分別簡要介紹塊設(shè)備驅(qū)動程序的讀、寫和I/O請求處理函數(shù)的編寫方法。
（1）塊設(shè)備驅(qū)動程序的讀函數(shù)編寫
塊設(shè)備驅(qū)動程序的讀函數(shù)(read函數(shù))通常是異步的，即它不會等待傳輸完成。當執(zhí)行一個讀請求時，驅(qū)動程序中的read函數(shù)會創(chuàng)建一個讀取請求，并將其添加到request_queue隊列中等待處理。一旦請求被添加到request_queue中，驅(qū)動程序就會返回給調(diào)用者一個代表讀請求正在處理的值。
（2）塊設(shè)備驅(qū)動程序的寫函數(shù)編寫
塊設(shè)備驅(qū)動程序的寫函數(shù)(write函數(shù))與讀函數(shù)類似，也是異步的，與讀函數(shù)不同的是它需要等待寫操作完成。當執(zhí)行一個寫請求時，驅(qū)動程序中的write函數(shù)會創(chuàng)建一個寫請求，并將其添加到request_queue隊列中等待處理。一旦請求被添加到request_queue中，驅(qū)動程序就會等待寫操作完成后將控制權(quán)限返回給調(diào)用者。
（3）塊設(shè)備驅(qū)動程序的I/O請求處理函數(shù)編寫
塊設(shè)備驅(qū)動程序中最重要的函數(shù)是I/O請求處理函數(shù)，它被用來接收和處理所有接收到的I/O請求。當新的I/O請求到來時，塊設(shè)備層會將請求通過request_queue發(fā)送給塊設(shè)備驅(qū)動程序中的I/O請求處理函數(shù)進行處理。
I/O請求處理函數(shù)主要包括以下幾個步驟：
- 判斷請求類型，并將其應(yīng)用到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
- 將請求轉(zhuǎn)化為通用的bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
- 將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到硬件設(shè)備的操作隊列中。
- 等待硬件設(shè)備完成I/O請求。
- 在I/O請求完成后，將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從硬件設(shè)備的操作隊列中移除，并修改I/O請求的狀態(tài)。
2、塊設(shè)備驅(qū)動程序源代碼
下面為讀者介紹Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動程序的一個例子(內(nèi)核版本為4.19.0)，該程序負責管理SATA磁盤設(shè)備的讀寫操作。
（1）塊設(shè)備驅(qū)動程序的頭文件
#include
#include
#include
#include（2）塊設(shè)備驅(qū)動程序的聲明
/* Major number */
static int dev_major = 0;
/* Number of volumes to manage */
static int volumes_count = 3;
/* Default block size for devices (2^logical) */
static int block_size = 512;
/* Sector size of the devices */
static int sector_size = 512;
static int mydrv_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode);
static void mydrv_release(struct gendisk *gd, fmode_t mode);
static int mydrv_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
unsigned int cmd, unsigned long arg);
static int mydrv_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo);
static struct block_device_operations mydrv_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = mydrv_open,
.release = mydrv_release,
.ioctl = mydrv_ioctl,
.getgeo = mydrv_getgeo,
};
static struct request_queue *mydrv_queue = NULL;
/* Function to handle requests */
static void mydrv_request(struct request_queue *q);（3）塊設(shè)備驅(qū)動程序的模塊加載及卸載函數(shù)
/* Module initialization */
static int __init mydrv_init(void)
{
int ret = -1;
struct gendisk *disk = NULL;
/* Register block device */
dev_major = register_blkdev(dev_major, "mydrv");
if (dev_major <= 0) {
pr_err("mydrv: block device registration failed\n");
goto err_reg;
}
/* Create request queue */
mydrv_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (!mydrv_queue) {
pr_err("mydrv: request queue creation failed\n");
goto err_queue;
}
/* Set request function */
blk_queue_make_request(mydrv_queue, mydrv_request);
/* Initialize volumes */
if (!init_volumes(&mydrv_queue, &disk)) {
pr_err("mydrv: volume initialization failed\n");
goto err_vols;
}
/* Create block device */
if (!add_disk(disk)) { pr_err("mydrv: disk registration failed\n");
goto err_disk;
}
/* Set block device operations */
disk->fops = &mydrv_ops;
/* Success */
return 0;
/* Error handling */
err_disk:
if (disk) {
del_gendisk(disk);
put_disk(disk);
}
err_vols:
blk_cleanup_queue(mydrv_queue);
err_queue:
unregister_blkdev(dev_major, "mydrv");
err_reg:
return ret;
}
/* Module exit */
static void __exit mydrv_exit(void)
{
unregister_blkdev(dev_major, "mydrv");
blk_cleanup_queue(mydrv_queue);
cleanup_volumes();
}（4）塊設(shè)備驅(qū)動程序的操作函數(shù)
及請求處理函數(shù)。
```c
/* Open operation */
static int mydrv_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode)
{
return 0;
}
/* Release operation */
static void mydrv_release(struct gendisk *gd, fmode_t mode)
{
}
/* Control operation */
static int mydrv_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
return -ENOTTY;
}
/* Geometry function */
static int mydrv_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo)
{
struct mydrv_volume *vol = NULL;
int ret = -1;
/* Get volume information */
vol = bdev->bd_disk->private_data;
if (!vol) {
pr_err("mydrv: invalid volume information\n");
goto out;
}
/* Set geometry */
geo->heads = vol->heads;
geo->sectors = vol->sectors;
geo->cylinders = vol->cylinders;
ret = 0;
out:
return ret;
}
/* Request function */
static void mydrv_request(struct request_queue *q)
{
struct request *req = NULL;
struct bio *bio = NULL;
struct mydrv_volume *vol = NULL;
/* Process all requests in the queue */
while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {
/* Check request type */
if (req->cmd_type != REQ_TYPE_FS) {
pr_err("mydrv: wrong request type\n");
__blk_end_request_all(req, -EIO);
continue;
}
/* Process all bio requests */
__rq_for_each_bio(bio, req) {
/* Get volume */
vol = bio->bi_bdev->bd_disk->private_data;
if (!vol) {
pr_err("mydrv: invalid volume information\n");
__blk_end_request_all(req, -EIO);
continue;
}
/* Process bio request */
switch (bio_rw(bio)) {
case READ:
mydrv_read(vol, bio);
break;
case WRITE:
mydrv_write(vol, bio);
break;
default:
pr_err("mydrv: wrong I/O operation\n");
__blk_end_request_all(req, -EIO);
break;
}
}
/* End request */
__blk_end_request_all(req, 0);
}
}三、總結(jié)
塊設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核中非常重要的組件之一，它負責處理塊設(shè)備的讀寫操作，為操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種應(yīng)用程序提供標準接口。在塊設(shè)備驅(qū)動程序的編寫過程中，需要仔細處理讀、寫和I/O請求處理函數(shù)的實現(xiàn)，以實現(xiàn)塊設(shè)備的最佳操作效率。
希望大家通過閱讀本文，了解和掌握塊設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理，進一步提高對Linux內(nèi)核的理解和認知。
