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6.5 块设备操作

6.5.1 块设备的表示

6.5.2 数据结构

6.5.3 向系统添加磁盘和分区

6.5.4 打开块设备文件

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6.5 块设备操作

特点：

        随机访问任意位置。

        固定块大小的传输。

        块设备在内存进行缓存。

扇区（sector）：

        最小寻址单位。

        固定的硬件单位，常数，软件不可修改。

        常见大小：512B。

块（block）：

        长度：扇区的整数倍。软件可修改。

        用于在内核和设备之间传输，受内存页限制

        常见大小：512B，1024B，2048B，4096B。最大不超过页大小。

一个文件系统内有大块，也有小块。

        优点：处理不同大小文件时分别优化性能。

块设备层工作有：

        1. 寻址块设备。

        2. 预读算法，预读块设备到内存。

6.5.1 块设备的表示

块设备的请求队列管理，包括：

        1. 重排读写块请求。

        2. 在内存中缓存读写的内容。

struct         bdev_inode {         //关联块设备与inode

        struct block_device         bdev;                 块设备

        struct inode                     vfs_inode;         块设备的inode

};

struct block_device *bdget(dev_t dev)

        根据设备号找到对应块设备。

        dev_t -> inode -> struct bdev_inode -> struct block_device

每个块设备有一个请求队列。包含了：

        读写请求

        IO调度器 ：用于重排请求。

        特征数据：扇区，块长度。

上图中通用硬盘，用struct gendisk表示。

void add_disk(struct gendisk *disk);

        将通用硬盘添加到内核。

对块设备的读写请求不会立即执行，而是协同汇总一起发给设备。

所以块设备文件的file_operations没有实现读写函数。

6.5.2 数据结构

1. 块设备

一个flash或硬盘中有多个分区。

        如/dev/mtblockN， 或/dev/sdaN

struct gendisk：表示一个flash或硬盘。

struct block_device：每个分区有一个该结构的实例。

struct block_device {

        dev_t                    bd_dev;                 //设备号

        int                         bd_openers;         //打开该块设备的次数

        struct inode         *bd_inode;              //bdev伪文件系统中，该块设备的inode

        struct super_block        *bd_super;    //设备挂载的文件系统

        struct mutex                   bd_mutex;

        struct list_head              bd_inodes;

        struct block_device       *bd_contains;

        unsigned                        bd_block_size;

        struct hd_struct              *bd_part;         //该块设备上的某个分区

        unsigned                        bd_part_count;         //引用分区的次数

        int                                   bd_invalidated;

        struct gendisk                *bd_disk;         //块设备在通用磁盘层的表示。

        struct request_queue     *bd_queue;

        struct list_head               bd_list;         //连接系统所有可用的block_device

        unsigned long                 bd_private;         //私有数据

};

bd_invalidated：

        若为1，则该分区在内核中信息无效，因为磁盘分区已改变。

blkdev_open：

        打开块设备并独占使用。

2. 通用硬盘和分区

struct         gendisk {         //驱动层，表示一个已分区的硬盘。

        int                 major;                 //主设备号。

        int                 first_minor;         //第一从设备号。

        int                 minors;                 //从设备号总数。

                //每个分区有各自的从设备号。

        char                 disk_name[DISK_NAME_LEN];         // 驱动程序的名字

        char                 *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);

                //用于生成设备节点。创建设备文件时调用。

        unsigned short             events;                     //磁盘事件

        unsigned int                 async_events;         //异步的磁盘事件

        struct disk_part_tbl      *part_tbl;                  //分区表

        struct hd_struct            part0;

        struct block_device_operations         *fops;

        struct request_queue                         *queue;         //管理IO请求

        void                      *private_data;         //磁盘的私有数据

        int                         flags;                       //磁盘的特性或状态

        struct kobject        *slave_dir;

};

成员part0：

        不对应于磁盘上的实际分区，而是代表整个磁盘。允许以分区的方式对整个磁盘操作。

        起始扇区：

                part0的起始扇区为是 0，表示磁盘的第一个扇区。

        大小：

                part0 的大小等于整个磁盘的大小。

        操作：

                对part0的操作实际上是对整个磁盘的操作（如格式化）

每个分区都有一个struct hd_struct实例。

struct hd_struct {

        sector_t         start_sect;         //分区在磁盘的起始扇区。

        sector_t         nr_sects;         //该分配的总扇区数。

        struct kobject         *holder_dir;

};

struct gendisk *alloc_disk(int minors)；

        参数minors：从设备数目。

        作用：分配struct gendisk，包括每个分区的hd_struct指针。

void del_gendisk(struct gendisk *gp);

3. 几个结构体的联系

一个磁盘（struct gendisk）有多个分区。

        其中每个分区都有一个：

                struct         block_device（打开该分区设备文件时创建）

                struct         hd_struct

struct gendisk：一个磁盘。

struct hd_struct：磁盘中一个分区。

struct block_device：VFS层，打开一个分区的设备文件时创建该结构体实例。

struct hd_struct的kobject->parent指向struct gendisk的kobject。

4. 块设备操作

//不由VFS调用，而是被def_blk_fops调用

struct         block_device_operations {

        int         (*open) (struct block_device *, fmode_t);

        void      (*release) (struct gendisk *, fmode_t);

        int         (*media_changed) (struct gendisk *);

                //检查存储介质是否改变（磁盘是否被移除了）

        int         (*revalidate_disk) (struct gendisk *);

                //替换一个新存储介质时使用。

};

5. 请求队列

请求队列：包含对一个块设备的读写请求。

struct         gendisk {

        struct request_queue         *queue;

}

struct         block_device {

        struct request_queue         *bd_queue;

}

struct         request_queue {

        struct list_head         queue_head;

                //连接块设备的IO请求（struct request），内核会重排链表以提高性能。

        struct elevator_queue         *elevator;

        request_fn_proc                 *request_fn;

                //向队列添加新读写IO请求。

                //该函数需要驱动各自实现。

        make_request_fn                 *make_request_fn;

                //创建新请求。

        softirq_done_fn                   *softirq_done_fn;

                //异步处理IO请求时，用于通知请求已处理完毕。

        struct request_list                 rq;                       //request实例的缓存

        unsigned long                      nr_requests         //队列可管理的请求最大数目

        unsigned long                      queue_flags;        //队列标志

}

struct request_queue *blk_init_queue_node(request_fn_proc *rfn,

spinlock_t *lock, int node_id)

        作用：生成一个标准的请求队列。

6.5.3 向系统添加磁盘和分区

1. 添加分区

struct hd_struct    *add_partition(struct gendisk   *disk,    int partno,

sector_t   start,    sector_t    len,    int    flags, ,)

        作用：向通用硬盘（struct gendisk）添加一个新分区。

        内容：

                1. 分配struct hd_struct实例。并初始化分区信息。

                2. 设置p->kobj，然后kobject_add();

2. 添加硬盘

void   add_disk(struct gendisk    *disk)：

        作用：向系统添加通用硬盘。

6.5.4 打开块设备文件

创建块设备的设备文件时（mknod），调用init_special_inode函数。

void    init_special_inode(struct inode    *inode,    umode_t    mode,    dev_t   rdev)

{

        inode->i_mode    =    mode;

        if (S_ISBLK(mode)) {

                inode->i_fop    =    &def_blk_fops;

        }

}

struct file_operations         def_blk_fops     =    {

        .open     =     blkdev_open,

};

所以打开块设备的设备文件时：

        VFS将调用blkdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)