第6章设备驱动程序（3）

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)

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