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2013-01-07 16:38:58

原文地址:scsi middle level驱动分析 作者:suojianpku

1、写在前面

  去年有一段时间对 middle level层进行了分析,形成了零零散散的文档。今天抽空对scsi middle level层驱动进行总结,希望对大家在理解scsi以及驱动机制方面有所帮助。另外,scsi middle level比较庞大,所以很多细节部分的内容会在后继的blog中给出。

  另外,大家可以广泛交流,我的mail:

  2、scsi驱动体系结构

  2.1 认识Linux中的scsi middle level驱动层文件

  Scsi middle level驱动相关的文件列表如下:

Scsi middle level驱动相关的文件列表

  2.2 scsi驱动在内核中的位置

  scsi驱动的核心为总线层驱动,在总线层驱动之上为各种不同的scsi设备驱动,在总线层驱动之下为scsi host驱动。其在内核中的位置如下图所示:

  

内核中的位置

  2.3 Linux中scsi驱动框架

  在Linux中scsi驱动基本分为三大层:top level,middle level以及lower level。top level为具体的scsi设备驱动,例如我们常用的磁盘设备驱动就在该层(Linux中的实现为sd.c),scsi disk的驱动向上表现为块设备,因此,具有块设备的接口及一切属性,向下表现scsi设备,因为scsi disk基于scsi总线进行数据通信。top level驱动与具体的scsi设备相关,所以该类驱动往往由设备开发者提供,但是如果scsi设备为标准类设备,那么驱动可以通用。middle level实际上就是scsi总线层驱动,按照scsi协议进行设备枚举、数据传输、出错处理。middle level层的驱动与scsi specification相关,在一类操作系统平台上只需实现一次,所以该类驱动往往由操作系统开发者提供。lower level为scsi控制器的驱动,该驱动与具体的硬件适配器相关,其需要与scsi middle level层进行接口,所以往往由提供适配器的硬件厂商完成驱动开发,只有硬件厂商才对自己定义的register file(寄存器堆)最清楚。当然,在lower level层可以做虚拟的scsi host,所以该层的驱动也不一定对硬件进行操作。

  Linux中,scsi三层驱动模型如下图所示:

scsi三层驱动模型

  三层驱动模型进行了完善的功能划分,并且定义了很好的接口,便于不同开发者提供的产品能够无缝集成。本文将重点讨论操作系统提供的scsi middle level驱动的实现机制及功能接口。

  3、scsi middle level层重要数据结构

  3.1 scsi device的抽象

  在scsi middle level定义了scsi device的数据结构,用于描述一个scsi的具体功能单元,其在scsi host中通过channel、id、lun进行寻址。

  在scsi host中可以存在多个channel,每个channel是一条完整的scsi总线,在scsi总线上可以连接多个scsi节点,每个节点采用id进行编号,编号的大小与具体的scsi specification相关,与总线层的驱动能力等因素相关。每个节点可以根据功能划分成多个lun,每个lun才是我们通常所说的scsi设备。这种逻辑可以采用如下的总线拓扑结构描述:

总线拓扑结构

  通过上述描述可以知道scsi_device是对lun的抽象。下面对scsi_device中的重要域进行说明:

对scsi

  在scsi总线probe的过程中,scsi middle level会为每个lun抽象成scsi device,实现的核心函数为scsi_probe_and_add_lun()。

  3.2 scsi host的抽象

  scsi host的语义很清晰,其描述了一个scsi总线控制器。在很多实际的系统中,scsi host为一块基于PCI总线的HBA或者为一个SCSI控制器芯片。每个scsi host可以存在多个channel,一个channel实际扩展了一条SCSI总线。每个channel可以连接多个scsi节点,具体连接的数量与scsi总线带载能力有关。scsi host的重要域描述如下:

scsi host的重要域描述

  3.3 scsi target的抽象

  scsi target对scsi总线上的scsi node进行了抽象。每个scsi target可能拥有多个lun,即多个scsi devie。scsi target数据结构中的重要域定义如下:

scsi target数据结构中的重要域定义

  3.4 low-level接口方法——_host_template

  scsi middle level通过scsi_host_template接口调用scsi host的具体方法。在scsi host driver向middle level注册host对象的同时需要注册scsi_host_template方法,该方法被注册到scsi host对象中。

  scsi_host_template数据结构中的重要域说明如下:

scsi

  一个典型的scsi_host_template方法定义如下:

一个典型的scsi

  4、关键函数分析

  4.1 scsi_scan_host函数

  scsi middle level层提供了scsi host扫描函数,在设备枚举过程中scsi host可以调用该函数对scsi总线适配器进行扫描,当然host也可以调用更加底层的函数对scsi总线进行扫描。scsi_scsn_host函数实现流程如下:

scsi

  4.2 scsi_request_fn函数

  scsi_request_fn函数为scsi设备请求队列处理函数,该函数通常被注册到request_queue->request_fn上。块设备请求的bio最终会merge到request queue中,然后通过unplug_fn函数调用request_queue->request_fn,实现scsi_reuqest_fn函数的调用。

  Scsi_request_fn函数实现了请求队列的处理,首先从请求队列中摘取一个request,然后通过q->prep_rq_fn函数将请求转换成scsi命令,并且对scsi command进行初始化,最后通过scsi_dispatch_cmd函数将scsi命令分发给底层的scsi host驱动。

  在scsi_request_fn函数的实现过程中,需要通过块设备发下来的请求构造相应的scsi命令,而scsi命令的生成与具体的设备驱动相关,其需要调用设备驱动提供的scsi命令初始化函数*_init_command完成命令初始化过程。假设请求发送给scsi disk设备,那么在各层之间的函数调用关系如下图所示:

在各层之间的函数调用关系

  从前面分析可以看出,请求队列queue是top level与middle level之间的纽带。上层请求会在请求队列中维护,处理函数的方法由上下各层提供。在请求队列的处理过程中,将普通的块设备请求转换成标准的scsi命令,然后再通过middle level与low level之间的接口将请求递交给scsi host。

  4.3 scsi_dispatch_cmd函数

  scsi_dispatch_cmd函数将一个scsi命令提交给底层scsi host驱动。在命令dispatch的过程中,middle level会检查scsi host是否出于busy状态,是否还有空间存放新的scsi command。如果所有条件都满足,那么会调用上下层之间的接口函数queuecommand函数转发请求。

  Queuecomand函数的实现由scsi host driver完成。通常该函数的实现很简单,只需要将传下来的scsi命令挂载到host的scsi命令队列中。由于queuecommand函数在持有spinlock的上下文中运行,所以不宜做过多复杂的操作,否则很容易导致程序睡眠,从而使程序运行不稳定。

  5、scsi设备扫描过程描述

  在计算机系统启动过程中,操作系统会扫描默认的PCI根节点,从而触发了PCI设备扫描的过程,开始构建PCI设备树。

  scsi host作为PCI设备会被PCI总线驱动层扫描到(PCI设备的扫描采用配置信息读取的方式),扫描到scsi host之后,操作系统开始加载scsi host的驱动,scsi host driver就是上面说所的low level driver。scsi host driver初始化scsi控制器,通过PCI配置空间的信息分配硬件资源,注册中断服务。最后开始扫描通过scsi控制器扩展出来的下一级总线——scsi bus。

  scsi bus的扫描通过scsi middle level提供的服务完成。scsi host driver可以调用scsi middle level提供的扫描算法完成scsi总线设备的扫描,扫描过程可以描述如下:

扫描过程

  在scsi总线扫描过程中用到了scsi middle level层的如下重要函数:

  1、scsi_scan_host:对scsi host设备进行扫描。

  2、_ __add_device:探测具体的device,并且将其加入系统。

  3、scsi_probe_and_add_lun:探测具体指定的lun,并且将其加入系统。

  4、scsi_probe_lun:采用INQUIRY命令对lun节点进行探测。

  5、scsi_add_lun:加入lun节点并且初始化SCSI设备。

  scsi总线scan过程中的函数调用情况如下图所示:

scsi总线scan过程中的函数调用情况

  6、 scsi设备读写过程

  在此给出一个scsi设备的读写数据流程,通过该例子,读者可以方便查找源代码,并且能够理清繁杂的代码结构。假设读写的scsi设备为scsi disk设备,数据首先通过文件系统,进入到文件系统的Cache。文件系统的pdflush daemon会将Cache住的数据刷新到磁盘,其根据buffer head的内容构造bio,然后调用块设备接口(submit_bio)将请求发送给块设备层。bio在块设备层多次转发,最后被merge到块设备的请求队列中。请求可能会在请求队列滞留一段时间,然后在软中断或者用户上下文中调用request_fn去处理请求队列。在scsi middle level层,块设备的请求被转换成scsi command,然后通过queuecommand函数接口将scsi command提交给scsi host,通常scsi host会发起DMA操作将数据传输给具体的设备。至此,数据从应用程序转移到了scsi设备,当然上述过程还没有涉及到回调过程,实际的回调会在中断上下文、软中断上下文中完成,在请求发送的每一层都保存了相应的回调上下文。整个数据流的过程中,涉及到的函数如下:

涉及到的函数

  7、scsi middle level层驱动设计思想总结

  scsi middle level还有很多实现细节没有探讨,很多细节性的问题会在后继的blog中给出,这里只是给出了scsi middle level的框架性东西,意在对scsi总线层有个提纲挈领的效果。在分析scsi middle level的过程中,有如下几点感想:

  1、  scsi驱动采用了规范的分层设计思想,其一共分为三层,分层之后使得设计分工更加明确,而且在逻辑上也更加清晰,设计工作也更加简单。

  2、  scsi驱动中比较固定的层次为scsi middle level,该层可以称之为scsi通用中间层,或者为总线驱动层。该层向上和向下都需要提供接口,所以上层驱动开发时需要注册相关接口函数,下层驱动工作时也需要注册接口函数,只有这样中间层才可以很灵活的进行上下层数据传输。

  scsi middle level主要实现了scsi总线扫描算法,scsi命令转换算法,scsi出错处理等机制,这些东西都是scsi的核心所在。

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