scsi middle level驱动分析

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：

　　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：

　　

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　一个典型的scsi_host_template方法定义如下：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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：

　　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。