块设备原理与操作

 

1.       块设备分层

VFS作用：屏蔽下层文件系统的差异，为上层提供统一接口。正是由于VFS的存在，所以可以把设备、内存、信息等一切都抽象成文件。不管底层是flash还是磁盘，接口都是一样的。

具体文件系统：不同的文件系统有不同的格式，如FAT、EXT3等。每种文件系统都有自己的操作集合。

Page Cache：引入cache的目的是提高访问性能。上层的访问请求通常不会是对齐的，而下层的驱动都是对齐的，每次操作最小都是按Sector进行读写。cache的作用是，不论上层读写是否只是几个字节，都会按sector来取，并存入Page Cache。如果两次的请求在同一个sector上，则第二次不会再调用底层驱动，而是直接靠Page  Cache中缓存的数据完成操作。

Generic Block Layer：接受上层发出的读写请求，并最终发送IO请求。

IO调度器：IO调度器不是必须的，作用是对IO请求进行重排，以提高磁盘访问效率。

Block Device Driver Layer：根据上层IO请求进行实际的设备读写。

Block Device Layer：具体的物理设备，定义了设备操作规范，如读写信号、时钟周期等。

  

2.       块设备读写原理

 

 

调用write或read时都会产生一个bio请求，bio中使用bvec表示buff，每个bvec指向一个page（4k）。

bio->bi_sector：起始扇区号

bio->bi_size：大小

bio->bi_rw：读写操作

从上述参数看，bio的操作粒度为一个sector（512Bytes），所以即使读写一个字节，也会读写一个sector。究其原因，块设备早期是为了操作磁盘设备，而磁盘设备最小粒度就是sector。同样道理，IO调度器的策略也是针对早期磁盘特性的，可以减少磁头的运动次数。现在的磁盘都支持线性读写，所以不适用IO调度器（或使用IO调度器中的NONE调度规则）效率更高一些。

bio的参数只要勇于块设备中的定位，用户buffer的信息则存储在bvec表中。

bvec->bv_page：buffer物理页号

bvec->bv_offset：业内偏移量

bvec->bv_len：数据长度

用户buffer来自用户空间，这块空间在用户空间是连续的，但在物理空间中不需要连续。内核用bvec数组表示一个bio请求中所需要buffer对应的物理page，每个bvec对应着一个物理page。这也决定了bv_offset加上bv_len不能超过一个page大小。

使用IO调度器时，为了方便，内核会申请一块连续的内核地址空间用于映射这块buffer，所以看起来buffer还是连续的，如果我们的块设备只是一块内存，则可以用memcpy直接实现数据传送。

如果我们不用IO调度器，则我们得到的只是一堆不连续的bvec，需要驱动来完成每个bvec的拷贝。每个bvec的处理过程如下：