分类： LINUX
2015-09-11 11:48:12
原文地址：linux块设备分析与使用 作者：creatorwu
linux块设备分析与使用
creator
sz111@126.com
本篇文章力求简单明了的解释Linux的块设备驱动，让大家对它少些畏惧，快速的开发一个块设备。分析完这篇之后，下一步就是分析MMC卡的驱动，争取分析之后可以达到优化读卡速度的目的。Linux的块设备看似比较复杂，其实梳理一下并不难，有如下两点：
1.对请求的响应。request。（如果使用请求队列）
2.制造请求。make_request.（不使用请求队列）
request是采用一定的算法组合了请求以提高性能，这个时候算法组合就是系统默认的make_request函数，函数名为__mak_request,而如果不采用请求组合的时候，就可以自定义make_request函数。因为内核中这个函数是个函数指针，可以改变的。有些时候不需要组合的方式，如SD卡和RAMDISK。
以上两个方式都不能由驱动自己调用，只有当内核认为是时候让驱动处理对设备的读写等操作,它才会调用这个函数。
基本上块设备就是对以上两种方式选择一个，然后对其进行处理。所有的块设备驱动都是围绕这个部分展开。期间有很多数据结构需要我们特别注意。
我们先使用请求队列对请求进行响应，等于是采用默认的make_request函数，采用Linux默认的队列优先级算法。对这个方法进行分析展开。
原型为void request(request_queue_t *queue)
主要依靠这个函数对请求进行响应，并且所有的请求最终都被驱动处理。这个函数是被内核来调用。每个设备都有一个请求队列。Request函数会在设备的请求队列生成的时候和队列绑定在一起。通过函数
request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
生成一个请求队列。其中rfn函数就是我们用户自己的request函数。生成的这个队列会放到gendisk结构里面，gendisk是来表示一个独立的磁盘设备或分区。下面我们对request函数实例进行分析。
static void sbull_request(request_queue_t *q)
{
struct request *req;
while((req = elv_next_request(q)) != NULL){
sbull_transfer(dev,req->sector,req->current_nr_sectors,
req->buffer,rq_data_dir(req);
end_request(req,1);
}
}
这里面先从队列取得第一个未完成的请求（request结构），取得req是采用elv_next_request函数，为何采用这个函数呢？上面我们讲了，如果我们没有设定make_request函数的时候，就采用默认的make_request函数，elv_next_request是一个函数指针。目前Linux采用的是电梯调度程序程序，所以如果取得下一个未完成的请求就要采用电梯调度程序中的函数。当然，如果更换了调度程序，就不能采用这个函数了。
end_request(req,1)表示对req的响应成功。
void end_request(struct request *req, int uptodate)
{
if (!end_that_request_first(req, uptodate, req->hard_cur_sectors)) {
add_disk_randomness(req->rq_disk);
blkdev_dequeue_request(req);//从队列里面删除请求。
end_that_request_last(req);
}
}
end_that_request_first：驱动程序从前一次结束的地方开始，完成了规定数目的扇区的传输。如果成功，返回0.表示该请求执行完毕。这时候必须用blkdev_dequeue_request(req) 从队列里面删除请求，并把其传输给end_that_request_last(req);通知任何等待已经晚上请求的对象，并重复利用该request结构。
我们对request结构主要关心3个成员变量。
sector_t sector;
开始扇区索引号。特别注意的是，指的是512字节的扇区，如果硬件上2048的话，把其放入请求中的时候，要将它除以4
unsigned long nr_sectors
需要传输的扇区（512字节）数。
unsigned int current_nr_sectors
当前需要传输的扇区（512字节）数
另外一个重要的就是struct bio *bio;
bio 是给这个请求的 bio 结构的链表. 你不应当直接存取这个成员; 使用
rq_for_each_bio(后面描述) 代替.
具体的关于IO操作的东西都在bio里面。
刚才我分析的是采用请求队列的方式，现在我们分析不使用请求队列的方式。为使用这个模式, 你的驱动必须提供一个"制作请求"函数, 而不是一个请求函数. make_request 函数有这个原型:
typedef int (make_request_fn) (request_queue_t *q, struct bio *bio);
注意一个请求队列仍然存在, 即便它从不会真正有任何请求. make_request 函数用一个 bio 结构作为它的主要参数, 这个 bio 结构表示一个或多个要传送的缓冲. make_request 函数做 2 个事情之一: 它可或者直接进行传输, 或者重定向这个请求到另一个设备.
直接进行传送只是使用我们前面描述的存取者方法来完成这个 bio. 因为没有使用请求结构, 但是, 你的函数应当通知这个 bio 结构的创建者直接指出完成, 使用对 bio_endio 的调用:
void bio_endio(struct bio *bio, unsigned int bytes, int error);
这里, bytes 是你至今已经传送的字节数. 它可小于由这个 bio 整体所代表的字节数; 在这个方式中, 你可指示部分完成, 并且更新在 bio 中的内部的"当前缓冲"指针. 你应当再次调用 bio_endio 在你的设备进行进一步处理时, 或者当你不能完成这个请求指出一个错误. 错误是通过提供一个非零值给 error 参数来指示的; 这个值通常是一个错误码, 例如 -EIO. make_request 应当返回 0, 不管这个 I/O 是否成功.
如果 sbull 用 request_mode=2 加载, 它操作一个 make_request 函数. 因为 sbull 已经有一个函数看传送单个 bio, 这个 make_request 函数简单:
static int sbull_make_request(request_queue_t *q, struct bio *bio){ struct sbull_dev *dev = q->queuedata; int status; status = sbull_xfer_bio(dev, bio); bio_endio(bio, bio->bi_size, status); return 0;}
请注意你应当从不调用 bio_endio 从一个通常的请求函数; 那个工作由 end_that_request_first 代替来处理.
一些块驱动, 例如那些实现卷管理者和软件 RAID 阵列的, 真正需要重定向请求到另一个设备来处理真正的 I/O. 编写这样的一个驱动超出了本书的范围. 我们, 但是, 注意如果 make_request 函数返回一个非零值, bio 被再次提交. 一个"堆叠"驱动, 可, 因此, 修改 bi_bdev 成员来指向一个不同的设备, 改变起始扇区值, 接着返回; 块系统接着传递 bio 到新设备. 还有一个 bio_split 调用来划分一个 bio 到多个块以提交给多个设备. 尽管如果队列参数被之前设置, 划分一个 bio 几乎从不需要.
任何一个方式, 你都必须告知块子系统, 你的驱动在使用一个自定义的 make_request 函数. 为此, 你必须分配一个请求队列, 使用:
request_queue_t *blk_alloc_queue(int flags);
这个函数不同于 blk_init_queue, 它不真正建立队列来持有请求. flags 参数是一组分配标志被用来为队列分配内存; 常常地正确值是 GFP_KERNEL. 一旦你有一个队列, 传递它和你的 make_request 函数到 blk_queue_make_request:
void blk_queue_make_request(request_queue_t *queue, make_request_fn *func);
sbull 代码来设置 make_request 函数, 象:
dev->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);if (dev->queue == NULL) goto out_vfree;blk_queue_make_request(dev->queue, sbull_make_request);
对于好奇的人, 花些时间深入 drivers/block/ll_rw_block.c 会发现, 所有的队列都有一个 make_request 函数. 缺省的版本, generic_make_request, 处理 bio 和一个请求结构的结合. 通过提供一个它自己的 make_request 函数, 一个驱动真正只覆盖一个特定的请求队列方法, 并且排序大部分工作.
下面我们就对LDD3上面的块设备例子进行分析。
/*
* Sample disk driver, from the beginning.
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE("Dual
BSD/GPL");
static int
sbull_major = 0;
module_param(sbull_major,
int, 0);
static int
hardsect_size = 512;
module_param(hardsect_size,
int, 0);
static int
nsectors = 1024; /* How big the drive
is */
module_param(nsectors,
int, 0);
static int
ndevices = 4;
module_param(ndevices,
int, 0);
/*
* The different "request modes" we
can use.
*/
enum {
RM_SIMPLE
= 0, /* The extra-simple
request function 采用简单的方式*/
RM_FULL
= 1, /* The full-blown
version 采用比较全的队列传输方式。*/
RM_NOQUEUE = 2, /* Use make_request 不采用队列请求，采用制造请求的方式*/
};
static int
request_mode = RM_SIMPLE;//默认采用简单方式
module_param(request_mode,
int, 0);
/*
* Minor number and partition management.
*/
#define
SBULL_MINORS 16
#define
MINOR_SHIFT 4
#define
DEVNUM(kdevnum) (MINOR(kdev_t_to_nr(kdevnum))
>> MINOR_SHIFT
/*
* We can tweak our hardware sector size, but
the kernel talks to us
* in terms of small sectors, always.
*/
#define
KERNEL_SECTOR_SIZE 512
/*
* After this much idle time, the driver will
simulate a media change.
*/
#define
INVALIDATE_DELAY 30*HZ
/*
* The internal representation of our device.
*/
struct
sbull_dev {
int size; /* Device size in
sectors */
u8 *data; /* The data array */
short users; /* How many users */
short media_change; /* Flag a media change? */
spinlock_t lock; /* For mutual exclusion */
struct request_queue *queue; /* The device request queue */
struct gendisk *gd; /* The gendisk structure */
struct timer_list timer; /* For simulated media changes */
};
static struct
sbull_dev *Devices = NULL;
/*
* Handle an I/O request.
*/
static void
sbull_transfer(struct sbull_dev *dev, unsigned long sector,
unsigned long nsect, char *buffer,
int write)
{
unsigned long offset =
sector*KERNEL_SECTOR_SIZE;
unsigned long nbytes =
nsect*KERNEL_SECTOR_SIZE;
if ((offset + nbytes) > dev->size)
{
printk (KERN_NOTICE
"Beyond-end write (%ld %ld)\n", offset, nbytes);
return;
}
if (write)
memcpy(dev->data + offset,
buffer, nbytes);
else
memcpy(buffer, dev->data +
offset, nbytes);
}
/*
* The simple form of the request function.
*/
static void
sbull_request(request_queue_t *q)
{
struct request *req;
while ((req = elv_next_request(q)) !=
NULL) {
struct sbull_dev *dev =
req->rq_disk->private_data;
if (! blk_fs_request(req)) {
printk (KERN_NOTICE
"Skip non-fs request\n");
end_request(req, 0);
continue;
}
//
printk (KERN_NOTICE "Req
dev %d dir %ld sec %ld, nr %d f %lx\n",
//
dev - Devices,
rq_data_dir(req),
//
req->sector,
req->current_nr_sectors,
//
req->flags);
sbull_transfer(dev,
req->sector, req->current_nr_sectors,
req->buffer,
rq_data_dir(req));
end_request(req, 1);
}
}
/*
* Transfer a single BIO.
*/
static int
sbull_xfer_bio(struct sbull_dev *dev, struct bio *bio)
{
int i;
struct bio_vec *bvec;
sector_t sector = bio->bi_sector;
/* Do each segment independently. */
bio_for_each_segment(bvec, bio, i) {
char *buffer =
__bio_kmap_atomic(bio, i, KM_USER0);
sbull_transfer(dev, sector,
bio_cur_sectors(bio),
buffer,
bio_data_dir(bio) == WRITE);
sector += bio_cur_sectors(bio);
__bio_kunmap_atomic(bio,
KM_USER0);
}
return 0; /* Always "succeed"
*/
}
/*
* Transfer a full request.
*/
static int
sbull_xfer_request(struct sbull_dev *dev, struct request *req)
{
struct bio *bio;
int nsect = 0;
rq_for_each_bio(bio, req) {
sbull_xfer_bio(dev, bio);
nsect +=
bio->bi_size/KERNEL_SECTOR_SIZE;
}
return nsect;
}
/*
* Smarter request function that "handles
clustering".
*/
static void
sbull_full_request(request_queue_t *q)
{
struct request *req;
int sectors_xferred;
struct sbull_dev *dev = q->queuedata;
while ((req = elv_next_request(q)) !=
NULL) {
if (! blk_fs_request(req)) {
printk (KERN_NOTICE
"Skip non-fs request\n");
end_request(req, 0);
continue;
}
sectors_xferred =
sbull_xfer_request(dev, req);
if (! end_that_request_first(req,
1, sectors_xferred)) {
blkdev_dequeue_request(req);
end_that_request_last(req);
}
}
}
/*
* The direct make request version.
*/
static int
sbull_make_request(request_queue_t *q, struct bio *bio)
{
struct sbull_dev *dev = q->queuedata;
int status;
status = sbull_xfer_bio(dev, bio); //制造请求就是直接对bio进行处理，然后通过bio_endio来通知上层处理情况。
bio_endio(bio, bio->bi_size, status);
return 0;
}
/*
* Open and close.
*/
static int
sbull_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct sbull_dev *dev =
inode->i_bdev->bd_disk->private_data;
del_timer_sync(&dev->timer);
filp->private_data = dev;
spin_lock(&dev->lock);
if (! dev->users)
check_disk_change(inode->i_bdev);
dev->users++;
spin_unlock(&dev->lock);
return 0;
}
static int
sbull_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct sbull_dev *dev =
inode->i_bdev->bd_disk->private_data;
spin_lock(&dev->lock);
dev->users--;
if (!dev->users) {
dev->timer.expires = jiffies +
INVALIDATE_DELAY;
add_timer(&dev->timer);
}
spin_unlock(&dev->lock);
return 0;
}
/*
* Look for a (simulated) media change.
*/
int
sbull_media_changed(struct gendisk *gd)
{
struct sbull_dev *dev =
gd->private_data;
return dev->media_change;
}
/*
* Revalidate.
WE DO NOT TAKE THE LOCK HERE, for fear of deadlocking
* with open.
That needs to be reevaluated.
*/
int
sbull_revalidate(struct gendisk *gd)
{
struct sbull_dev *dev =
gd->private_data;
if (dev->media_change) {
dev->media_change = 0;
memset (dev->data, 0,
dev->size);
}
return 0;
}
/*
* The "invalidate" function runs out
of the device timer; it sets
* a flag to simulate the removal of the media.
*/
void
sbull_invalidate(unsigned long ldev)
{
struct sbull_dev *dev = (struct sbull_dev
*) ldev;
spin_lock(&dev->lock);
if (dev->users || !dev->data)
printk (KERN_WARNING "sbull:
timer sanity check failed\n");
else
dev->media_change = 1;
spin_unlock(&dev->lock);
}
/*
* The ioctl() implementation
*/
int sbull_ioctl
(struct inode *inode, struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned
long arg)
{
long size;
struct hd_geometry geo;
struct sbull_dev *dev =
filp->private_data;
switch(cmd) {
case HDIO_GETGEO:
/*
* Get geometry: since we are a virtual device,
we have to make
* up something plausible. So we claim 16 sectors, four heads,
* and calculate the corresponding number of
cylinders. We set the
* start of data at sector four.
*/
size
= dev->size*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE);
geo.cylinders = (size & ~0x3f)
>> 6;
geo.heads = 4;
geo.sectors = 16;
geo.start = 4;
if (copy_to_user((void __user *)
arg, &geo, sizeof(geo)))
return -EFAULT;
return 0;
}
return -ENOTTY; /* unknown command */
}
/*
* The device operations structure.
*/
static struct
block_device_operations sbull_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = sbull_open,
.release = sbull_release,
.media_changed = sbull_media_changed,
.revalidate_disk = sbull_revalidate,
.ioctl = sbull_ioctl
};
/*
* Set up our internal device.
*/
static void
setup_device(struct sbull_dev *dev, int which)
{
/*
*
Get some memory.
*/
memset (dev, 0, sizeof (struct
sbull_dev));
dev->size = nsectors*hardsect_size;
dev->data = vmalloc(dev->size);
if (dev->data == NULL) {
printk (KERN_NOTICE "vmalloc
failure.\n");
return;
}
spin_lock_init(&dev->lock);
/*
*
The timer which "invalidates" the device.
*/
init_timer(&dev->timer);
dev->timer.data = (unsigned long) dev;
dev->timer.function =
sbull_invalidate;
/*
*
The I/O queue, depending on whether we are using our own
*
make_request function or not.
*/
switch (request_mode) {
case RM_NOQUEUE://采用制造请求的方式，需要采用blk_alloc_queue分配队列，同时采用blk_queue_make_request设定制造请求函数。
dev->queue =
blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
blk_queue_make_request(dev->queue,
sbull_make_request);
break;
case RM_FULL://简单和复杂的对请求处理的函数，都是要采用blk_init_queue来初始化队列
dev->queue =
blk_init_queue(sbull_full_request, &dev->lock);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
break;
default:
printk(KERN_NOTICE "Bad
request mode %d, using simple\n", request_mode);
/*
fall into.. */
case RM_SIMPLE://简单和复杂的对请求处理的函数，都是要采用blk_init_queue来初始化队列
dev->queue =
blk_init_queue(sbull_request, &dev->lock);
if (dev->queue == NULL)
goto out_vfree;
break;
}
blk_queue_hardsect_size(dev->queue,
hardsect_size);
dev->queue->queuedata = dev;
/*
*
And the gendisk structure.
*/
dev->gd = alloc_disk(SBULL_MINORS);
if (! dev->gd) {
printk (KERN_NOTICE
"alloc_disk failure\n");
goto out_vfree;
}
dev->gd->major = sbull_major;
dev->gd->first_minor =
which*SBULL_MINORS;
dev->gd->fops = &sbull_ops;
dev->gd->queue = dev->queue;
dev->gd->private_data = dev;
snprintf (dev->gd->disk_name, 32,
"sbull%c", which + 'a');
set_capacity(dev->gd,
nsectors*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE));
add_disk(dev->gd);
return;
out_vfree:
if (dev->data)
vfree(dev->data);
}
static int
__init sbull_init(void)
{
int i;
/*
*
Get registered.
*/
sbull_major =
register_blkdev(sbull_major, "sbull");//注册一个块设备
if (sbull_major <= 0) {
printk(KERN_WARNING "sbull:
unable to get major number\n");
return -EBUSY;
}
/*
*
Allocate the device array, and initialize each one.
*/
Devices = kmalloc(ndevices*sizeof (struct
sbull_dev), GFP_KERNEL);
if (Devices == NULL)
goto out_unregister;
for (i = 0; i < ndevices; i++)
setup_device(Devices + i, i);
return 0;
out_unregister:
unregister_blkdev(sbull_major,
"sbd");
return -ENOMEM;
}
static void
sbull_exit(void)
{
int i;
for (i = 0; i < ndevices; i++) {
struct sbull_dev *dev = Devices +
i;
del_timer_sync(&dev->timer);
if (dev->gd) {
del_gendisk(dev->gd);
put_disk(dev->gd);
}
if (dev->queue) {
if (request_mode ==
RM_NOQUEUE)
blk_put_queue(dev->queue);
else
blk_cleanup_queue(dev->queue);
}
if (dev->data)
vfree(dev->data);
}
unregister_blkdev(sbull_major,
"sbull");
kfree(Devices);
}
module_init(sbull_init);
module_exit(sbull_exit);