写一个块设备驱动-第5章

参考：
第5章
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|                 写一个块设备驱动                  |
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| 作者：赵磊                                        |
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既然上一章结束时我们已经预告了本章的内容，
那么本章中我们就让这个块设备有能力告知操作系统它的“物理结构”。

当然，对于基于内存的块设备来说，什么样的物理结构并不重要，
这就如同从酒吧带mm回家时不需要打听她的姓名一样。
但如果不幸遇到的是兼职，并且带她去不入流的招待所时，
建议最好还是先串供一下姓名、生日和职业等信息，
以便JJ查房时可以伪装成情侣。
同样，如果要实现的是真实的物理块设备驱动，
那么返回设备的物理结构时大概不能这么随意。

对于块设备驱动程序而言，我们现在需要关注那条目前只有一行的struct block_device_operations simp_blkdev_fops结构。
到目前为止，它存在的目的仅仅是因为它必须存在，但马上我们将发现它存在的另一个目的：为块设备驱动添加获得块设备物理结构的接口。

对于具有极强钻研精神的极品读者来说，大概在第一章中就会自己去看struct block_device_operations结构，然后将发现这个结构其实还挺复杂：
struct block_device_operations {
        int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
        int (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
        int (*locked_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
        int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
        int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
        int (*direct_access) (struct block_device *, sector_t,
                                                void **, unsigned long *);
        int (*media_changed) (struct gendisk *);
        int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
        int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
        struct module *owner;
};
在前几章中，我们邂逅过其中的owner成员变量，它用于存储这个结构的所有者，也就是我们的模块，因此我们做了如下的赋值：
.owner                = THIS_MODULE,
而这一章中，我们将与它的同胞妹妹------getgeo也亲密接触一下。

我们要做的是：
1：在block_device_operations中增加getgeo成员变量初值的设定，指向我们的“获得块设备物理结构”函数。
2：实现我们的“获得块设备物理结构”函数。

第一步很简单，我们暂且为“获得块设备物理结构”函数取个名字叫simp_blkdev_getgeo()吧，也避免了在下文中把这么一大堆汉字拷来拷去。
在simp_blkdev_fops中添加.getgeo指向simp_blkdev_getgeo，也就是把simp_blkdev_fops结构改成这个样子：
struct block_device_operations simp_blkdev_fops = {
        .owner                = THIS_MODULE,
        .getgeo                = simp_blkdev_getgeo,
};

第二步难一些，但也难不到哪去，在代码中的struct block_device_operations simp_blkdev_fops这行之前找个空点的场子，把如下函数插进去：
static int simp_blkdev_getgeo(struct block_device *bdev,
                struct hd_geometry *geo)
{
        /*
         * capacity        heads        sectors        cylinders
         * 0~16M        1        1        0~32768
         * 16M~512M        1        32        1024~32768
         * 512M~16G        32        32        1024~32768
         * 16G~...        255        63        2088~...
         */
        if (SIMP_BLKDEV_BYTES < 16 * 1024 * 1024) {
                geo->heads = 1;
                geo->sectors = 1;

        } else if (SIMP_BLKDEV_BYTES < 512 * 1024 * 1024) {
                geo->heads = 1;
                geo->sectors = 32;
        } else if (SIMP_BLKDEV_BYTES < 16ULL * 1024 * 1024 * 1024) {
                geo->heads = 32;
                geo->sectors = 32;
        } else {
                geo->heads = 255;
                geo->sectors = 63;
        }

        geo->cylinders = SIMP_BLKDEV_BYTES>>9/geo->heads/geo->sectors;

        return 0;
}
因为这里我们用到了struct hd_geometry结构，所以还要增加一行#include 。

这个函数的目的，是选择适当的物理结构信息装入struct hd_geometry *geo结构。
当然，为了克服上一章中只能分成2个区的问题，我们应该尽可能增加磁道的数量。
希望读者不要理解成分几个区就需要几个磁道，这意味着一个磁道一个区，也意味着每个区必须一般大小。
由于分区总是以磁道为边界，尽可能增加磁道的数量不仅仅是为了让块设备容纳更多的分区，
更重要的是让分区的实际大小更接近于分区时的指定值，也就是提高实际做出的分区容量的精度。

不过对于设置的物理结构值，还存在一个限制，就是struct hd_geometry中的数值上限。
我们看struct hd_geometry的内容：
struct hd_geometry {
        unsigned char heads;
        unsigned char sectors;
        unsigned short cylinders;
        unsigned long start;
};
unsigned char的磁头数和每磁道扇区数决定了其255的上限，同样，unsigned short的磁道数决定了其65535的上限。
这还不算，但在前一章中，我们知道对于现代硬盘，磁头数和每磁道扇区数通常取的值是255和63，
再组合上这里的65535的磁道数上限，hd_geometry能够表示的最大块设备容量是255*63*65535*512/1024/1024/1024=502G。
显然目前linux支持的最大硬盘容量大于502G，那么对于这类块设备，内核是如何通过hd_geometry结构表示其物理结构的呢？
诀窍不在内核，而在于用户态程序如fdisk等通过内核调用获得hd_geometry结构后，
会舍弃hd_geometry.cylinders内容，取而代之的是直接通过hd_geometry中的磁头数和每磁道扇区数以及硬盘大小去计算磁道数。
因此对于超过502G的硬盘，由于用户程序得出的磁道数与hd_geometry.cylinders无关，所以我们往往在fdisk中能看到这块硬盘的磁道数大于65535。

刚才扯远了，现在言归正题，我们决定让这个函数对于任何尺寸的块设备，总是试图返回比较漂亮的物理结构。
漂亮意味着返回的物理结构既要保证拥有足够多的磁道，也要保证磁头数和每磁道扇区数不超过255和63，同时最好使用程序员看起来比较顺眼的数字，
如：1、2、4、8、16、32、64等。
当然，我们也希望找到某个One Shot公式适用于所有大小的块设备，但很遗憾目前作者没找到，因此采用了分段计算的方法：
首先考虑容量很小的块设备：
  即使磁头数和每磁道扇区数都是1，磁道数也不够多时，我们会将磁头数和每磁道扇区数都固定为1，以使磁道数尽可能多，以提高分区的精度。
  因此磁道数随块设备容量而上升。
  虽然我们已经知道了磁道数其实可以超过unsigned short的65535上限，但在这里却没有必要，因此我们要给磁道数设置一个上限。
  因为不想让上限超过65535，同时还希望上限也是一个程序员喜欢的数字，因此这里选择了32768。
  当然，当磁道数超过32768时，已经意味着块设备容量不那么小了，也就没有必要使用这种情况中如此苛刻的磁头数和每磁道扇区数了。
  简单来说，当块设备容量小于1个磁头、每磁道1扇区和32768个磁道对应的容量--也就是16M时，我们将按照这种情况处理。
然后假设块设备容量已经大于16M了：
  我们希望保证块设备包含足够多的磁道，这里我们认为1024个磁道应该不少了。
  磁道的最小值发生在块设备容量为16M的时候，这时使用1024作为磁道数，可以计算出磁头数*每磁道扇区数=32。
  这里暂且把磁头数和每磁道扇区数固定为1和32，而让磁道数随着块设备容量的增大而增加。
  同时，我们还是磁道的上限设置成32768，这时的块设备容量为512M。
  总结来说，当块设备容量在16M和512M之间时，我们把磁头数和每磁道扇区数固定为1和32。
然后对于容量大于512M的块设备：
  与上述处理相似，当块设备容量在512M和16G之间时，我们把磁头数和每磁道扇区数固定为32和32。
最后的一种情况：
  块设备已经足够大了，大到即使我们使用磁头数和每磁道扇区数的上限，
  也能获得足够多的磁道数。这时把磁头数和每磁道扇区数固定为255和63。
  至于磁道数就算出多少是多少了，即使超过unsigned short的上限也无所谓，反正用不着。

随着这个函数解说到此结束，我们对代码的修改也结束了。

现在开始试验：
编译和加载：
# make
make -C /lib/modules/2.6.27.4/build SUBDIRS=/mnt/host_test/simp_blkdev/simp_blkdev_step05 modules
make[1]: Entering directory `/mnt/ltt-kernel'
  CC [M]  /mnt/host_test/simp_blkdev/simp_blkdev_step05/simp_blkdev.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  CC      /mnt/host_test/simp_blkdev/simp_blkdev_step05/simp_blkdev.mod.o
  LD [M]  /mnt/host_test/simp_blkdev/simp_blkdev_step05/simp_blkdev.ko
make[1]: Leaving directory `/mnt/ltt-kernel'
# insmod simp_blkdev.ko
#
用fdisk打开设备文件
# fdisk /dev/simp_blkdev
Device contains neither a valid DOS partition table, nor Sun, SGI or OSF disklabel
Building a new DOS disklabel. Changes will remain in memory only,
until you decide to write them. After that, of course, the previous
content won't be recoverable.

Warning: invalid flag 0x0000 of partition table 4 will be corrected by w(rite)

Command (m for help):
看看设备的物理结构：
Command (m for help): p

Disk /dev/simp_blkdev: 16 MB, 16777216 bytes
1 heads, 32 sectors/track, 1024 cylinders
Units = cylinders of 32 * 512 = 16384 bytes

           Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System

Command (m for help):
我们发现，现在的设备有1个磁头、32扇区每磁道、1024个磁道。
这是符合代码中的处理的。

本章的内容也不是太难，连同上一章，我们已经休息2章了。
聪明的读者可能已经猜到作者打算说什么了。
不错，下一章会有一个surprise。

<未完，待续>