一、開發(fā)環(huán)境

主 ?機：VMWare--Fedora 9

開發(fā)板：Mini2440--64MB Nand, Kernel:2.6.30.4

編譯器：arm-linux-gcc-4.3.2

二、塊設(shè)備基本概念

扇區(qū)(Sectors)：任何塊設(shè)備硬件對數(shù)據(jù)處理的基本單位。通常，1個扇區(qū)的大小為512byte。

塊(Blocks)：由Linux制定對內(nèi)核或文件系統(tǒng)等數(shù)據(jù)處理的基本單位。通常，1個塊由1個或多個扇區(qū)組成。

段(Segments)：由若干個相鄰的塊組成。是Linux內(nèi)存管理機制中一個內(nèi)存頁或者內(nèi)存頁的一部分。

頁、段、塊、扇區(qū)之間的關(guān)系圖如下：

綜合上描述：塊設(shè)備驅(qū)動是基于扇區(qū)(sector)來訪問底層物理磁盤，基于塊(block)來訪問上層文件系統(tǒng)。扇區(qū)一般是2的n次方大小，典型為512B，內(nèi)核也要求塊是2的n次方大小，且塊大小通常為扇區(qū)大小的整數(shù)倍，并且塊大小要小于頁面大小，典型大小為512B、1K或4K。?

三、塊設(shè)備在Linux中的結(jié)構(gòu)

首先我們來看一下，塊設(shè)備在整個Linux中應用的總體結(jié)構(gòu)，如圖：

塊設(shè)備驅(qū)動層(Block Device Driver)在總體結(jié)構(gòu)中扮演的角色。

? 從上圖可以看出，塊設(shè)備的應用在Linux中是一個完整的子系統(tǒng)。

? 首先，我們先看一下，塊設(shè)備驅(qū)動是以何種方式對塊設(shè)備進行訪問的。在Linux中，驅(qū)動對塊設(shè)備的輸入或輸出(I/O)操作，都會向塊設(shè)備發(fā)出一個請求，在驅(qū)動中用request結(jié)構(gòu)體描述。但對于一些磁盤設(shè)備而言請求的速度很慢，這時候內(nèi)核就提供一種隊列的機制把這些I/O請求添加到隊列中(即：請求隊列)，在驅(qū)動中用request_queue結(jié)構(gòu)體描述。在向塊設(shè)備提交這些請求前內(nèi)核會先執(zhí)行請求的合并和排序預操作，以提高訪問的效率，然后再由內(nèi)核中的I/O調(diào)度程序子系統(tǒng)(即：上圖中的I/O調(diào)度層)來負責提交I/O請求，I/O調(diào)度程序?qū)⒋疟P資源分配給系統(tǒng)中所有掛起的塊I/O請求，其工作是管理塊設(shè)備的請求隊列，決定隊列中的請求的排列順序以及什么時候派發(fā)請求到設(shè)備，關(guān)于更多詳細的I/O調(diào)度知識這里就不深加研究了。

? 其次，塊設(shè)備驅(qū)動又是怎樣維持一個I/O請求在上層文件系統(tǒng)與底層物理磁盤之間的關(guān)系呢？這就是上圖中通用塊層(Generic?Block?Layer)要做的事情了。在通用塊層中，通常用一個bio結(jié)構(gòu)體來對應一個I/O請求，它代表了正在活動的以段(Segment)鏈表形式組織的塊IO操作，對于它所需要的所有段又用bio_vec結(jié)構(gòu)體表示。

? 再次，塊設(shè)備驅(qū)動又是怎樣對底層物理磁盤進行反問的呢？上面講的都是對上層的訪問對上層的關(guān)系。Linux提供了一個gendisk數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，用他來表示一個獨立的磁盤設(shè)備或分區(qū)。在gendisk中有一個類似字符設(shè)備中file_operations的硬件操作結(jié)構(gòu)指針，他就是block_device_operations結(jié)構(gòu)體，他的作用相信大家已經(jīng)很清楚了。
?

具體描述上面中講到的維持各層關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體(這里只列出了較常用的一些成員)

request與request_queue結(jié)構(gòu)體，定義在/include/linux/blkdev.h中：

struct request
{
????struct list_head queuelist;?????/*鏈表結(jié)構(gòu)*/
????struct request_queue *q;????????/*請求隊列*/
????sector_t sector;????????????????/*要傳送的下一個扇區(qū)*/
????sector_t hard_sector;???????????/*要完成的下一個扇區(qū)*/
????unsigned long nr_sectors;???????/*要傳送的扇區(qū)數(shù)目*/
????unsigned long hard_nr_sectors;??/*要完成的扇區(qū)數(shù)目*/
????unsigned int current_nr_sectors;/*當前要傳送的扇區(qū)數(shù)目*/
????unsigned int hard_cur_sectors;??/*當前要完成的扇區(qū)數(shù)目*/
????struct bio *bio;????????????????/*請求的bio結(jié)構(gòu)體的鏈表*/
????struct bio *biotail;????????????/*請求的bio結(jié)構(gòu)體的鏈表尾*/
????void *elevator_private;
????void *elevator_private2;
????struct gendisk *rq_disk;
????unsigned long start_time;
????unsigned short nr_phys_segments;/*請求在物理內(nèi)存中占據(jù)不連續(xù)段的數(shù)目*/
????unsigned short ioprio;
????char *buffer;???????????????????/*傳送的緩沖區(qū)*/
????int tag;
????int errors;
????int ref_count;??????????????????/*引用計數(shù)*/
????.
????.
????.
};

struct request_queue
{
????.
????.
????.
????struct list_head queue_head;
????unsigned long nr_requests;?????? /*最大的請求數(shù)目*/
????unsigned int nr_congestion_on;
????unsigned int nr_congestion_off;
????unsigned int nr_batching;
????unsigned int max_sectors;??????? /*最大的扇區(qū)數(shù)目*/
????unsigned int max_hw_sectors;
????unsigned short max_phys_segments;/*最大的段數(shù)目*/
????unsigned short max_hw_segments;
????unsigned short hardsect_size;????/*扇區(qū)尺寸大小*/
????unsigned int max_segment_size;?? /*最大的段尺寸大小*/
????unsigned long seg_boundary_mask; /*段邊界掩碼*/
????void *dma_drain_buffer;
????unsigned int dma_drain_size;
????unsigned int dma_pad_mask;
????unsigned int dma_alignment;????? /*DMA傳輸內(nèi)存對齊*/
????struct blk_queue_tag *queue_tags;
????struct list_head tag_busy_list;
????unsigned int nr_sorted;
????unsigned int in_flight;
????unsigned int rq_timeout;
????struct timer_list timeout;
????struct list_head timeout_list;
????.
????.
????.
};

bio與bio_vec結(jié)構(gòu)體，定義在/include/linux/bio.h中：

struct bio
{
????sector_t bi_sector;??????????? /*要傳送的第一個扇區(qū)*/
????struct bio *bi_next;?????????? /*下一個bio*/
????struct block_device?*bi_bdev;
????unsigned long bi_flags;??????? /*狀態(tài)、命令等*/
????unsigned long bi_rw;?????????? /*低位表示READ/WRITE，高位表示優(yōu)先級*/
????unsigned short bi_vcnt;??????? /*bio_vec的數(shù)量*/
????unsigned short bi_idx;???????? /*當前bvl_vec的索引*/
????unsigned int bi_phys_segments; /*不相鄰物理段的數(shù)目*/
????unsigned int bi_size;????????? /*以字節(jié)為單位所需傳送的數(shù)據(jù)大小*/
????unsigned int bi_seg_front_size;/*為了明確硬件尺寸，需要考慮bio中第一個和最后一個虛擬的可合并段的尺寸大小*/
????unsigned int bi_seg_back_size;
????unsigned int bi_max_vecs;????? /*支持最大bvl_vecs的數(shù)量*/
????struct bio_vec *bi_io_vec;???? /*vec列表*/
????.
????.
????.
};

struct bio_vec
{
????struct page?*bv_page;???/*頁指針*/
????unsigned int bv_len;????/*傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)*/
????unsigned int bv_offset;?/*偏移位置*/
};

上面的這些結(jié)構(gòu)體都是對上層的支持，那么對硬件底層的支持比較重要的結(jié)構(gòu)體是gendisk，定義在/include/linux/genhd.h中：

struct gendisk
{
????int major;????????????/*主設(shè)備號*/
????int first_minor;????? /*第一個次設(shè)備號*/
????int minors;?????????? /*最大的次設(shè)備號，如果不能分區(qū)則為1*/
????char disk_name[DISK_NAME_LEN];? /*設(shè)備名稱*/
????struct disk_part_tbl *part_tbl; /*磁盤上的分區(qū)表信息*/
????struct hd_struct part0;
????struct block_device_operations *fops;/*塊設(shè)備對底層硬件的操作結(jié)構(gòu)體指針*/
????struct request_queue *queue; /*請求隊列*/
????void *private_data;????????? /*私有數(shù)據(jù)*/
????.
????.
????.
};

那么這些結(jié)構(gòu)體之間的關(guān)系圖如下：

塊設(shè)備驅(qū)動的I/O請求處理的兩種方式:

塊設(shè)備驅(qū)動的I/O請求處理有兩種方式，分別是使用請求隊列和不使用請求隊列。那么這兩種方式有什么不同呢？在第2點中已講到使用請求隊列有助于提高系統(tǒng)的性能，但對于一些完全可隨機訪問的塊設(shè)備(如：Ram盤等)使用請求隊列并不能獲得多大的益處，這時候，通用塊層提供了一種無隊列的操作模式，使用這種模式，驅(qū)動必須提供一個制造請求函數(shù)。我們還是用代碼來區(qū)別它們吧。

使用請求隊列：

static int __int ramdisk_init(void)
{
????/*塊設(shè)備驅(qū)動注冊*/
????register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, RAMDISK_NAME);

????/*使用請求隊列的方式*/
????ramdisk_queue = blk_init_queue(ramdisk_do_request, NULL);

????/*分配gendisk*/

.........
????/*初始化gendisk*/

.........
????/*添加gendisk到系統(tǒng)中*/

.........
}

/*請求處理函數(shù)，請求隊列的處理流程如下：
?*首先：從請求隊列中拿出一條請求
?*其次：判斷這一條請求的方向，是向設(shè)備寫還是讀，然后將數(shù)據(jù)裝入緩沖區(qū)
?*最后：通知請求完成*/
static void ramdisk_do_request(struct request_queue_t *queue)
{
????struct request *req;

????/*使用循環(huán)一條請求一條請求的來處理，elv_next_request函數(shù)是遍歷隊列中的每一條請求*/
????while(req = elv_next_request(queue) != NULL)
????{
????????/*判斷要傳輸數(shù)據(jù)的總長度大小是否超過范圍*/
????????if ((req->sector + req->current_nr_sectors) << 9 > RAMDISK_SIZE)
????????{
????????????/*如果超過范圍就直接報告請求失敗*/
????????????end_request(req, 0);
????????????continue;
????????}

????????/*判斷請求處理的方向*/
????????switch (rq_data_dir(req))
????????{
????????????case READ:
????????????????memcpy(req->buffer, disk_data + (req->sector << 9), req->current_nr_sectors << 9);
????????????????end_request(req, 1);/*報告請求處理成功*/
????????????????break;

????????????case WRITE:
????????????????memcpy(disk_data + (req->sector << 9), req->buffer, req->current_nr_sectors << 9);
????????????????end_request(req, 1);/*報告請求處理成功*/
????????????????break;

????????????default:
????????????????break;
????????}
????}
}

不使用請求隊列，制造請求函數(shù)：

static int __int ramdisk_init(void)
{
????/*塊設(shè)備驅(qū)動注冊*/
????ramdisk_major = register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, RAMDISK_NAME);

????/*使用制造請求的方式,先分配ramdisk_queue*/
????ramdisk_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);

??? /*再綁定請求制造函數(shù)*/
????blk_queue_make_request(ramdisk_queue, &ramdisk_make_request);

????/*分配gendisk*/
????.........

????/*初始化gendisk*/
????.........

????/*添加gendisk到系統(tǒng)中*/
????.........
}

/*綁定請求制造函數(shù)。注意：第一個參數(shù)仍然是請求隊列，但在這里實際不包含任何請求。
所以這里要處理的重點對象的bio中的每個bio_vec，他表示一個或多個要傳送的緩沖區(qū)。*/
static int ramdisk_make_request(struct request_queue_t *queue, struct bio *bio)
{
????int i;
????struct bio_vec *bvec;
????void *disk_mem;
????void *bvec_mem;

????/*在遍歷段之前先判斷要傳輸數(shù)據(jù)的總長度大小是否超過范圍*/
????if((bio->bi_sector << 9) + bio->bi_size > RAMDISK_SIZE)
????{
????????/*如果超出范圍就通知這個bio處理失敗*/
????????bio_endio(bio, 0, -EIO);

????????return 0;
????}

????/*獲得這個bio請求在塊設(shè)備內(nèi)存中的起始位置*/
????disk_mem = disk_data + (bio->bi_sector << 9);

????/*開始遍歷這個bio中的每個bio_vec*/
????bio_for_each_segment(bvec, bio, i)
????{
????????/*因bio_vec中的內(nèi)存地址是使用page *描述的，故在高端內(nèi)存中需要用kmap進行映射后才能訪問，
????????再加上在bio_vec中的偏移位置，才是在高端物理內(nèi)存中的實際位置*/
????????bvec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;

????????/*判斷bio請求處理的方向*/
????????switch(bio_data_dir(bio))
????????{
????????????case READ:
????????????case READA:
????????????????memcpy(bvec_mem, disk_mem, bvec-> bv_len);
????????????????break;

????????????case WRITE :
????????????????memcpy(disk_mem, bvec_mem, bvec-> bv_len);
????????????????break;

????????????default :
????????????????kunmap(bvec->bv_page);
????????}

????????/*處理完每一個bio_vec都應把kmap映射的地址取消掉*/
????????kunmap(bvec->bv_page);

????????/*累加當前bio_vec中的內(nèi)存長度，以確定下一個bio_vec在塊設(shè)備內(nèi)存中的位置*/
????????disk_mem += bvec->bv_len;
????}

????/*bio中所有的bio_vec處理完后報告處理結(jié)束*/
????bio_endio(bio, bio->bi_size, 0);

????return 0;
}

四、塊設(shè)備驅(qū)動(RamDisk)實現(xiàn)步驟詳解

其實從上面的結(jié)構(gòu)體關(guān)系圖就可以看出這就是塊設(shè)備驅(qū)動程序的整體的結(jié)構(gòu)了，當然這只是較簡單的塊設(shè)備驅(qū)動了，現(xiàn)在我們就即將要做的就是實現(xiàn)一個簡單的RamDisk塊設(shè)備驅(qū)動了。其實告訴大家我這里為什么只實現(xiàn)一個簡單的塊設(shè)備驅(qū)動，因為我是要為以后的MMC/SD卡驅(qū)動、Nand flash驅(qū)動等做一些前提準備的。好了，還是先了解一下什么是RamDisk吧。

RamDisk是將Ram中的一部分內(nèi)存空間模擬成一個磁盤設(shè)備，以塊設(shè)備的訪問方式來訪問這一片內(nèi)存，達到數(shù)據(jù)存取的目的。RamDisk設(shè)備在Linux設(shè)備文件系統(tǒng)中對應的設(shè)備文件節(jié)點一般為：/dev/ram%d。

建立驅(qū)動代碼文件my2440_ramdisk.c，實現(xiàn)驅(qū)動模塊的加載和卸載，步驟如下：

加載部分：分配請求隊列及綁定請求制造函數(shù) -> 分配及初始化gendisk -> 添加gendisk -> 注冊塊設(shè)備驅(qū)動。
卸載部分：清除請求隊列 -> 刪除gendisk -> 注銷塊設(shè)備驅(qū)動。

#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define RAMDISK_MAJOR????0????????/*主設(shè)備號設(shè)置0讓內(nèi)核動態(tài)產(chǎn)生一個主設(shè)備號*/
#define RAMDISK_NAME????"my2440_ramdisk"????/*設(shè)備名稱*/
#define RAMDISK_SIZE????(4 * 1024 * 1024)???/*虛擬磁盤的大小,共4M*/

static int ramdisk_major = RAMDISK_MAJOR;???/*用來保存動態(tài)分配的主設(shè)備號*/
static struct class *ramdisk_class;???????? /*定義一個設(shè)備類,好在/dev下動態(tài)生成設(shè)備節(jié)點*/

static struct gendisk *my2440_ramdiak;??????/*定義一個gendisk結(jié)構(gòu)體用來表示一個磁盤設(shè)備*/
static struct request_queue *ramdisk_queue;?/*定義磁盤設(shè)備的請求隊列*/

unsigned char *disk_data;/*定義一個指針來表示ramdisk塊設(shè)備在內(nèi)存中的域*/

/*塊設(shè)備驅(qū)動操作結(jié)構(gòu)體，其實不需要做什么操作，這里就設(shè)置為空*/
static struct block_device_operations ramdisk_fops =
{
????.owner????= THIS_MODULE,
};

static int __init ramdisk_init(void)
{
????int ret;

????/*塊設(shè)備驅(qū)動注冊, 注意這個塊設(shè)備驅(qū)動的注冊在2.6內(nèi)核中是可選的，
????該函數(shù)由內(nèi)核提供。這里使用是為了獲得一個動態(tài)生成的主設(shè)備號*/
????ramdisk_major = register_blkdev(RAMDISK_MAJOR, RAMDISK_NAME);
????if(ramdisk_major <= 0)
????{
????????return ramdisk_major;
????}

????/*動態(tài)創(chuàng)建一個設(shè)備節(jié)點，跟字符型設(shè)備一樣*/
????ramdisk_class = class_create(THIS_MODULE, RAMDISK_NAME);
????if(IS_ERR(ramdisk_class))
????{
????????ret = -1;
????????goto err_class;
????}
????device_create(ramdisk_class, NULL, MKDEV(ramdisk_major, 0), NULL, RAMDISK_NAME);

????/*RamDisk屬真正隨機訪問的設(shè)備，因此不使用請求隊列的處理方式，而使用制造請求的方式*/
????ramdisk_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);/*分配ramdisk_queue*/

????if(!ramdisk_queue)
????{
????????ret = -ENOMEM;
????????goto err_queue;
????}
????blk_queue_make_request(ramdisk_queue, &ramdisk_make_request);/*綁定請求制造函數(shù)*/

????/*分配gendisk，該函數(shù)由內(nèi)核提供，參數(shù)為磁盤設(shè)備的次設(shè)備號數(shù)量(或者磁盤的分區(qū)數(shù)量)
????注意一個分區(qū)就代表一個次設(shè)備，這里指定數(shù)量后以后就不能被修改了*/
????my2440_ramdiak = alloc_disk(1);

????if(!my2440_ramdiak)
????{
????????ret = -ENOMEM;
????????goto err_alloc;
????}

????/*初始化gendisk*/
????my2440_ramdiak->major = ramdisk_major;????/*這里指定的主設(shè)備號就是在上面動態(tài)獲取的主設(shè)備號*/
????my2440_ramdiak->first_minor????= 0;???????/*指定第一個次設(shè)備號為0*/
????my2440_ramdiak->fops = &ramdisk_fops;???? /*指定塊設(shè)備驅(qū)動對底層硬件操作的結(jié)構(gòu)體指針，定義在后面來講*/
????my2440_ramdiak->queue = ramdisk_queue;????/*指定初始化好的請求隊列*/
????sprintf(my2440_ramdiak->disk_name, RAMDISK_NAME);/*指定磁盤設(shè)備的名稱*/

????/*設(shè)置磁盤設(shè)備的容量大小,該函數(shù)由內(nèi)核提供。
????注意該函數(shù)是以512字節(jié)為1個扇區(qū)單位進行處理的，因為內(nèi)核要求如此*/
????set_capacity(my2440_ramdiak, RAMDISK_SIZE >> 9);/*右移9位就是除以512*/

????/*添加gendisk到系統(tǒng)中, 該函數(shù)由內(nèi)核提供*/
????add_disk(my2440_ramdiak);

????return 0;

/*錯誤處理*/
err_class:
????unregister_blkdev(ramdisk_major, RAMDISK_NAME);
err_queue:
????device_destroy(ramdisk_class, MKDEV(ramdisk_major, 0));
????class_destroy(ramdisk_class);
err_alloc:
????blk_cleanup_queue(ramdisk_queue);

????return ret;
}

static void __exit ramdisk_exit(void)
{????
????/*刪除磁盤設(shè)備*/
????del_gendisk(my2440_ramdiak);
????put_disk(my2440_ramdiak);

????/*清除請求隊列*/
????blk_cleanup_queue(ramdisk_queue);

????/*清除設(shè)備類*/
????device_destroy(ramdisk_class, MKDEV(ramdisk_major, 0));
????class_destroy(ramdisk_class);

????/*注銷塊設(shè)備*/
????unregister_blkdev(ramdisk_major, RAMDISK_NAME);
}

module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Huang Gang");
MODULE_DESCRIPTION("My2440 RamDisk Driver");

RamDisk屬真正隨機訪問的設(shè)備，因此沒有使用請求隊列的處理方式，而是使用制造請求的方式。制造請求處理函數(shù)實現(xiàn)如下：

/*綁定請求制造函數(shù)。注意：第一個參數(shù)仍然是請求隊列，但在這里實際不包含任何請求。
所以這里要處理的重點對象的bio中的每個bio_vec，他表示一個或多個要傳送的緩沖區(qū)。*/
static int ramdisk_make_request(struct request_queue_t *queue, struct bio *bio)
{
????int i;
????struct bio_vec *bvec;
????void *disk_mem;
????void *bvec_mem;

????/*在遍歷段之前先判斷要傳輸數(shù)據(jù)的總長度大小是否超過范圍*/
????if((bio->bi_sector << 9) + bio->bi_size > RAMDISK_SIZE)
????{
????????/*如果超出范圍就通知這個bio處理失敗*/
????????bio_io_error(bio);

????????return 0;
????}

????/*獲得這個bio請求在塊設(shè)備內(nèi)存中的起始位置*/
????disk_mem = disk_data + (bio->bi_sector << 9);

????/*開始遍歷這個bio中的每個bio_vec*/
????bio_for_each_segment(bvec, bio, i)
????{
????????/*因bio_vec中的內(nèi)存地址是使用page *描述的，故在高端內(nèi)存中需要用kmap進行映射后才能訪問，
????????再加上在bio_vec中的偏移位置，才是在高端物理內(nèi)存中的實際位置*/
????????bvec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;

????????/*判斷bio請求處理的方向*/
????????switch(bio_data_dir(bio))
????????{
????????????case READ:
????????????case READA:
????????????????memcpy(bvec_mem, disk_mem, bvec->bv_len);
????????????????break;

????????????case WRITE :
????????????????memcpy(disk_mem, bvec_mem, bvec->bv_len);
????????????????break;

????????????default :
????????????????kunmap(bvec->bv_page);
????????}

????????/*處理完每一個bio_vec都應把kmap映射的地址取消掉*/
????????kunmap(bvec->bv_page);

????????/*累加當前bio_vec中的內(nèi)存長度，以確定下一個bio_vec在塊設(shè)備內(nèi)存中的位置*/
????????disk_mem += bvec->bv_len;
????}

????/*bio中所有的bio_vec處理完后報告處理結(jié)束*/
????bio_endio(bio, 0);

????return 0;
}