通过分析块设备驱动的框架,知道如何来写驱动

1.之前我们学的都是字符设备驱动,先来回忆一下
字符设备驱动:
当我们的应用层读写(read()/write())字符设备驱动时,是按字节/字符来读写数据的,期间没有任何缓存区,因为数据量小,不能随机读取数据,例如:按键、LED、鼠标、键盘等
 
2.接下来本节开始学习块设备驱动
块设备:
块设备是i/o设备中的一类, 当我们的应用层对该设备读写时,是按扇区大小来读写数据的,若读写的数据小于扇区的大小,就会需要缓存区, 可以随机读写设备的任意位置处的数据，例如 普通文件(*.txt,*.c等),硬盘,U盘，SD卡,
 
3.块设备结构：
段(Segments)：由若干个块组成。是Linux内存管理机制中一个内存页或者内存页的一部分。
块  (Blocks)：   由Linux制定对内核或文件系统等数据处理的基本单位。通常由1个或多个扇区组成。（对Linux操作系统而言）
扇区(Sectors)：块设备的基本单位。通常在512字节到32768字节之间,默认512字节
 
4.我们以txt文件为例,来简要分析下块设备流程:
比如:当我们要写一个很小的数据到txt文件某个位置时, 由于块设备写的数据是按扇区为单位,但又不能破坏txt文件里其它位置,那么就引入了一个“缓存区”,将所有数据读到缓存区里,然后修改缓存数据,再将整个数据放入txt文件对应的某个扇区中,当我们对txt文件多次写入很小的数据的话，那么就会重复不断地对扇区读出,写入,这样会浪费很多时间在读/写硬盘上,所以内核提供了一个队列的机制,再没有关闭txt文件之前,会将读写请求进行优化，排序，合并等操作，从而提高访问硬盘的效率
(PS:内核中是通过elv_merge()函数实现将队列优化，排序，合并,后面会分析到)
5.接下来开始分析块设备框架
当我们对一个*.txt写入数据时,文件系统会转换为对块设备上扇区的访问,也就是调用ll_rw_block()函数,从这个函数开始就进入了设备层.
5.1先来分析ll_rw_block()函数(/fs/buffer.c):

void ll_rw_block(int rw, int nr, struct buffer_head *bhs[])
//rw:读写标志位,  nr:bhs[]长度,  bhs[]:要读写的数据数组
{
int i;
for (i = 0; i < nr; i++) {
struct buffer_head *bh = bhs[i];                 //获取nr个buffer_head
... ...
if (rw == WRITE || rw == SWRITE) {
if (test_clear_buffer_dirty(bh)) {
... ...
submit_bh(WRITE, bh);                //提交WRITE写标志的buffer_head
　　　　　　　　 continue;
}}
else {
if (!buffer_uptodate(bh)) {
... ...
submit_bh(rw, bh);               //提交其它标志的buffer_head
continue;
}}
unlock_buffer(bh); }
}

 
其中buffer_head结构体,就是我们的缓冲区描述符,存放缓存区的各种信息,结构体如下所示:

struct buffer_head {
unsigned long b_state; 　　　　　　　　 //缓冲区状态标志
struct buffer_head *b_this_page; 　　　//页面中的缓冲区
struct page *b_page; 　　　　　　　　　　//存储缓冲区位于哪个页面
sector_t b_blocknr; 　　　　　　　　　　//逻辑块号
size_t b_size; 　　　　　　　　　　　　　//块的大小
char *b_data; 　　　　　　　　　　　　　 //页面中的缓冲区

struct block_device *b_bdev; 　　　　//块设备,来表示一个独立的磁盘设备

bh_end_io_t *b_end_io; 　　　　　　　　//I/O完成方法

void *b_private; 　　　　　　　　　　　　//完成方法数据

struct list_head b_assoc_buffers; 　　//相关映射链表

/* mapping this buffer is associated with */
struct address_space *b_assoc_map;
atomic_t b_count; 　　　　　　　　　　　　//缓冲区使用计数
};

 
 
5.2然后进入submit_bh()中, submit_bh()函数如下：

int submit_bh(int rw, struct buffer_head * bh)
{
struct bio *bio;                    //定义一个bio(block input output),也就是块设备i/o
... ...
bio = bio_alloc(GFP_NOIO, 1);      //分配bio
/*根据buffer_head(bh)构造bio */
bio->bi_sector = bh->b_blocknr * (bh->b_size >> 9);      //存放逻辑块号
bio->bi_bdev = bh->b_bdev;                              //存放对应的块设备
bio->bi_io_vec[0].bv_page = bh->b_page;  　　　　　　　　 //存放缓冲区所在的物理页面
bio->bi_io_vec[0].bv_len = bh->b_size;       　　　　　　 //存放扇区的大小
bio->bi_io_vec[0].bv_offset = bh_offset(bh);            //存放扇区中以字节为单位的偏移量

bio->bi_vcnt = 1;                               　　　　 //计数值
bio->bi_idx = 0;                                 　　　　//索引值
bio->bi_size = bh->b_size;                 　　　　　　　　//存放扇区的大小

bio->bi_end_io = end_bio_bh_io_sync; 　　　　　　　　　　　　//设置i/o回调函数
bio->bi_private = bh;                        　　　　　　 //指向哪个缓冲区
... ...
submit_bio(rw, bio);            　　　　　　　　　　　　　　 //提交bio
... ...
}

 
submit_bh()函数就是通过bh来构造bio,然后调用submit_bio()提交bio
 
5.3 submit_bio()函数如下:

void submit_bio(int rw, struct bio *bio)
{
... ...
generic_make_request(bio);
}

 
最终调用generic_make_request(),把bio数据提交到相应块设备的请求队列中,generic_make_request()函数主要是实现对bio的提交处理
 
5.4 generic_make_request()函数如下所示:

void generic_make_request(struct bio *bio)
{
if (current->bio_tail) {                   // current->bio_tail不为空,表示有bio正在提交
*(current->bio_tail) = bio;     //将当前的bio放到之前的bio->bi_next里面
bio->bi_next = NULL;    //更新bio->bi_next=0;
current->bio_tail = &bio->bi_next; //然后将当前的bio->bi_next放到current->bio_tail里,使下次的bio就会放到当前bio->bi_next里面了

return;    }

BUG_ON(bio->bi_next);
do {
current->bio_list = bio->bi_next;
if (bio->bi_next == NULL)
current->bio_tail = ¤t->bio_list;
else
bio->bi_next = NULL;

__generic_make_request(bio);           //调用__generic_make_request()提交bio
bio = current->bio_list;
} while (bio);
current->bio_tail = NULL; /* deactivate */
}

 
从上面的注释和代码分析到,只有当第一次进入generic_make_request()时, current->bio_tail为NULL,才能调用__generic_make_request().
__generic_make_request()首先由bio对应的block_device获取申请队列q，然后要检查对应的设备是不是分区，如果是分区的话要将扇区地址进行重新计算，最后调用q的成员函数make_request_fn完成bio的递交.
5.5 __generic_make_request()函数如下所示:

static inline void __generic_make_request(struct bio *bio)
{
request_queue_t *q;
int ret;
... ...
do {
q = bdev_get_queue(bio->bi_bdev);  //通过bio->bi_bdev获取申请队列q
... ...
ret = q->make_request_fn(q, bio);             //提交申请队列q和bio
} while (ret);
}