块设备驱动——ramblock

一. 什么是块设备、

1.1. 一种具有一定结构的随机存取设备，对这种设备的读写是按块进行的，他使用缓冲区来存放暂时的数据，待条件成熟后，从缓存一次性写入设备或者从设备一次性读到缓冲区。可以随机访问，块设备的访问位置必须能够在介质的不同区间前后移动

1.2. 块设备与字符设备差异

1.2.1. 块和字符是两种不同的访问设备的策略

1.2.2. 同一个设备可以同时支持块和字符两种访问策略

1.2.3. 块设备本身驱动层支持缓冲区，而字符设备驱动层没有缓冲

1.2.4. 块设备驱动最适合存储设备

1.3. 与块设备相关的几个单位

1.3.1. 扇区(Sectors)：概念来自于早期磁盘，在硬盘、DVD中还有用，在Nand/SD中已经没意义了，但为了设备的统一，扇区是任何块设备硬件对数据处理的基本单位。通常，1个扇区的大小为512byte或512的整数倍。（对设备而言）

1.3.2. 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，1个块由1个或多个扇区组成。（对Linux操作系统而言）

1.3.3. 段(Segments)：由若干个相邻的块组成。是Linux内存管理机制中一个内存页或者内存页的一部分。

1.3.4. 页（Page），概念来自于内核，是内核内存映射管理的基本单位。linux内核的页式内存映射名称来源于此。

二. 块设备的驱动框图

2.1. 框图从宏观分为三层

2.1.1. 虚拟文件系统层（VFS)

a. VFS是linux系统内核的软件层，由内核开发者已经编写完成。

b. VFS是文件系统和Linux 内核的接口，VFS以统一数据结构管理各种逻辑文件系统，接受用户层对文件系统的各种操作

c. 向上，对应用层提供一个标准的文件操作接口；

d. 对下，对文件系统提供一个标准的接口，以便其他操作系统的文件系统可以方便的移植到Linux上；

2.1.2. 内核空间层

2.1.2. 内核空间层又细分为三层

a. 通用块层（generic Block Layer)

负责维持一个I/O请求在上层文件系统与底层物理磁盘之间的关系。在通用块层中，通常用一个bio结构体来对应一个I/O请求

b. IO调度层

当多个请求提交给块设备时，执行效率依赖于请求的顺序。如果所有的请求是同一个方向（如：写数据），执行效率是最大的。内核在调用块设备驱动程序例程处理请求之前，先收集I/O请求并将请求排序，然后，将连续扇区操作的多个请求进行合并以提高执行效率（内核算法会自己做，不用你管），对I/O请求排序的算法称为电梯算法（elevator algorithm）。电梯算法在I/O调度层完成。内核提供了不同类型的电梯算法，电梯算法有

　　1 noop（实现简单的FIFO，基本的直接合并与排序）,

　　2 anticipatory（延迟I/O请求，进行临界区的优化排序），

　　3 Deadline（针对anticipatory缺点进行改善，降低延迟时间）,

　　4 Cfq（均匀分配I/O带宽，公平机制）

　　PS：其实IO调度层（包括请求合并排序算法）是不需要用户管的，内核已经做好。

　　映射层(Mapping Layer)：起映射作用，将文件访问映射为设备的访问。

　　VFS：对各种文件系统进行统一封装，为用户程序访问文件提供统一的接口，包含ext2，FAT,NFS,设备文件。

　　磁盘缓存(Caches):将访问频率很高的文件放入其中。

　　相关数据结构

　　block_device:      描述一个分区或整个磁盘对内核的一个块设备实例

　　gendisk:               描述一个通用硬盘（generic hard disk）对象。

　　hd_struct:             描述分区应有的分区信息

　　bio:                        描述块数据传送时怎样完成填充或读取块给driver

　　request:                描述向内核请求一个列表准备做队列处理。

　　request_queue:  描述内核申请request资源建立请求链表并填写BIO形成队列。

c. 块设备驱动

块设备驱动：在Linux中，驱动对块设备的输入或输出(I/O)操作，都会向块设备发出一个请求，在驱动中用request结构体描述。但对于一些磁盘设备而言请求的速度很慢，这时候内核就提供一种队列的机制把这些I/O请求添加到队列中（即：请求队列），在驱动中用request_queue结构体描述。在向块设备提交这些请求前内核会先执行请求的合并和排序预操作，以提高访问的效率，然后再由内核中的I/O调度程序子系统来负责提交  I/O 请求，调度程序将磁盘资源分配给系统中所有挂起的块 I/O  请求，其工作是管理块设备的请求队列，决定队列中的请求的排列顺序以及什么时候派发请求到设备。

三. 实例分析

3.1. 实例中用ram虚拟出一个块设备，并非真正的块设备

3.2. do_my_ramblock_request函数用于响应request

#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/hdreg.h>
#include <linux/ioport.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/blkpg.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/dma.h>

#define RAMBLOCK_SIZE (1024*1024)               // 1MB，2048扇区

static struct gendisk *my_ramblock_disk;        // 磁盘设备的结构体
static struct request_queue *my_ramblock_queue;    // 等待队列
static DEFINE_SPINLOCK(my_ramblock_lock);
static int major;
static unsigned char *my_ramblock_buf;            // 虚拟块设备的内存指针

static void do_my_ramblock_request(struct request_queue *q)
{

    struct request *req;
    static int r_cnt = ;             //实验用，打印出驱动读与写的调度方法
    static int w_cnt = ;

    req = blk_fetch_request(q);

    while (NULL != req)
    {
        unsigned long start = blk_rq_pos(req) *;
        unsigned long len = blk_rq_cur_bytes(req);

        if(rq_data_dir(req) == READ)
        {
            // 读请求
            memcpy(req->buffer, my_ramblock_buf + start, len);     //读操作，
            printk("do_my_ramblock-request read %d times\n", r_cnt++);
        }
        else
        {
            // 写请求
            memcpy( my_ramblock_buf+start, req->buffer, len);     //写操作
            printk("do_my_ramblock request write %d times\n", w_cnt++);
        }

        if(!__blk_end_request_cur(req, ))
        {
            req = blk_fetch_request(q);
        }
    }
}

static int blk_ioctl(struct block_device *dev, fmode_t no, unsigned cmd, unsigned long arg)
{
    return -ENOTTY;
}

static int blk_open (struct block_device *dev , fmode_t no)
{
    printk("11111blk mount succeed\n");
    return ;
}
static int blk_release(struct gendisk *gd , fmode_t no)
{
    printk("11111blk umount succeed\n");
    return ;
}

static const struct block_device_operations my_ramblock_fops =
{
    .owner         = THIS_MODULE,
    .open         = blk_open,
    .release     = blk_release,
    .ioctl         = blk_ioctl,
};

static int my_ramblock_init(void)
{
    major = register_blkdev(, "my_ramblock");
    if (major < )
    {
        printk("fail to regiser my_ramblock\n");
        return -EBUSY;
    }

    // 实例化
    my_ramblock_disk = alloc_disk();        //次设备个数 ，分区个数 +1

    //分配设置请求队列，提供读写能力
    my_ramblock_queue = blk_init_queue(do_my_ramblock_request, &my_ramblock_lock);
    //设置硬盘属性
    my_ramblock_disk->major = major;
    my_ramblock_disk->first_minor = ;
    my_ramblock_disk->fops = &my_ramblock_fops;
    sprintf(my_ramblock_disk->disk_name, "my_ramblcok");        // /dev/name
    my_ramblock_disk->queue = my_ramblock_queue;
    set_capacity(my_ramblock_disk, RAMBLOCK_SIZE / );
    /* 硬件相关操作 */
    my_ramblock_buf = kzalloc(RAMBLOCK_SIZE, GFP_KERNEL);
    add_disk(my_ramblock_disk);                // 向驱动框架注册一个disk或者一个partation的接口

    return ;
}

static void my_ramblock_exit(void)
{
    unregister_blkdev(major, "my_ramblock");
    del_gendisk(my_ramblock_disk);
    put_disk(my_ramblock_disk);
    blk_cleanup_queue(my_ramblock_queue);
    kfree(my_ramblock_buf);
}

module_init(my_ramblock_init);
module_exit(my_ramblock_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

五. 实例实验

5.1. 模块安装（insmod)

[root@musk210 driver_test]# lsmod
Module                  Size  Used by    Not tainted
[root@musk210 driver_test]# insmod blkdev.ko
[root@musk210 driver_test]# lsmod
Module                  Size  Used by    Not tainted
blkdev
[root@musk210 driver_test]#

5.2. 查看信息

5.2.1. cat /proc/devices

[root@musk210 driver_test]# cat /proc/devices
Character devices:
   mem
   pty
   ttyp
   /dev/vc/
   tty
   /dev/tty
   /dev/console
   /dev/ptmx
   vcs
  misc
  input
  sound
  sg
  fb
  video4linux
  i2c
  mtd
 ppp
 alsa
 ptm
 pts
 usb
 usb_device
 s3c2410_serial
 hidraw
 s3c_bc
 pvrsrvkm
 rtc

Block devices:
   ramdisk
 blkext
   loop
   sd
  mtdblock
  sd
  sd
  sd
  sd
  sd
  sd
  sd
 sd
 sd
 sd
 sd
 sd
 sd
 sd
 sd
 mmc
 my_ramblock
 device-mapper
[root@musk210 driver_test]#

5.2.2. cat /proc/partitions

[root@musk210 driver_test]# cat /proc/partitions
major minor  #blocks  name

              mmcblk0
               mmcblk0p1
               mmcblk0p2
               mmcblk0p3
              mmcblk0p4
              mmcblk1
              mmcblk1p1
                 my_r

5.2.3. ls /dev/my*

[root@musk210 driver_test]# ls /dev/my*
/dev/my_ramblcok
[root@musk210 driver_test]#

5.2.4. lsmod

[root@musk210 driver_test]# lsmod
Module                  Size  Used by    Not tainted
blkdev                    

5.3. 挂载测试

5.3.1. 挂载前要先格式化

a. 格式化：mkfs.ext2 /dev/my_ramblock

[root@musk210 driver_test]# mkfs.ext2 /dev/my_ramblcok
[ 5587.367230] 11111blk mount succeed
Filesystem label=[ 5587.372541] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.376912] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.381302] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.385774] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.390276] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.394779] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.399285] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.403796] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.408303] do_my_ramblock-request read  times
[ 5587.412854] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.417321] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.421906] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.426498] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.431089] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.435684] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.440277] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.444868] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.449462] do_my_ramblock request write  times
[ 5587.454133] 11111blk umount succeed

OS type: Linux
Block size= (log=)
Fragment size= (log=)
 inodes,  blocks
 blocks (%) reserved for the super user
First data block=
Maximum filesystem blocks=
 block groups
 blocks per group,  fragments per group
 inodes per group
[root@musk210 driver_test]#

5.3.2. 挂载到/tmp目录下

a. 挂载：  mount -t ext2 /dev/my_ramblcok /tmp

[root@musk210 driver_test]# mount -t ext2 /dev/my_ramblcok /tmp/
[ 5695.893226] 11111blk mount succeed
[ 5695.895247] do_my_ramblock-request read  times
[ 5695.899752] do_my_ramblock-request read  times
[ 5695.904346] do_my_ramblock-request read  times
[ 5695.908912] do_my_ramblock request write  times

5.3.3. 去/tmp目录

[root@musk210 tmp]# ls
[ 5757.874625] do_my_ramblock-request read  times
[ 5757.877941] do_my_ramblock-request read  times
lost+found
[root@musk210 tmp]# touch a.txt
[ 5768.346032] do_my_ramblock-request read  times

参考《朱老师.块设备驱动介绍》

参阅文献：http://www.51testing.com/html/42/n-3710242.html