《Linux Device Drivers》第十六章块设备驱动程序——note

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《Linux Device Drivers》第十六章块设备驱动程序——note

2024-07-26 16:21:51 221人阅读

简介
- 一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的随机数据来访问设备
- Linux内核视块设备为与字符设备相异的基本设备类型
- Linux块设备驱动程序接口使得块设备可以发挥其最大的功效，但是其复杂程序又是编程者必须面对的一个问题
- 一个数据块指的是固定大小的数据，而大小的值由内核确定
- 数据块的大小通常是4096个字节，但是可以根据体系结构和所使用的文件系统进行改变
- 与数据块对应的是扇区，它是由底层硬件决定大小的一个块，内核所处理的设备扇区大小是512字节
- 如果要使用不同的硬件扇区大小，用户必须对内核的扇区数做相应的修改
注册
- 注册块设备驱动程序
  - <linux/fs.h>
  - int register_blkdev(unsigned int major, const char *name);
    - 如果需要的话分配一个动态的主设备号
    - 在/proc/devices中创建一个入口项
  - int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name);
- 注册磁盘
  - struct block_device_operations
    - int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
    - int (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
    - int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
    - int (*media_changed) (struct gendisk *gd);
    - int (*revalidate_disk) (struct gendisk *gd);
    - struct module *owner;
  - gendisk结构
    - <linux/genhd.h>
    - struct gendisk
      - int major;
      - int first_minor;
      - int minors;
        常取16
      - char disk_name[32]
        显示在/proc/partitions和sysfs中
      - struct block_device_operations *fops;
      - struct request_queue *queue;
      - int flags;
      - sector_t capacity;
      - void *private_data;
    - struct gendisk *alloc_disk(int minors);
    - void del_gendisk(struct gendisk *gd);
    - void add_disk(struct gendisk *gd);

块设备操作
- open和release函数
  - 对于那些操作实际硬件设备的驱动程序，open和release函数可以设置驱动程序和硬件的状态。这些操作包括使磁盘开始或者停止旋转，锁住可移动介质的仓门以及分配DMA缓存等
  - 有一些操作能够让块设备在用户空间内被直接打开，这些操作包括给磁盘分区，或者在分区上创建文件系统，或者运行文件系统检查程序
- 对可移动介质的支持
  - 调用media_changed函数以检查介质是否被改变
  - 在介质改变后将调用revalideate函数
- ioctl函数
  - 高层的块设备子系统在驱动程序获得ioctl命令前，已经截取了大量的命令
  - 实际上在一个现代驱动程序中，许多ioctl命令根本就不用实现
请求处理
- 每个块设备驱动程序的核心是它的请求函数
- 驱动程序所需要知道的任何关于请求的信息，都包含在通过请求队列传递给我们的结构中
- request函数介绍
  - void request(request_queue_t *queue);
    - 当内核需要驱动程序处理读取、写入以及其他对设备的操作时，就会调用该函数
  - 每个设备都有一个请求队列
    - dev->queue = blk_init_queue(test_request, &dev->lock);
  - 对request函数的调用是与用户空间进程中的动作完全异步的
- 一个简单的request函数
  - struct request * elv_next_request(request_queue_t queue);
  - void end_request(struct request *req, int succeeded);
  - struct request
    - sector_t secotr;
    - unsigned long nr_sectors;
    - char *buffer
    - rq_data_dir(struct request *req);
- 请求队列
  - 一个块设备请求队列可以这样描述：包含块设备I/O请求的序列
  - 请求队列跟踪未完成的块设备的I/O请求
  - 请求队列还实现了插件接口
  - I/O调度器还负责合并邻近的请求
  - 请求队列拥有request_queue或request_queue_t结构类型
  - <linux/blkdev.h>
  - 队列的创建与删除
    - request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *request, spinlock_t *lock);
    - void blk_cleanup_queue(request_queue_t *queue);
  - 队列函数
    - struct request *elv_next_request(request_queue_t *queue);
    - void blkdev_dequeue_request(struct request *req);
    - void elv_requeue_request(request_queue_t *queue, struct request *req);
  - 队列控制函数
    - void blk_stop_queue(request_queue_t *queue);
    - void blk_start_queue(request_queue_t *queue);
    - void blk_queue_bounce_limit(request_queue_t *queue, u64 dma_addr);
    - void blk_queue_max_sectors(request_queue_t *queue, unsigned short max);
    - void blk_queue_max_phys_segments(request_queue_t *queue, unsigned short max);
    - void blk_queue_max_hw_segments(request_queue_t *queue, unsigned short max);
    - void blk_queue_max_segment_size(request_queue_t *queue, unsigned short max);
    - void blk_queue_segment_boundary(request_queue_t *queue, unsigned long mask);
    - void blk_queue_dma_alignment(request_queue_t *queue, int mask);
    - void blk_queue_hardsect_size(request_queue_t *queue, unsigned short max);
  - 请求过程剖析
    - 从本质上讲，一个request结构是作为一个bio结构的链表实现的
    - bio结构
      - bio结构包含了驱动程序执行请求的全部信息，而不必与初始化这个请求的用户空间的进程相关联
      - <linux/bio.h>
      - struct bio
        sector_t bi_sector;
        unsigned int bi_size;
        以字节为单位所需要传输的数据大小
        unsigned long bi_flags;
        unsigned short bio_phys_segments;
        unsigned short bio_hw_segments;
        struct bio_vec *bi_io_vec
      - struct bio_vec
        struct page *vb_page;
        unsigned int bv_len;
        unsigned int bv_offset;
      - example
        int segno;
        struct bio_vec *bvec;
        bio_for_each_segment(bvec, bio, segno)
        {
        /* 使用该段进行一定的操作 */
        }
      - char *__bio_kmap_atomic(struct bio *bio, int i, enum km_type type);
      - void __bio_kunmap_atomic(char *buffer, enum km_type type):
      - struct page *bio_page(struct bio *bio);
      - int bio_offset(struct bio *bio);
      - int bio_cur_sectors(struct bio *bio);
      - char *bio_data(struct bio *bio);
      - char *bio_kmap_irq(struct bio *bio, unsigned long *flags);
      - void bio_kunmap_irq(char *buffer, unsigned long *flags);
    - request结构成员
      - struct request
        sector_t hard_sector;
        unsigned long hard_nr_sectors;
        unsigned int hard_cur_sectors;
        struct bio *bio;
        char *buffer;
        unsigned short nr_phys_segments;
        struct list_head queuelist;
    - 屏障请求
      - 在驱动程序接收到请求前，块设备层重新组合了请求以提高I/O性能
      - 出于同样的目的，驱动程序也可以重新组合请求
      - 但在无限制重新组合请求时面临了一个问题：一些应用程序的某些操作，要在另外一些操作开始前完成
      - 2.6版本的块设备层使用屏障（barrier）请求来解决这个问题
      - 如果一个请求被设置了REQ_HARDBARRER标志，那么在其他后续请求被初始化前，它必须被写入驱动器
      - void blk_queue_ordered(request_queue_t *queue, int flag);
      - int blk_barrier_rq(sruct request *req);
        如果返回一个非零值，该请求是一个屏障请求
    - 不可重试请求
      - int blk_noretry_request(struct request *req);
  - 请求完成函数
    - int end_that_request_first(struct request *req, int success, int count);
    - void end_that_request_last(struct request *req);
    - example
      - void end_request(struct request *req, int uptodate)
      - {
        if (!end_that_request(req, uptodate, req->hard_cur_sectors)
        {
        add_disk_randomness(req->rq_disk);
        blkdev_dequeue_request(req);
        end_that_request_last(req);
        }
      - }
    - 使用bio
      - example
        struct request *req
        struct bio *bio;
        rq_for_each_bio(bio, req)
        {
        /* 使用该bio结构进行一定的操作 */
        }
    - 块设备请求和DMA
      - int blk_rq_map_sg(request_queue_t *queue, struct request *req, struct scatterlist *list);
      - clear_bit(QUEUE_FLAG_CLEAR, &queue->queue_flags);
    - 不使用请求队列
      - typedef int (make_request_fn) (request_queue_t *q, struct bio *bio);
      - void bio_endio(struct bio *bio, unsigned int bytes, int error);
      - request_queue_t *blk_alloc_queue(int flags);
        并未真正地建立一个保存请求的队列
      - void blk_queue_make_request(request_queue_t *queue, make_request_fn *func);
      - drivers/block/ll_rw_block.c
其他一些细节
- 命令预处理
  - typedef int (prep_rq_fn) (request_queue_t *queue, struct request *req);
    - 该函数要能返回下面的值之一
      - BLKPREP_OK
      - BLKPREP_KILL
      - BLKPREP_DEFER
  - void blk_queue_prep_rq(request_queue_t *queue, prep_rq_fn *func);
- 标记命令队列
  - 同时拥有多个活动请求的硬件通常支持某种形式的标记命令队列（Tagged Command Queueing, TCQ）
  - TCQ只是为每个请求添加一个整数（标记）的技术，这样当驱动器完成它们中的一个请求后，它就可以告诉驱动程序完成的是哪个
  - int blk_queue_int_tags(request_queue_t *queue, int depth, struct blk_queue_tag *tags);
  - int blk_queue_resize_tags(request_queue_t *queue, int new_depth);
  - int blk_queue_start_tag(request_queue_t *queue, struct request *req);
  - void blk_queue_end_tag(request_queue_t *queue, struct request *req);
  - struct request *blk_queue_find_tag(request_queue_t *queue, int tag);
  - void blk_queue_invalidate_tags(request_queue_t *queue);

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