Linux学习第49天：Linux块设备驱动实验（一）：Linux三大驱动之一

Linux版本号4.1.15   芯片I.MX6ULL                                    大叔学Linux    品人间百味  思文短情长 

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        本章学习Linux三大驱动之一的块设备驱动，主要应用场景为存储设备。

        本章的思维导图如下：

 一、什么是块设备

        块设备---存储设备

        以块为单位进行读写访问

        在机构上可以进行随机访问，使用缓冲区来暂时存放数据。

        I/O算法也不同。

二、块设备驱动框架

1.block_device结构体

1 struct block_device {
2 dev_t bd_dev; /* not a kdev_t - it's a search key */
3 int bd_openers;
4 struct inode *bd_inode; /* will die */
5 struct super_block *bd_super;
6 struct mutex bd_mutex; /* open/close mutex */
7 struct list_head bd_inodes;
8 void * bd_claiming;
9 void * bd_holder;
10 int bd_holders;
11 bool bd_write_holder;
12 #ifdef CONFIG_SYSFS
13 struct list_head bd_holder_disks;
14 #endif
15 struct block_device *bd_contains;
16 unsigned bd_block_size;
17 struct hd_struct *bd_part;
18 /*number of times partitions within this device have been opened.*/
19 unsigned bd_part_count;
20 int bd_invalidated;
21 struct gendisk *bd_disk;/*bd_disk 成员变量，此成员变量为
gendisk 结构体指针类型。内核使用 block_device 来表示一个具体的块设备对象，比如一个硬盘
或者分区，如果是硬盘的话 bd_disk 就指向通用磁盘结构 gendisk。*/
22 struct request_queue *bd_queue;
23 struct list_head bd_list;
24 /*
25 * Private data. You must have bd_claim'ed the block_device
26 * to use this. NOTE: bd_claim allows an owner to claim
27 * the same device multiple times, the owner must take special
28 * care to not mess up bd_private for that case.
29 */
30 unsigned long bd_private;
31
32 /* The counter of freeze processes */
33 int bd_fsfreeze_count;
34 /* Mutex for freeze */
35 struct mutex bd_fsfreeze_mutex;
36 };

1）.注册块设备

int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)
/*
major： 主设备号。
name： 块设备名字。
返回值： 如果参数 major 在 1~255 之间的话表示自定义主设备号，那么返回 0 表示注册成
功，如果返回负值的话表示注册失败。如果 major 为 0 的话表示由系统自动分配主设备号，那
么返回值就是系统分配的主设备号(1~255)，如果返回负值那就表示注册失败。
*/

2）.注销块设备

void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)
/*

major： 要注销的块设备主设备号。
name： 要注销的块设备名字。
返回值： 无。
*/

 2.gendisk结构体

1 struct gendisk {
2 /* major, first_minor and minors are input parameters only,
3 * don't use directly. Use disk_devt() and disk_max_parts().
4 */
5 int major; /* major number of driver *///major 为磁盘设备的主设备号。
6 int first_minor;//first_minor 为磁盘的第一个次设备号。
7 int minors; /* maximum number of minors, =1 for
8 * disks that can't be partitioned. *///minors 为磁盘的次设备号数量，也就是磁盘的分区数
//量，这些分区的主设备号一样， 次设备号不同。
9
10 char disk_name[DISK_NAME_LEN]; /* name of major driver */
11 char *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);
12
13 unsigned int events; /* supported events */
14 unsigned int async_events; /* async events, subset of all */
15
16 /* Array of pointers to partitions indexed by partno.
17 * Protected with matching bdev lock but stat and other
18 * non-critical accesses use RCU. Always access through
19 * helpers.
20 */
21 struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;/*
part_tbl 为磁盘对应的分区表，为结构体 disk_part_tbl 类型， disk_part_tbl 的核心
是一个 hd_struct 结构体指针数组，此数组每一项都对应一个分区信息。
*/
22 struct hd_struct part0;
23
24 const struct block_device_operations *fops;/*
fops 为块设备操作集，为 block_device_operations 结构体类型。和字符设备操作
集 file_operations 一样，是块设备驱动中的重点！
*/
25 struct request_queue *queue;/*
queue 为磁盘对应的请求队列，所以针对该磁盘设备的请求都放到此队列中，驱
动程序需要处理此队列中的所有请求。
*/
26 void *private_data;
27
28 int flags;
29 struct device *driverfs_dev; // FIXME: remove
30 struct kobject *slave_dir;
31
32 struct timer_rand_state *random;
33 atomic_t sync_io; /* RAID */
34 struct disk_events *ev;
35 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY
36 struct blk_integrity *integrity;
37 #endif
38 int node_id;
39 };

 gendisk 操作函数：

申请 gendisk：

struct gendisk *alloc_disk(int minors)
函数参数和返回值含义如下：
minors： 次设备号数量， 也就是 gendisk 对应的分区数量。
返回值： 成功：返回申请到的 gendisk，失败： NULL。

删除gendisk:

void del_gendisk(struct gendisk *gp)
函数参数和返回值含义如下：
gp： 要删除的 gendisk。
返回值： 无。

将 gendisk 添加到内核:

void add_disk(struct gendisk *disk)
函数参数和返回值含义如下：
disk： 要添加到内核的 gendisk。
返回值： 无。

设置 gendisk 容量：

void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size)
函数参数和返回值含义如下：
disk： 要设置容量的 gendisk。
size： 磁盘容量大小，注意这里是扇区数量。

调整 gendisk 引用计数：get_disk 是增加 gendisk 的引用计数， put_disk 是减少 gendisk 的引用计数。

truct kobject *get_disk(struct gendisk *disk)
void put_disk(struct gendisk *disk)

3.block_device_operation结构体

1 struct block_device_operations {
2 int (*open) (struct block_device *, fmode_t);/*open 函数用于打开指定的块设备*/
3 void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);/*release 函数用于关闭(释放)指定的块设备。*/
4 int (*rw_page)(struct block_device *, sector_t, struct page *,
int rw);/*rw_page 函数用于读写指定的页。*/
5 int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned,
unsigned long);/*ioctl 函数用于块设备的 I/O 控制。*/
6 int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned,
unsigned long);/*
compat_ioctl 函数和 ioctl 函数一样，都是用于块设备的 I/O 控制。区别在于在 64
位系统上， 32 位应用程序的 ioctl 会调用 compat_iotl 函数。在 32 位系统上运行的 32 位应用程
序调用的就是 ioctl 函数。*/
7 long (*direct_access)(struct block_device *, sector_t,
8 void **, unsigned long *pfn, long size);
9 unsigned int (*check_events) (struct gendisk *disk,
10 unsigned int clearing);
11 /* ->media_changed() is DEPRECATED, use ->check_events() instead */
12 int (*media_changed) (struct gendisk *);
13 void (*unlock_native_capacity) (struct gendisk *);
14 int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
15 int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);/*getgeo 函数用于获取磁盘信息，包括磁头、柱面和扇区等信息。*/
16 /* this callback is with swap_lock and sometimes page table lock
held */
17 void (*swap_slot_free_notify) (struct block_device *,
unsigned long);
18 struct module *owner;/*owner 表示此结构体属于哪个模块，一般直接设置为 THIS_MODULE。*/
19 };

4.块设备I/O请求过程

1)、请求队列 request_queue

初始化请求队列：

request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
函数参数和返回值含义如下：
rfn： 请求处理函数指针，每个 request_queue 都要有一个请求处理函数，请求处理函数
request_fn_proc 原型如下：
void (request_fn_proc) (struct request_queue *q)
请求处理函数需要驱动编写人员自行实现。
lock： 自旋锁指针，需要驱动编写人员定义一个自旋锁，然后传递进来。，请求队列会使用
这个自旋锁。
返回值： 如果为 NULL 的话表示失败，成功的话就返回申请到的 request_queue 地址。

删除请求队列：

oid blk_cleanup_queue(struct request_queue *q)
函数参数和返回值含义如下：
q： 需要删除的请求队列。
返回值： 无。

分配请求队列并绑定制造请求函数：
 

struct request_queue *blk_alloc_queue(gfp_t gfp_mask)
函数参数和返回值含义如下：
gfp_mask： 内存分配掩码，具体可选择的掩码值请参考 include/linux/gfp.h 中的相关宏定义，
一般为 GFP_KERNEL。
返回值： 申请到的无 I/O 调度的 request_queue。

void blk_queue_make_request(struct request_queue *q, make_request_fn *mfn)
函数参数和返回值含义如下：
q： 需要绑定的请求队列，也就是 blk_alloc_queue 申请到的请求队列。
mfn：需要绑定的“制造”请求函数，函数原型如下：
void (make_request_fn) (struct request_queue *q, struct bio *bio)
“制造请求”函数需要驱动编写人员实现。
返回值： 无。

         一般 blk_alloc_queue 和 blk_queue_make_request 是搭配在一起使用的，用于那么非机械的存储设备、无需 I/O 调度器，比如 EMMC、 SD 卡等。 blk_init_queue 函数会给请求队列分配一个 I/O 调度器，用于机械存储设备，比如机械硬盘等。

2）、请求request

获取请求：

request *blk_peek_request(struct request_queue *q)
函数参数和返回值含义如下：
q： 指定 request_queue。
返回值： request_queue 中下一个要处理的请求(request)，如果没有要处理的请求就返回
NULL。

开启请求：

void blk_start_request(struct request *req)
函数参数和返回值含义如下：
req： 要开始处理的请求。
返回值： 无。

 一步到位处理请求：

1 struct request *blk_fetch_request(struct request_queue *q)
2 {
3 struct request *rq;
4 5
rq = blk_peek_request(q);
6 if (rq)
7 blk_start_request(rq);
8 return rq;
9 }

其他和请求有关的函数：

3）、bio结构

        bio 结构描述了要读写的起始扇区、要读写的扇区数量、是读取还是写入、页偏移、数据长度等等信息。
         bio_vec 就是“page,offset,len”组合， page 指定了所在的物理页， offset 表示所处页的偏移地址， len 就是数据长度。

遍历请求中的bio：

#define __rq_for_each_bio(_bio, rq) \
if ((rq->bio)) \
for (_bio = (rq)->bio; _bio; _bio = _bio->bi_next)
_bio 就是遍历出来的每个 bio， rq 是要进行遍历操作的请求， _bio 参数为 bio 结构体指针类
型， rq 参数为 request 结构体指针类型。

遍历bio中的所有段：

#define bio_for_each_segment(bvl, bio, iter) \
__bio_for_each_segment(bvl, bio, iter, (bio)->bi_iter)
第一个 bvl 参数就是遍历出来的每个 bio_vec，第二个 bio 参数就是要遍历的 bio，类型为
bio 结构体指针，第三个 iter 参数保存要遍历的 bio 中 bi_iter 成员变量。

通知bio处理结束 ： 

bvoid bio_endio(struct bio *bio, int error)
函数参数和返回值含义如下：
bio： 要结束的 bio。
error： 如果 bio 处理成功的话就直接填 0，如果失败的话就填个负值，比如-EIO。
返回值： 无

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以下内容将在下一个笔记中学习：

三、使用请求队列实验

1.实验程序编写

2.运行测试

四、不使用请求队列实验

1.实验程序编写

2.运行测试

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本笔记为参考正点原子开发板配套教程整理而得，仅用于学习交流使用，不得用于商业用途。