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块设备驱动编写总结(一)
2014-11-24 03:17:22 】 浏览:10079
Tags:设备驱动 编写 总结

块设备与字符设备的区别

1、 从字面上理解,块设备和字符设备最大的区别在于读写数据的基本单元不同。块设备读写数据的基本单元为块,例如磁盘通常为一个sector,而字符设备的基本单元为字节。所以Linux中块设备驱动往往为磁盘设备的驱动,但是由于磁盘设备的IO性能与CPU相比很差,因此,块设备的数据流往往会引入文件系统的Cache机制。

2、 从实现角度来看,Linux为块设备和字符设备提供了两套机制。字符设备实现的比较简单,内核例程和用户态API一一对应,用户层的Read函数直接对应了内核中的Read例程,这种映射关系由字符设备的file_operations维护。块设备接口相对于字符设备复杂,read、write API没有直接到块设备层,而是直接到文件系统层,然后再由文件系统层发起读写请求。

块设备读写流程


在学习块设备原理的时候,我最关系块设备的数据流程,从应用程序调用Read或者Write开始,数据在内核中到底是如何流通、处理的呢?然后又如何抵达具体的物理设备的呢?下面对一个带Cache功能的块设备数据流程进行分析。

1、 用户态程序通过open()打开指定的块设备,通过systemcall机制陷入内核,执行blkdev_open()函数,该函数注册到文件系统方法(file_operations)中的open上。在blkdev_open函数中调用bd_acquire()函数,bd_acquire函数完成文件系统inode到块设备bdev的转换,具体的转换方法通过hash查找实现。得到具体块设备的bdev之后,调用do_open()函数完成设备打开的操作。在do_open函数中会调用到块设备驱动注册的open方法,具体调用如下:gendisk->fops->open(bdev->bd_inode, file)。


2、 用户程序通过read、write函数对设备进行读写,文件系统会调用相应的方法,通常会调用如下两个函数:generic_file_read和blkdev_file_write。在读写过程中采用了多种策略,首先分析读过程。

3、 用户态调用了read函数,内核执行generic_file_read,如果不是direct io方式,那么直接调用do_generic_file_read->do_generic_mapping_read()函数,在do_generic_mapping_read(函数位于filemap.c)函数中,首先查找数据是否命中Cache,如果命中,那么直接将数据返回给用户态;否则通过address_space->a_ops->readpage函数发起一个真实的读请求。在readpage函数中,构造一个buffer_head,设置bh回调函数end_buffer_async_read,然后调用submit_bh发起请求。在submit_bh函数中,根据buffer_head构造bio,设置bio的回调函数end_bio_bh_io_sync,最后通过submit_bio将bio请求发送给指定的快设备。

4、 如果用户态调用了一个write函数,内核执行blkdev_file_write函数,如果不是direct io操作方式,那么执行buffered write操作过程,直接调用generic_file_buffered_write函数。Buffered write操作方法会将数据直接写入Cache,并进行Cache的替换操作,在替换操作过程中需要对实际的快设备进行操作,address_space->a_ops提供了块设备操作的方法。当数据被写入到Cache之后,write函数就可以返回了,后继异步写入的任务绝大部分交给了pdflush daemon(有一部分在替换的时候做了)


5、 数据流操作到这一步,我们已经很清楚用户的数据是如何到内核了。与用户最接近的方法是file_operations,每种设备类型都定义了这一方法(由于Linux将所有设备都看成是文件,所以为每类设备都定义了文件操作方法,例如,字符设备的操作方法为def_chr_fops,块设备为def_blk_fops,网络设备为bad_sock_fops)。每种设备类型底层操作方法是不一样的,但是通过file_operations方法将设备类型的差异化屏蔽了,这就是Linux能够将所有设备都理解为文件的缘由。到这里,又提出一个问题:既然这样,那设备的差异化又该如何体现呢?在文件系统层定义了文件系统访问设备的方法,该方法就是address_space_operations,文件系统通过该方法可以访问具体的设备。对于字符设备而言,没有实现address_space_operations方法,也没有必要,因为字符设备的接口与文件系统的接口是一样的,在字符设备open操作的过程中,将inode所指向的file_operations替换成cdev所指向的file_operations就可以了。这样用户层读写字符设备可以直接调用cdev中file_operations方法了。

6、 截至到步骤(4),读操作在没有命中Cache的情况下通过address_space_operations方法中的readpage函数发起块设备读请求;写操作在替换Cache或者Pdflush唤醒时发起块设备请求。发起块设备请求的过程都一样,首先根据需求构建bio结构,bio结构中包含了读写地址、长度、目的设备、回调函数等信息。构造完bio之后,通过简单的submit_bio函数将请求转发给具体的块设备。从这里可以看出,块设备接口很简单,接口方法为submit_bio(更底层函数为generic_make_request),数据结构为struct bio。


7、 submit_bio函数通过generic_make_request转发bio,generic_make_request是一个循环,其通过每个块设备下注册的q->make_request_fn函数与块设备进行交互。如果访问的块设备是一个有queue的设备,那么会将系统的__make_request函数注册到q->make_request_fn中;否则块设备会注册一个私有的方法。在私有的方法中,由于不存在queue队列,所以不会处理具体的请求,而是通过修改bio中的方法实现bio的转发,在私有make_request方法中,往往会返回1,告诉generic_make_request继续转发比bio。Generic_make_request的执行上下文可能有两种,一种是用户上下文,另一种为pdflush所在的内核线程上下文。

8、 通过generic_make_request的不断转发,最后请求一定会到一个存在queue队列的块设备上,假设最终的那个块设备是某个scsi disk(/dev/sda)。generic_make_request将请求转发给sda时,调用__make_request,该函数是Linux提供的块设备请求处理函数。在该函数中实现了极其重要的操作,通常所说的IO Schedule就在该函数中实现。在该函数中试图将转发过来的bio merge到一个已经存在的request中,如果可以合并,那么将新的b
块设备驱动编写总结(一) https://www.cppentry.com/bencandy.php?fid=54&id=40896

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