Linux 块设备驱动分析（一）

Linux 块设备驱动分析（一）
Linux 块设备驱动分析（二）
Linux 块设备驱动分析（三）

Linux块设备IO子系统框架

块设备与字符设备的不同

块设备是与字符设备并列的概念，这两类设备在Linux中驱动的结构有较大差异，总体而言，块设备驱动比字符设备驱动要复杂得多，在I/O操作上表现出极大的不同，缓冲、I/O调度、请求队列等都是与块设备驱动相关的概念。

系统中能够随机（不需要按顺序）访问固定大小数据片的硬件设备称作块设备，这些固定大小的数据片就称作块。最常见的块设备是硬盘，除此以外，还有软盘驱动器、蓝光光驱和闪存等许多其他块设备。块设备的一般访问方式是通过文件系统。

另一种基本的设备类型是字符设备。字符设备按照字符流的方式被有序访问，像串口和键盘就属于字符设备。

块设备中最小的可寻址单元是扇区，扇区大小最常见的是512字节。虽然物理磁盘寻址是按照扇区级进行的，但是内核执行的所有磁盘操作都是按照块进行的。由于扇区是设备的最小可寻址单元，所以块不能比扇区还小，只能数倍于扇区大小。另外，内核（对有扇区的硬件设备）还要求块大小是2的整数倍，而且不能超过一个页的长度，通常块大小是512字节、1KB或4KB。

块设备的I/O操作特点
（1）块设备只能以块为单位接受输入和返回输出，而字符设备则以字节为单位。
（2）块设备对于 I/O 请求有对应的缓冲区，因此它们可以选择以什么顺序进行响应，字符设备无须缓冲且被直接读写。对于存储设备而言调整读写的顺序作用巨大，因为在读写连续的扇区比分离的扇区更快。
（3）字符设备只能被顺序读写，而块设备可以随机访问。虽然块设备可随机访问，但是对于磁盘这类机械设备而言，顺序地组织块设备的访问可以提高性能。

Linux块设备IO子系统框架

VFS

内核都是通过文件系统访问块设备的，而不同的硬件平台采用的文件系统不一样，如Ext2、FAT、NFS等，不同的文件系统，访问的接口肯定是不太一样的，但是不管采用何种文件系统，应用层都可以通过open打开一个文件，然后read读取文件中的数据，也可以write往文件中写数据，这得归功于VFS，虚拟文件系统。VFS是对各种具体文件系统的一种封装，用户程序访问文件提供统一的接口。

Generic Block Layer

该层隐藏了底层硬件块设备的特性，将对不同块设备的操作转换成对逻辑数据块的操作，为文件系统层提供通用的块设备读写接口。

I/O Scheduler Layer

接收通用块层发出的I/O请求，为了优化寻址操作，内核既不会简单地按请求接收次序，也不会立即将其提交给磁盘，而是试图合并与排序请求，这可以极大地提高系统的整体性能。

主要的数据结构

gendisk结构体，描述一个通用的磁盘设备，对应一个具体的磁盘，结构体定义如下：

struct gendisk {
	
	//磁盘的主设备号
	int major;	

	//磁盘的第一个次设备号	，如果有分区，每个分区都需要一个次设备号	 
	int first_minor;

	//次设备号个数，1表示不分区
	int minors;                     

	//磁盘的name
	char disk_name[DISK_NAME_LEN];	

	......

	//描述磁盘分区表信息
	struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;

	//磁盘的第一个分区
	struct hd_struct part0;

	//块设备操作集
	const struct block_device_operations *fops;

	//请求队列
	struct request_queue *queue;

	void *private_data;

	int flags;

	......

};

字符设备有一个file_operations，对应的块设备有一个block_device_operations，定义如下：

struct block_device_operations {
	int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
	void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
	int (*rw_page)(struct block_device *, sector_t, struct page *, bool);
	int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
	int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
	long (*direct_access)(struct block_device *, sector_t, void **, pfn_t *,
			long);
	unsigned int (*check_events) (struct gendisk *disk,
				      unsigned int clearing);
	/* ->media_changed() is DEPRECATED, use ->check_events() instead */
	int (*media_changed) (struct gendisk *);
	void (*unlock_native_capacity) (struct gendisk *);
	int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
	int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
	/* this callback is with swap_lock and sometimes page table lock held */
	void (*swap_slot_free_notify) (struct block_device *, unsigned long);
	struct module *owner;
	const struct pr_ops *pr_ops;
};

一块磁盘是可以分成多个分区的，每个分区可以安装不同类型的文件系统，比如ext2、ext4等文件系统。

hd_struct结构体，描述一个具体的磁盘分区，定义如下：

struct hd_struct {
	
	//分区在磁盘内的起始扇区编号
	sector_t start_sect;

	//分区的大小(扇区数)
	sector_t nr_sects;
	
	......
	struct device __dev;
	struct kobject *holder_dir;
	
  	//如果分区只读则policy为1，否则为0;partno为该分区的区号
	int policy, partno; 
	
	......
};

gendisk里有一成员part_tbl，描述磁盘的分区表信息，定义如下：

struct disk_part_tbl {
	struct rcu_head rcu_head;

	//struct hd_struct数组的大小
	int len;

	struct hd_struct __rcu *last_lookup;
	
	//struct hd_struct数组
	struct hd_struct __rcu *part[];
};

Linux内核也把分区也当作一个块设备。

block_device结构体，描述一个逻辑上的块设备，对应一个磁盘或分区，定义如下：

struct block_device {
	dev_t			bd_dev;     //设备号 
	int			bd_openers;   //这个块设备被打开的次数

	......

	//如果块设备代表一个分区，那么该项指向整个磁盘的block_device 
	struct block_device *	bd_contains;

	//块设备的块长度(以字节为单位)
	unsigned		bd_block_size;

	//指向块设备的分区对象
	struct hd_struct *	bd_part;

	//如果块设备代表一个磁盘，该域表示其分区被打开的次数;如果代表分区的话，该域为0
	unsigned		bd_part_count;
	int			bd_invalidated;

	//指向所在磁盘的gendisk 
	struct gendisk *	bd_disk;

	
	struct request_queue *  bd_queue;

	//用于链接到全局链表all_bdevs
	struct list_head	bd_list;

	......

};

block_device、hd_struct和gendisk之间的关系如下图：