request到ATA cmd的转换过程

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1. 知识铺垫

　　据我所知（可能并不准确），Linux的存储系统基本上都已经被整合到SCSI存储框架之下，SAS自不必说，像SATA接口的设备（机械硬盘、SSD、光驱），USB设备都已经由SCSI框架管理，而NVMe虽然还未完全融入SCSI存储框架（Kernel 3.16.0），但是已经预留了SCSI有关的接口，相信随着内核的更新，Intel一定会推动把NVMe也纳入到SCSI的管理之下。

　　在阅读之前，应当提前了解的是：应用层的读写操作，会以bio的形式提交给block层，然后，block会把bio转换成request，并把该request加入到专为某个SCSI device服务的request queue中，接下来会有内核线程适时地从该queue中摘取request，并转换成SCSI cmd，再转换成ATA cmd，最终交由AHCI Controller（对于AHCI，实际上会把ATA cmd转换成FIS结构）发向硬盘执行。

　　SCSI与ATA本就是两套不同的标准，因此它们各自的命令集是不同的，虽然有些功能类似的cmd，但是cmd格式还是不同的。

　　本文主要关注的是从request queue中摘取request并最终交由SATA硬盘处理的过程，因此其他无关的内容不会过多涉及。 

2. 转换流程

　　虽然下面的内容仅针对AHCI，但是所讲述的request到ATA cmd的转换过程，对PATA或者AHCI的IDE mode也基本相同。

2.1 request queue是什么？从何而来？

　　任何一个PCI Device，其驱动程序一定要实例化struct pci_driver结构，通常.probe成员被认为是初始化函数，也就是加载driver时第一个要被执行的函数（module_init()声明的函数才是第一个被执行的函数）。在AHCI driver的ahci_init_one(即.probe成员)函数中调用ata_host_register()来注册Controller，其中会调用scsi_alloc_sdev()来创建scsi device，在该函数中，创建了该scsi device对应的request queue，并指定了超时处理函数等信息。

　　从scsi_alloc_queue()得知，从queue中摘取request的工作交由scsi_request_fn来完成，而队列中的request则是在提交了bio之后，由make_request_fn()负责转换并加入队列的。 

2.2 request转换成SCSI cmd的过程

　　第一步，尝试从queue中摘取request（因为scsi_request_fn的调用时机并不一定是有request插入到队列中，还有可能是完成一个request时，所以这里用“尝试”一词），如果摘取到request，并且可以向device发送cmd，则继续执行，否则跳出scsi_request_fn，等待下一次被调用。

　　在这里，blk_peek_request()会从request queue中取出request，然后创建对应的SCSI cmd结构，并且调用prep_rq_fn()进行必要的初始化（例如分配sg list），special成员，后面会用到；scsi_dev_queue_ready可能返回0的条件是：device被block了，或者device已经满负荷，不能再接收新的cmd了。

　　第二步，从request的special成员取出scsi_cmd结构体，也就是说special成员的实际结构就是scsi_cmd，并进行一些必要的赋值操作。

　　第三步，调用scsi_dispatch_cmd()，进一步初始化scsi_cmd结构体（例如指定scsi_cmd的scsi_done回调函数等），并向下层转发SCSI cmd。

2.3 由SCSI cmd转换成ATA cmd

　　接着2.2的第三步， scsi_dispatch_cmd()一路调用下来，会调用到__ata_scsi_queuecmd()，该函数的作用就是获取SCSI cmd到ATA cmd的转换接口函数，并且调用该接口正式将SCSI cmd转换成ATA cmd。具体地：

　　首先，根据scsi cmd的操作码，查询是否有对应的转成ATA cmd的函数。这是针对硬盘的处理：

 

　　下面是操作码对应的转换函数：

 

　　从ata_get_xlat_func()可以看出，并不是每个SCSI cmd都能转换成ATA cmd（SCSI SPEC与ATA SPEC本就有两套不同的命令集），因此在实际运行过程中，有可能遇到该函数返回NULL的情形。对于能够找到转换函数的SCSI cmd，就调用相应的转换函数把它转换成ATA cmd，对于无法找到转换函数的SCSI cmd，就根据该cmd的功能，用其他手段来模拟该cmd的执行，只要达到执行该SCSI cmd的目的即可。

　　例如READ_6（SCSI cmd）对应的转换函数是ata_scsi_rw_xlat()，该函数内部通过调用ata_build_rw_tf()来把SCSI cmd转换成task_file结构，该结构就代表了一个ATA cmd，早期的PATA driver中，可以直接把该结构的成员写入到Controller的各个寄存器中，从而触发Controller向PATA device发送ATA cmd。 

2.4 ATA cmd被转换成FIS结构，然后发往硬盘

　　AHCI Controller不能识别task file结构，它只能识别FIS结构，因此要想控制硬盘，还需要把ATA cmd转换成FIS结构，再填入AHCI Controller的寄存器中。这一切都是在Low Level Driver中完成的，这些工作是通过ata_scsi_translate()接口来封装。该函数分四步执行：

 

第一步：获取一个空闲cmd slot的tag

　　tag用以表示“有权力”向Controller的寄存器中写入代表ATA cmd的FIS结构（后面提到的FIS指的就是ATA cmd对应的FIS结构），AHCI Controller共有32个cmd slot，用tag 0来表示第1个cmd slot，tag 31表示最后一个cmd slot，成功获取一个tag，就意味着获得对应的cmd slot，也就拥有了它所对应的内存资源、寄存器等的操作控制权。

　　另外，还应当了解在32个cmd slot中，最后一个有特殊用途，因此，理论上Driver可以同时向AHCI Controller写入31个FIS结构，即AHCI Controller可以在无需driver参与的情况下连续向硬盘发送31个cmd。

第二步：把SCSI cmd对应的sg list赋给tag对应的qc结构的。

　　qc结构体代表和维护一个ATA cmd，它包含的内容更加丰富（例如包含有tag信息、sg list信息等），Low Level Driver在操作ATA cmd相关的内容时就以qc为原料。

　　对于有DMA传输的ATA cmd，那么一定需要sg list结构，ata_sg_init()仅仅是把SCSI cmd中的sg list信息赋给qc结构，实际上sg list是在2.2的blk_peek_request()中创建的。

第三步：指定qc的complete回调函数，即cmd完成后，会调用该函数。

　　在中断处理函数中，完成一个ATA cmd之后，会从ata_qc_complete()开始一步步调用至该回调函数。

第四步：把ATA cmd转换成FIS，写入到AHCI Controller的寄存器中

　　ata_qc_issue()的主体就是两个函数：一是qc_prep()，二是qc_issue()，它们在ahci driver中分别对应ahci_qc_prep()，和ahci_qc_issue()。

ahci_qc_prep()的工作：

　　调用ata_tf_to_fis()把task file（即ATA cmd）转换成FIS，调用ahci_fill_sg()把sg list填写到寄存器中（即PRD table），调用ahci_fill_cmd_slot()填写cmd slot寄存器（32 Byte长的cmd header结构）。

ahci_qc_issue()的工作：

　　 触发PxCI寄存器（如果是NCQ cmd，还会同时写PxSACT寄存器），通知Controller向硬盘发送FIS结构吧。