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第六十八章 Linux 块设备驱动实验
前面我们都是在学习字符设备驱动，本章我们来学习一下块设备驱动框架，块设备驱动是Linux三大驱动类型之一。块设备驱动要远比字符设备驱动复杂得多，不同类型的存储设备又对应不同的驱动子系统，本章我们重点学习一下块设备相关驱动概念，不涉及到具体的存储设备。最后，我们使用ALPHA开发板板载RAM模拟一个块设备，学习块设备驱动框架的使用。
68.1 什么是块设备？
块设备是针对存储设备的，比如SD卡、EMMC、NAND Flash、Nor Flash、SPI Flash、机械硬盘、固态硬盘等。因此块设备驱动其实就是这些存储设备驱动，块设备驱动相比字符设备驱动的主要区别如下：
①、块设备只能以块为单位进行读写访问，块是linux虚拟文件系统(VFS)基本的数据传输单位。字符设备是以字节为单位进行数据传输的，不需要缓冲。
②、块设备在结构上是可以进行随机访问的，对于这些设备的读写都是按块进行的，块设备使用缓冲区来暂时存放数据，等到条件成熟以后在一次性将缓冲区中的数据写入块设备中。这么做的目的为了提高块设备寿命，大家如果仔细观察的话就会发现有些硬盘或者NAND Flash就会标明擦除次数(flash的特性，写之前要先擦除)，比如擦除100000次等。因此，为了提高块设备寿命而引入了缓冲区，数据先写入到缓冲区中，等满足一定条件后再一次性写入到真正的物理存储设备中，这样就减少了对块设备的擦除次数，提高了块设备寿命。
字符设备是顺序的数据流设备，字符设备是按照字节进行读写访问的。字符设备不需要缓冲区，对于字符设备的访问都是实时的，而且也不需要按照固定的块大小进行访问。
块设备结构的不同其I/O算法也会不同，比如对于EMMC、SD卡、NAND Flash这类没有任何机械设备的存储设备就可以任意读写任何的扇区(块设备物理存储单元)。但是对于机械硬盘这样带有磁头的设备，读取不同的盘面或者磁道里面的数据，磁头都需要进行移动，因此对于机械硬盘而言，将那些杂乱的访问按照一定的顺序进行排列可以有效提高磁盘性能，linux里面针对不同的存储设备实现了不同的I/O调度算法。
68.2 块设备驱动框架
68.2.1 block_device结构体
linux内核使用block_device表示块设备，block_device为一个结构体，定义在include/linux/fs.h文件中，结构体内容如下：
示例代码68.2.1.1 block_device结构体
1 struct block_device {
2 dev_t bd_dev;
3 int bd_openers;
4 struct inode *bd_inode;
5 struct super_block *bd_super;
6 struct mutex bd_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
19 unsigned bd_part_count;
20 int bd_invalidated;
21 struct gendisk *bd_disk;
22 struct request_queue *bd_queue;
23 struct list_head bd_list;
24
30 unsigned long bd_private;
31
32
33 int bd_fsfreeze_count;
34
35 struct mutex bd_fsfreeze_mutex;
36 };
对于block_device结构体，我们重点关注一下第21行的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。 1、注册块设备 和字符设备驱动一样，我们需要向内核注册新的块设备、申请设备号，块设备注册函数为register_blkdev，函数原型如下：
int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)
函数参数和返回值含义如下：
major：主设备号。
name：块设备名字。
返回值：如果参数major在1255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(1255)，如果返回负值那就表示注册失败。
2、注销块设备
和字符设备驱动一样，如果不使用某个块设备了，那么就需要注销掉，函数为unregister_blkdev，函数原型如下：
void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)
函数参数和返回值含义如下：
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。
68.2.2 gendisk结构体
linux内核使用gendisk来描述一个磁盘设备，这是一个结构体，定义在include/linux/genhd.h中，内容如下：
示例代码68.2.2.1 gendisk结构体
1 struct gendisk {
2
5 int major;
6 int first_minor;
7 int minors;
9
10 char disk_name[DISK_NAME_LEN];
11 char *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);
12
13 unsigned int events;
14 unsigned int async_events;
15
16
21 struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;
22 struct hd_struct part0;
23
24 const struct block_device_operations *fops;
25 struct request_queue *queue;
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;
34 struct disk_events *ev;
35 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY
36 struct blk_integrity *integrity;
37 #endif
38 int node_id;
39 };
我们简单看一下gendisk结构体中比较重要的几个成员变量：
第5行，major为磁盘设备的主设备号。
第6行，first_minor为磁盘的第一个次设备号。
第7行，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。
第21行，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。
第24行，fops为块设备 *** 作集，为block_device_operations结构体类型。和字符设备 *** 作集file_operations一样，是块设备驱动中的重点！
第25行，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。
编写块的设备驱动的时候需要分配并初始化一个gendisk，linux内核提供了一组gendisk *** 作函数，我们来看一下一些常用的API函数。
1、申请gendisk
使用gendisk之前要先申请，allo_disk函数用于申请一个gendisk，函数原型如下：
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。
2、删除gendisk
如果要删除gendisk的话可以使用函数del_gendisk，函数原型如下：
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。
3、将gendisk添加到内核
使用alloc_disk申请到gendisk以后系统还不能使用，必须使用add_disk函数将申请到的gendisk添加到内核中，add_disk函数原型如下：
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。
4、设置gendisk容量
每一个磁盘都有容量，所以在初始化gendisk的时候也需要设置其容量，使用函数set_capacity，函数原型如下：
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。块设备中最小的可寻址单元是扇区，一个扇区一般是512字节，有些设备的物理扇区可能不是512字节。不管物理扇区是多少，内核和块设备驱动之间的扇区都是512字节。所以set_capacity函数设置的大小就是块设备实际容量除以512字节得到的扇区数量。比如一个2MB的磁盘，其扇区数量就是(210241024)/512=4096。
返回值：无。
5、调整gendisk引用计数
内核会通过get_disk和put_disk这两个函数来调整gendisk的引用计数，根据名字就可以知道，get_disk是增加gendisk的引用计数，put_disk是减少gendisk的引用计数，这两个函数原型如下所示：
truct kobject *get_disk(struct gendisk *disk)
void put_disk(struct gendisk *disk)
68.2.3 block_device_operations结构体
和字符设备的file _operations一样，块设备也有 *** 作集，为结构体block_device_operations，此结构体定义在include/linux/blkdev.h中，结构体内容如下：
示例代码68.2.3.1 block_device_operations结构体
1 struct block_device_operations {
2 int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
3 void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
4 int (*rw_page)(struct block_device *, sector_t, struct page *,
int rw);
5 int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned,
unsigned long);
6 int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned,
unsigned long);
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
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 *);
16
17 void (*swap_slot_free_notify) (struct block_device *,
unsigned long);
18 struct module *owner;
19 };
可以看出，block_device_operations结构体里面的 *** 作集函数和字符设备的file_operations *** 作集基本类似，但是块设备的 *** 作集函数比较少，我们来看一下其中比较重要的几个成员函数： 第2行，open函数用于打开指定的块设备。 第3行，release函数用于关闭(释放)指定的块设备。 第4行，rw_page函数用于读写指定的页。 第5行，ioctl函数用于块设备的I/O控制。 第6行，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。 第15行，getgeo函数用于获取磁盘信息，包括磁头、柱面和扇区等信息。 第18行，owner表示此结构体属于哪个模块，一般直接设置为THIS_MODULE。
68.2.4 块设备I/O请求过程
大家如果仔细观察的话会在block_device_operations结构体中并没有找到read和write这样的读写函数，那么块设备是怎么从物理块设备中读写数据？这里就引出了块设备驱动中非常重要的request_queue、request和bio。
1、请求队列request_queue
内核将对块设备的读写都发送到请求队列request_queue中，request_queue中是大量的request(请求结构体)，而request又包含了bio，bio保存了读写相关数据，比如从块设备的哪个地址开始读取、读取的数据长度，读取到哪里，如果是写的话还包括要写入的数据等。我们先来看一下request_queue，这是一个结构体，定义在文件include/linux/blkdev.h中，由于request_queue结构体比较长，这里就不列出来了。大家回过头看一下示例代码68.2.2.1的gendisk结构体就会发现里面有一个request_queue结构体指针类型成员变量queue，也就说在编写块设备驱动的时候，每个磁盘(gendisk)都要分配一个request_queue。
①、初始化请求队列
我们首先需要申请并初始化一个request_queue，然后在初始化gendisk的时候将这个request_queue地址赋值给gendisk的queue成员变量。使用blk_init_queue函数来完成request_queue的申请与初始化，函数原型如下：
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。
②、删除请求队列
当卸载块设备驱动的时候我们还需要删除掉前面申请到的request_queue，删除请求队列使用函数blk_cleanup_queue，函数原型如下：
void 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。
③、分配请求队列并绑定制造请求函数
blk_init_queue函数完成了请求队列的申请已经请求处理函数的绑定，这个一般用于像机械硬盘这样的存储设备，需要I/O调度器来优化数据读写过程。但是对于EMMC、SD卡这样的非机械设备，可以进行完全随机访问，所以就不需要复杂的I/O调度器了。对于非机械设备我们可以先申请request_queue，然后将申请到的request_queue与“制造请求”函数绑定在一起。先来看一下request_queue申请函数blk_alloc_queue，函数原型如下：
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。
我们需要为blk_alloc_queue函数申请到的请求队列绑定一个“制造请求”函数(其他参考资料将其直接翻译为“制造请求”函数)。这里我们需要用到函数blk_queue_make_request，函数原型如下：
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
请求队列(request_queue)里面包含的就是一系列的请求(request)，request是一个结构体，定义在include/linux/blkdev.h里面，这里就不展开request结构体了，太长了。request里面有一个名为“bio”的成员变量，类型为bio结构体指针。前面说了，真正的数据就保存在bio里面，所以我们需要从request_queue中取出一个一个的request，然后再从每个request里面取出bio，最后根据bio的描述讲数据写入到块设备，或者从块设备中读取数据。
①、获取请求
我们需要从request_queue中依次获取每个request，使用blk_peek_request函数完成此 *** 作，函数原型如下：
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。
②、开启请求
使用blk_peek_request函数获取到下一个要处理的请求以后就要开始处理这个请求，这里要用到blk_start_request函数，函数原型如下：
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。
③、一步到位处理请求
我们也可以使用blk_fetch_request函数来一次性完成请求的获取和开启，blk_fetch_request函数很简单，内容如下：
示例代码68.2.4.1 blk_fetch_request函数源码
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 }
可以看出，blk_fetch_request就是直接调用了blk_peek_request和blk_start_request这两个函数。
④、其他和请求有关的函数
关于请求的API还有很多，常见的见表68.2.4.1：
表68.2.4.1 请求相关API函数
3、bio结构
每个request里面里面会有多个bio，bio保存着最终要读写的数据、地址等信息。上层应用程序对于块设备的读写会被构造成一个或多个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。上层会将bio提交给I/O调度器，I/O调度器会将这些bio构造成request结构，而一个物理存储设备对应一个request_queue，request_queue里面顺序存放着一系列的request。新产生的bio可能被合并到request_queue里现有的request中，也可能产生新的request，然后插入到request_queue中合适的位置，这一切都是由I/O调度器来完成的。request_queue、request和bio之间的关系如图68.2.4.1所示：
图68.2.4.1 request_queue、request和bio之间的关系
bio是个结构体，定义在include/linux/blk_types.h中，结构体内容如下：
示例代码68.2.4.2 bio结构体
1 struct bio {
2 struct bio *bi_next;
3 struct block_device *bi_bdev;
4 unsigned long bi_flags;
5 unsigned long bi_rw;
6 struct bvec_iter bi_iter;
7 unsigned int bi_phys_segments;
8 unsigned int bi_seg_front_size;
9 unsigned int bi_seg_back_size;
10 atomic_t bi_remaining;
11 bio_end_io_t *bi_end_io;
12 void *bi_private;
13 #ifdef CONFIG_BLK_CGROUP
14
18 struct io_context *bi_ioc;
19 struct cgroup_subsys_state *bi_css;
20 #endif
21 union {
22 #if defined(CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY)
23 struct bio_integrity_payload *bi_integrity;
24 #endif
25 };
26
27 unsigned short bi_vcnt;
28 unsigned short bi_max_vecs;
29 atomic_t bi_cnt;
30 struct bio_vec *bi_io_vec;
31 struct bio_set *bi_pool;
32 struct bio_vec bi_inline_vecs[0];
33 };
重点来看一下第6行和第30行，第6行为bvec_iter结构体类型的成员变量，第30行为bio_vec结构体指针类型的成员变量。 bvec_iter结构体描述了要 *** 作的设备扇区等信息，结构体内容如下：
示例代码68.2.4.3 bvec_iter结构体
1 struct bvec_iter {
2 sector_t bi_sector;
3 unsigned int bi_size;
4 unsigned int bi_idx;
5 unsigned int bi_bvec_done;
6 };
bio_vec结构体描述了内容如下：
示例代码68.2.4.4 bio_vec结构体
1 struct bio_vec {
2 struct page *bv_page;
3 unsigned int bv_len;
4 unsigned int bv_offset;
5 };
可以看出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。 我们对于物理存储设备的 *** 作不外乎就是将RAM中的数据写入到物理存储设备中，或者将物理设备中的数据读取到RAM中去处理。数据传输三个要求：数据源、数据长度以及数据目的地，也就是你要从物理存储设备的哪个地址开始读取、读取到RAM中的哪个地址处、读取的数据长度是多少。既然bio是块设备最小的数据传输单元，那么bio就有必要描述清楚这些信息，其中bi_iter这个结构体成员变量就用于描述物理存储设备地址信息，比如要 *** 作的扇区地址。bi_io_vec指向bio_vec数组首地址，bio_vec数组就是RAM信息，比如页地址、页偏移以及长度，“页地址”是linux内核里面内存管理相关的概念，这里我们不深究linux内存管理，我们只需要知道对于RAM的 *** 作最终会转换为页相关 *** 作。 bio、bvec_iter以及bio_vec这三个机构体之间的关系如图68.4.2.2所示：
图68.4.2.2 bio、bio_iter与bio_vec之间的关系
①、遍历请求中的bio
前面说了，请求中包含有大量的bio，因此就涉及到遍历请求中所有bio并进行处理。遍历请求中的bio使用函数__rq_for_each_bio，这是一个宏，内容如下：
示例代码68.2.4.5 __rq_for_each_bio函数
#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 *** 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。 ②、遍历bio中的所有段
bio包含了最终要 *** 作的数据，因此还需要遍历bio中的所有段，这里要用到bio_for_each_segment函数，此函数也是一个宏，内容如下：
示例代码68.2.4.6 bio_for_each_segment函数
#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。 ③、通知bio处理结束 如果使用“制造请求”，也就是抛开I/O调度器直接处理bio的话，在bio处理完成以后要通过内核bio处理完成，使用bio_endio函数，函数原型如下：
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
68.3 使用请求队列实验
关于块设备架构就讲解这些，接下来我们使用开发板上的RAM模拟一段块设备，也就是ramdisk，然后编写块设备驱动。
68.3.1 实验程序编写
本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux驱动例程-> 24_ramdisk_withrequest。
首先是传统的使用请求队列的时候，也就是针对机械硬盘的时候如何编写驱动。由于实验程序稍微有点长，因此我们就分步骤来讲解一下，本实验参考自linux内核drivers/block/z2ram.c。打开实验源码，我们先来一下一相关的宏定义和结构体，代码如下：
示例代码68.3.1.1 宏定义和结构体 1 #include...... 21 #include 22 33 34 #define RAMDISK_SIZE (2 * 1024 * 1024) 35 #define RAMDISK_NAME "ramdisk" 36 #define RADMISK_MINOR 3 37 38 39 struct ramdisk_dev{ 40 int major; 41 unsigned char *ramdiskbuf; 42 spinlock_t lock; 43 struct gendisk *gendisk; 44 struct request_queue *queue; 45 }; 46 47 struct ramdisk_dev ramdisk;
第34~36行，实验相关宏定义，RAMDISK_SIZE就是模拟块设备的大小，这里设置为2MB，也就是说本实验中的虚拟块设备大小为2MB。RAMDISK_NAME为本实验名字，RADMISK_MINOR是本实验此设备号数量，注意不是次设备号！此设备号数量决定了本块设备的磁盘分区数量。 第39~45行，ramdisk的设备结构体。 第47行，定义一个ramdisk示例。 接下来看一下驱动模块的加载与卸载，内容如下：
示例代码68.3.1.2 驱动模块加载与卸载
1
6 static int __init ramdisk_init(void)
7 {
8 int ret = 0;
9
10
11 ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL);
12 if(ramdisk.ramdiskbuf == NULL) {
13 ret = -EINVAL;
14 goto ram_fail;
15 }
16
17
18 spin_lock_init(&ramdisk.lock);
19
20
21 ramdisk.major = register_blkdev(0, RAMDISK_NAME);
22 if(ramdisk.major < 0) {
23 goto register_blkdev_fail;
24 }
25 printk("ramdisk major = %drn", ramdisk.major);
26
27
28 ramdisk.gendisk = alloc_disk(RADMISK_MINOR);
29 if(!ramdisk.gendisk) {
30 ret = -EINVAL;
31 goto gendisk_alloc_fail;
32 }
33
34
35 ramdisk.queue = blk_init_queue(ramdisk_request_fn,
&ramdisk.lock);
36 if(!ramdisk.queue) {
37 ret = -EINVAL;
38 goto blk_init_fail;
39 }
40
41
42 ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major;
43 ramdisk.gendisk->first_minor = 0;
44 ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops;
45 ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk;
46 ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue;
47 sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, RAMDISK_NAME);
48 set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE/512);
49 add_disk(ramdisk.gendisk);
50
51 return 0;
52
53 blk_init_fail:
54 put_disk(ramdisk.gendisk);
55 gendisk_alloc_fail:
56 unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);
57 register_blkdev_fail:
58 kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
59 ram_fail:
60 return ret;
61 }
62
63
68 static void __exit ramdisk_exit(void)
69 {
70
71 del_gendisk(ramdisk.gendisk);
72 put_disk(ramdisk.gendisk);
73
74
75 blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);
76
77
78 unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);
79
80
81 kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
82 }
83
84 module_init(ramdisk_init);
85 module_exit(ramdisk_exit);
86 MODULE_LICENSE("GPL");
87 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
ramdisk_init和ramdisk_exit这两个函数分别为驱动入口以及出口函数，我们依次来看一下这两个函数。 第11行，因为本实验是使用一块内存模拟真实的块设备，因此这里先使用kzalloc函数申请用于ramdisk实验的内存，大小为2MB。 第18行，初始化一个自旋锁，blk_init_queue函数在分配并初始化请求队列的时候需要用到一次自旋锁。 第21行，使用register_blkdev函数向内核注册一个块设备，返回值就是注册成功的块设备主设备号。这里我们让内核自动分配一个主设备号，因此register_blkdev函数的第一个参数为0。 第28行，使用alloc_disk分配一个gendisk。 第35行，使用blk_init_queue函数分配并初始化一个请求队列，请求处理函数为ramdisk_request_fn，具体的块设备读写 *** 作就在此函数中完成，这个需要驱动开发人员去编写，稍后讲解。 第42~47行，初始化第28行申请到的gendisk，重点是第44行设置gendisk的fops成员变量，也就是设置块设备的 *** 作集。这里设置为ramdisk_fops，需要驱动开发人员自行编写实现，稍后讲解。 第48行，使用set_capacity函数设置本块设备容量大小，注意这里的大小是扇区数，不是字节数，一个扇区是512字节。 第49行，gendisk初始化完成以后就可以使用add_disk函数将gendisk添加到内核中，也就是向内核添加一个磁盘设备。 ramdisk_exit函数就比较简单了，在卸载块设备驱动的时候需要将前面申请的内容都释放掉。第71和72行使用put_disk和del_gendis函数释放前面申请的gendisk，第75行使用blk_cleanup_queue函数消除前面申请的请求队列，第78行使用unregister_blkdev函数注销前面注册的块设备，最后调用kfree来释放掉申请的内存。 在ramdisk_init函数中设置了gendisk的fops成员变量，也就是块设备的 *** 作集，具体内容如下：
示例代码68.3.1.3 gendisk的fops *** 作集
1
7 int ramdisk_open(struct block_device *dev, fmode_t mode)
8 {
9 printk("ramdisk openrn");
10 return 0;
11 }
12
13
19 void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
20 {
21 printk("ramdisk releasern");
22 }
23
24
30 int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev,
struct hd_geometry *geo)
31 {
32
33 geo->heads = 2;
34 geo->cylinders = 32;
35 geo->sectors = RAMDISK_SIZE / (2 * 32 *512);
36 return 0;
37 }
38
39
42 static struct block_device_operations ramdisk_fops =
43 {
44 .owner = THIS_MODULE,
45 .open = ramdisk_open,
46 .release = ramdisk_release,
47 .getgeo = ramdisk_getgeo,
48 };
第42~48行就是块设备的 *** 作集block_device_operations，本例程实现的比较简单，仅仅实现了open、release和getgeo，其中open和release函数都是空函数。重点是getgeo函数，第30~37行就是getgeo的具体实现，此函数用户获取磁盘信息，信息保存在参数geo中，为结构体hd_geometry类型，如下：
示例代码68.3.1.4 hd_geometry结构体
1 struct hd_geometry {
2 unsigned char heads;
3 unsigned char sectors;
4 unsigned short cylinders;
5 unsigned long start;
6 };
本例程中设置ramdisk有2个磁头(head)、一共有32个柱面(cylinderr)。知道磁盘总容量、磁头数、柱面数以后我们就可以计算出一个磁道上有多少个扇区了，也就是hd_geometry中的sectors成员变量。 最后就是非常重要的请求处理函数，使用blk_init_queue函数初始化队列的时候需要指定一个请求处理函数，本例程中注册的请求处理函数如下所示：
示例代码68.3.1.5 请求处理函数
1
6 static void ramdisk_transfer(struct request *req)
7 {
8 unsigned long start = blk_rq_pos(req) << 9;
9 unsigned long len = blk_rq_cur_bytes(req);
10
11
15 void *buffer = bio_data(req->bio);
16
17 if(rq_data_dir(req) == READ)
18 memcpy(buffer, ramdisk.ramdiskbuf + start, len);
19 else if(rq_data_dir(req) == WRITE)
20 memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + start, buffer, len);
21
22 }
23
24
29 void ramdisk_request_fn(struct request_queue *q)
30 {
31 int err = 0;
32 struct request *req;
33
34
35 req = blk_fetch_request(q);
36 while(req != NULL) {
37
38
39 ramdisk_transfer(req);
40
41
44 if (!__blk_end_request_cur(req, err))
45 req = blk_fetch_request(q);
46 }
47 }
请求处理函数的重要内容就是完成从块设备中读取数据，或者向块设备中写入数据。首先来看一下29~47行的ramdisk_request_fn函数，这个就是请求处理函数。此函数只要一个参数q，为request_queue结构体指针类型，也就是要处理的请求队列，因此ramdisk_request_fn函数的主要工作就是依次处理请求队列中的所有请求。第35行，首先使用blk_fetch_request函数获取请求队列中第一个请求，如果请求不为空的话就调用ramdisk_transfer函数进行对请求做进一步的处理，然后就是while循环依次处理完请求队列中的每个请求。第44行使用__blk_end_request_cur函数检查是否为最后一个请求，如果不是的话就继续获取下一个，直至整个请求队列处理完成。
ramdisk_transfer函数完成清楚中的数据处理，第8行调用blk_rq_pos函数从请求中获取要 *** 作的块设备扇区地址，第9行使用blk_rq_cur_bytes函数获取请求要 *** 作的数据长度，第15行使用bio_data函数获取请求中bio保存的数据。第17 ~20行调用rq_data_dir函数判断当前是读还是写，如果是写的话就将bio中的数据拷贝到ramdisk指定地址(扇区)，如果是读的话就从ramdisk中的指定地址(扇区)读取数据放到bio中。
68.3.2 运行测试
编译上一小节的驱动，得到ramdisk.ko驱动模块，然后拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15中。输入如下命令加载ramdisk.ko这个驱动模块。
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe ramdisk.ko //加载驱动模块
1、查看ramdisk磁盘
驱动加载成功以后就会在/dev/目录下生成一个名为“ramdisk”的设备， 输入如下命令查看ramdisk磁盘信息：
fdisk -l //查看磁盘信息
上述命令会将当前系统中所有的磁盘信息都打印出来，其中就包括了ramdisk设备，如图68.3.2.1所示：
图68.3.2.1 ramdisk磁盘信息
从图68.3.2.1可以看出，ramdisk已经识别出来了，大小为2MB，但是同时也提示/dev/ramdisk没有分区表，因为我们还没有格式化/dev/ramdisk。
2、格式化/dev/ramdisk
使用mkfs.vfat命令格式化/dev/ramdisk，将其格式化成vfat格式，输入如下命令：
mkfs.vfat /dev/ramdisk
格式化完成以后就可以挂载/dev/ramdisk来访问了，挂载点可以自定义，这里笔者就将其挂载到/tmp目录下，输入如下命令：
mount /dev/ramdisk /tmp
挂载成功以后就可以通过/tmp来访问ramdisk这个磁盘了，进入到/tmp目录中，可以通过vi命令新建一个txt文件来测试磁盘访问是否正常。
68.4 不使用请求队列实验
68.4.1 实验程序编写
本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux驱动例程-> 25_ramdisk_norequest。
前面我们学习了如何使用请求队列，请求队列会用到I/O调度器，适合机械硬盘这种存储设备。对于EMMC、SD、ramdisk这样没有机械结构的存储设备，我们可以直接访问任意一个扇区，因此可以不需要I/O调度器，也就不需要请求队列了，这个我们前面已经说过了。本实验就来学习一下如何使用“制造请求”方法，本实验在上一个实验的基础上修改而来，参考了linux内核drivers/block/zram/zram_drv.c。重点来看一下与上一个实验不同的地方，首先是驱动入口函数ramdisk_init，ramdisk_init函数大部分和上一个实验相同，只是本实验中改为使用blk_queue_make_request函数设置“制造请求”函数，修改后的ramdisk_init函数内容如下(有省略)：
示例代码68.4.1.1 ramdisk_init函数
1 static int __init ramdisk_init(void)
2 {
......
29
30
31 ramdisk.queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
32 if(!ramdisk.queue){
33 ret = -EINVAL;
34 goto blk_allo_fail;
35 }
36
37
38 blk_queue_make_request(ramdisk.queue, ramdisk_make_request_fn);
39
40
41 ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major;
42 ramdisk.gendisk->first_minor = 0;
43 ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops;
44 ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk;
45 ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue;
46 sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, RAMDISK_NAME);
47 set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE/512);
48 add_disk(ramdisk.gendisk);
49
......
60 return ret;
61 }
ramdisk_init函数中第31~38行就是与上一个实验不同的地方，这里使用blk_alloc_queue和blk_queue_make_request这两个函数取代了上一个实验的blk_init_queue函数。
第31行，使用blk_alloc_queue函数申请一个请求队列。
第38行，使用blk_queue_make_request函数设置“制造请求”函数，这里设置的制造请求函数为ramdisk_make_request_fn，这个需要驱动编写人员去实现，稍后讲解。
第43行，设置块设备 *** 作集为ramdisk_fops，和上一个实验一模一样，这里就不讲解了。
接下来重点看一下“制造请求”函数ramdisk_make_request_fn，函数内容如下：
示例代码68.4.1.2 ramdisk_make_request_fn函数
1
6 void ramdisk_make_request_fn(struct request_queue *q,
struct bio *bio)
7 {
8 int offset;
9 struct bio_vec bvec;
10 struct bvec_iter iter;
11 unsigned long len = 0;
12
13 offset = (bio->bi_iter.bi_sector) << 9;
14
15
16 bio_for_each_segment(bvec, bio, iter){
17 char *ptr = page_address(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset;
18 len = bvec.bv_len;
19
20 if(bio_data_dir(bio) == READ)
21 memcpy(ptr, ramdisk.ramdiskbuf + offset, len);
22 else if(bio_data_dir(bio) == WRITE)
23 memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + offset, ptr, len);
24 offset += len;
25 }
26 set_bit(BIO_UPTODATE, &bio->bi_flags);
27 bio_endio(bio, 0);
28 }
虽然ramdisk_make_request_fn函数第一个参数依旧是请求队列，但是实际上这个请求队列不包含真正的请求，所有的处理内容都在第二个bio参数里面，所以ramdisk_make_request_fn函数里面是全部是对bio的 *** 作。
第13行，直接读取bio的bi_iter成员变量的bi_sector来获取要 *** 作的设备地址(扇区)。
第16~25行，使用bio_for_each_segment函数循环获取bio中的每个段，然后对其每个段进行处理。
第17行，根据bio_vec中页地址以及偏移地址转换为真正的数据起始地址。
第18行，获取要出来的数据长度，也就是bio_vec的bv_len成员变量。
第20~23行，和上一个实验一样，要 *** 作的块设备起始地址知道了，数据的存放地址以及长度也知道，接下来就是根据读写 *** 作将数据从块设备中读出来，或者将数据写入到块设备中。
第27行，调用bio_endio函数，结束bio。
68.4.2 运行测试
测试方法和上一个实验一样，参考68.3.2小节即可。
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