在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核中一個(gè)重要的組成部分，它用于管理硬盤(pán)、閃存等存儲(chǔ)設(shè)備。Linux內(nèi)核是一個(gè)開(kāi)源、自由的操作系統(tǒng)內(nèi)核，驅(qū)動(dòng)程序源代碼公開(kāi)可用，可以幫助開(kāi)發(fā)人員更好地了解Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)的工作原理。

一、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)概念

1、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種負(fù)責(zé)管理塊設(shè)備(如硬盤(pán)、NVMe快閃存儲(chǔ)器等)的軟件組件，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)塊設(shè)備的讀寫(xiě)操作、磁盤(pán)緩存的管理等。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使得操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種應(yīng)用程序都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口訪問(wèn)塊設(shè)備。

2、Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在Linux內(nèi)核中，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要包含以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

（1）bio

I/O操作描述符(I/O descriptor，簡(jiǎn)稱(chēng)bio)是Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它描述了一個(gè)塊設(shè)備操作的所有細(xì)節(jié)和參數(shù)，包括讀寫(xiě)操作的塊數(shù)、讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)指針、物理地址、緩沖區(qū)大小、操作類(lèi)型等。bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性在于它是向塊設(shè)備發(fā)送I/O操作的載體。

（2）request_queue

request_queue是塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的另一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它管理著一組bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。request_queue中可以管理多個(gè)bio請(qǐng)求，并且可以高效地組織和處理這些請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)新的I/O請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，request_queue會(huì)將其和之前未完成的請(qǐng)求進(jìn)行合并，以提高I/O操作的效率。

（3）gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)

gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)是Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的子結(jié)構(gòu)之一，它是塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和塊設(shè)備層之間的接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)塊設(shè)備(如硬盤(pán)、固態(tài)硬盤(pán)等)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)，以便于被塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和塊設(shè)備層管理和訪問(wèn)。gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)中包括了塊設(shè)備的主要屬性，例如塊大小、可訪問(wèn)的扇區(qū)數(shù)、分區(qū)信息、分塊信息等。

3、Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作流程

Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作流程如下：

（1）初始化塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在Linux內(nèi)核中，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化通常是在模塊加載時(shí)完成的(即init函數(shù)中完成初始化)。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化包括注冊(cè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、創(chuàng)建gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)以及建立request_queue等。

（2）接受并處理I/O請(qǐng)求

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常是被塊設(shè)備層調(diào)用的，以提供塊設(shè)備的讀寫(xiě)服務(wù)，塊設(shè)備層會(huì)將I/O請(qǐng)求通過(guò)request_queue發(fā)送給塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)在這里接收到并處理I/O請(qǐng)求。

（3）處理I/O請(qǐng)求

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)I/O請(qǐng)求的處理，其處理流程通常包括以下幾個(gè)步驟：

• 將待處理的I/O請(qǐng)求從request_queue中取出。
• 將請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為通用的bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到硬件設(shè)備的操作隊(duì)列中。
• 等待硬件設(shè)備完成I/O請(qǐng)求。
• 在I/O請(qǐng)求完成后，將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從硬件設(shè)備的操作隊(duì)列中移除，并修改I/O請(qǐng)求的狀態(tài)。

（4）釋放塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序資源

在Linux內(nèi)核中，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序資源的釋放實(shí)際上是由模塊卸載時(shí)完成的(即exit函數(shù)中完成資源釋放)。在資源釋放時(shí)，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要注銷(xiāo)注冊(cè)設(shè)備、刪除gendisk設(shè)備結(jié)構(gòu)以及銷(xiāo)毀request_queue等。

二、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序源代碼分析

1、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

Linux內(nèi)核中塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序涉及到很多I/O操作，因此需要仔細(xì)編寫(xiě)。下面分別簡(jiǎn)要介紹塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的讀、寫(xiě)和I/O請(qǐng)求處理函數(shù)的編寫(xiě)方法。

（1）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的讀函數(shù)編寫(xiě)

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的讀函數(shù)(read函數(shù))通常是異步的，即它不會(huì)等待傳輸完成。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)讀請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序中的read函數(shù)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)讀取請(qǐng)求，并將其添加到request_queue隊(duì)列中等待處理。一旦請(qǐng)求被添加到request_queue中，驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)返回給調(diào)用者一個(gè)代表讀請(qǐng)求正在處理的值。

（2）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的寫(xiě)函數(shù)編寫(xiě)

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的寫(xiě)函數(shù)(write函數(shù))與讀函數(shù)類(lèi)似，也是異步的，與讀函數(shù)不同的是它需要等待寫(xiě)操作完成。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序中的write函數(shù)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)寫(xiě)請(qǐng)求，并將其添加到request_queue隊(duì)列中等待處理。一旦請(qǐng)求被添加到request_queue中，驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)等待寫(xiě)操作完成后將控制權(quán)限返回給調(diào)用者。

（3）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的I/O請(qǐng)求處理函數(shù)編寫(xiě)

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中最重要的函數(shù)是I/O請(qǐng)求處理函數(shù)，它被用來(lái)接收和處理所有接收到的I/O請(qǐng)求。當(dāng)新的I/O請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，塊設(shè)備層會(huì)將請(qǐng)求通過(guò)request_queue發(fā)送給塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的I/O請(qǐng)求處理函數(shù)進(jìn)行處理。

I/O請(qǐng)求處理函數(shù)主要包括以下幾個(gè)步驟：

• 判斷請(qǐng)求類(lèi)型，并將其應(yīng)用到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
• 將請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為通用的bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加到硬件設(shè)備的操作隊(duì)列中。
• 等待硬件設(shè)備完成I/O請(qǐng)求。
• 在I/O請(qǐng)求完成后，將bio數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從硬件設(shè)備的操作隊(duì)列中移除，并修改I/O請(qǐng)求的狀態(tài)。

2、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序源代碼

下面為讀者介紹Linux內(nèi)核塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)例子(內(nèi)核版本為4.19.0)，該程序負(fù)責(zé)管理SATA磁盤(pán)設(shè)備的讀寫(xiě)操作。

（1）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的頭文件

#include
#include
#include
#include

（2）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的聲明

/* Major number */
static int dev_major = 0;
/* Number of volumes to manage */
static int volumes_count = 3;
/* Default block size for devices (2^logical) */
static int block_size = 512;
/* Sector size of the devices */
static int sector_size = 512;
static int mydrv_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode);
static void mydrv_release(struct gendisk *gd, fmode_t mode);
static int mydrv_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,
unsigned int cmd, unsigned long arg);
static int mydrv_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo);
static struct block_device_operations mydrv_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = mydrv_open,
.release = mydrv_release,
.ioctl = mydrv_ioctl,
.getgeo = mydrv_getgeo,
};
static struct request_queue *mydrv_queue = NULL;
/* Function to handle requests */
static void mydrv_request(struct request_queue *q);

（3）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的模塊加載及卸載函數(shù)

/* Module initialization */
static int __init mydrv_init(void)
{
int ret = -1;
struct gendisk *disk = NULL;
/* Register block device */
dev_major = register_blkdev(dev_major, "mydrv");
if (dev_major <= 0) {
pr_err("mydrv: block device registration failed\n");
goto err_reg;
}
/* Create request queue */
mydrv_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (!mydrv_queue) {
pr_err("mydrv: request queue creation failed\n");
goto err_queue;
}
/* Set request function */
blk_queue_make_request(mydrv_queue, mydrv_request);
/* Initialize volumes */
if (!init_volumes(&mydrv_queue, &disk)) {
pr_err("mydrv: volume initialization failed\n");
goto err_vols;
}
/* Create block device */
if (!add_disk(disk)) { pr_err("mydrv: disk registration failed\n");
goto err_disk;
}
/* Set block device operations */
disk->fops = &mydrv_ops;
/* Success */
return 0;
/* Error handling */
err_disk:
if (disk) {
del_gendisk(disk);
put_disk(disk);
}
err_vols:
blk_cleanup_queue(mydrv_queue);
err_queue:
unregister_blkdev(dev_major, "mydrv");
err_reg:
return ret;
}
/* Module exit */
static void __exit mydrv_exit(void)
{
unregister_blkdev(dev_major, "mydrv");
blk_cleanup_queue(mydrv_queue);
cleanup_volumes();
}

（4）塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的操作函數(shù)

及請(qǐng)求處理函數(shù)。

```c

/* Open operation */

static int mydrv_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode)

{

return 0;

}

/* Release operation */

static void mydrv_release(struct gendisk *gd, fmode_t mode)

{

}

/* Control operation */

static int mydrv_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,

unsigned int cmd, unsigned long arg)

{

return -ENOTTY;

}

/* Geometry function */

static int mydrv_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo)

{

struct mydrv_volume *vol = NULL;

int ret = -1;

/* Get volume information */

vol = bdev->bd_disk->private_data;

if (!vol) {

pr_err("mydrv: invalid volume information\n");

goto out;

}

/* Set geometry */

geo->heads = vol->heads;

geo->sectors = vol->sectors;

geo->cylinders = vol->cylinders;

ret = 0;

out:

return ret;

}



/* Request function */

static void mydrv_request(struct request_queue *q)

{

struct request *req = NULL;

struct bio *bio = NULL;

struct mydrv_volume *vol = NULL;



/* Process all requests in the queue */

while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {

/* Check request type */

if (req->cmd_type != REQ_TYPE_FS) {

pr_err("mydrv: wrong request type\n");

__blk_end_request_all(req, -EIO);

continue;

}

/* Process all bio requests */

__rq_for_each_bio(bio, req) {

/* Get volume */

vol = bio->bi_bdev->bd_disk->private_data;

if (!vol) {

pr_err("mydrv: invalid volume information\n");

__blk_end_request_all(req, -EIO);

continue;

}

/* Process bio request */

switch (bio_rw(bio)) {

case READ:

mydrv_read(vol, bio);

break;

case WRITE:

mydrv_write(vol, bio);

break;

default:

pr_err("mydrv: wrong I/O operation\n");

__blk_end_request_all(req, -EIO);

break;

}

}

/* End request */

__blk_end_request_all(req, 0);

}

}

三、總結(jié)

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核中非常重要的組件之一，它負(fù)責(zé)處理塊設(shè)備的讀寫(xiě)操作，為操作系統(tǒng)內(nèi)核和各種應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口。在塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)過(guò)程中，需要仔細(xì)處理讀、寫(xiě)和I/O請(qǐng)求處理函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)塊設(shè)備的最佳操作效率。

希望大家通過(guò)閱讀本文，了解和掌握塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理，進(jìn)一步提高對(duì)Linux內(nèi)核的理解和認(rèn)知。