嵌入式Linux設備驅(qū)動開發(fā)之：塊設備驅(qū)動編程

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11.4??塊設備驅(qū)動編程

塊設備通常指一些需要以塊（如512字節(jié)）的方式寫入的設備，如IDE硬盤、SCSI硬盤、光驅(qū)等。它的驅(qū)動程序的編寫過程與字符型設備驅(qū)動程序的編寫有很大的區(qū)別。

塊設備驅(qū)動編程接口相對復雜，不如字符設備明晰易用。塊設備驅(qū)動程序?qū)φ麄€系統(tǒng)的性能影響較大，速度和效率是設計塊設備驅(qū)動程要重點考慮的問題。系統(tǒng)中使用緩沖區(qū)與訪問請求的優(yōu)化管理（合并與重新排序）來提高系統(tǒng)性能。

1．編程流程說明

塊設備驅(qū)動程序的編寫流程同字符設備驅(qū)動程序的編寫流程很類似，也包括了注冊和使用兩部分。但與字符驅(qū)動設備所不同的是，塊設備驅(qū)動程序包括一個request請求隊列。它是當內(nèi)核安排一次數(shù)據(jù)傳輸時在列表中的一個請求隊列，以最大化系統(tǒng)性能為原則進行排序。在后面的讀寫操作時會詳細講解這個函數(shù)，圖11.5為塊設備驅(qū)動程序的流程圖，請讀者注意與字符設備驅(qū)動程序的區(qū)別。

圖11.5??塊設備驅(qū)動程序流程圖

2．重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

每個塊設備物理實體由一個gendisk結(jié)構(gòu)體來表示（在</linux/genhd.h>中定義），每個gendisk可以支持多個分區(qū)。

每個gendisk中包含了本物理實體的全部信息以及操作函數(shù)接口。整個塊設備的注冊過程是圍繞gendisk來展開的。在驅(qū)動程序中需要初始化的gendisk的一些成員如下所示。

struct?gendisk?

{

????int?major;????????????/*?主設備號?*/

????int?first_minor;????/*?第一個次設備號?*/

????int?minors;??????????/*?次設備號個數(shù)，一個塊設備至少需要使用一個次設備號，而且塊設

????????????????????????備的每個分區(qū)都需要一個次設備號，因此這個成員等于1，則表明該塊

????????????????????????設備是不可被分區(qū)的，否則可以包含minors?–?1????個分區(qū)。*/

????char?disk_name[32];????????/*?塊設備名稱，在/proc/partions中顯示?*/

????struct?hd_struct?**part;????/*?分區(qū)表?*/

????struct?block_device_operations?*fops;????????/*?塊設備操作接口，與字符設備的

???????????????????????????????????????????? ????file_operations結(jié)構(gòu)對應*/

????struct?request_queue?*queue;????/*?I/O請求隊列?*/

????void?*private_data;????????/*?指向驅(qū)動程序私有數(shù)據(jù)?*/

????sector_t?capacity;????/*?塊設備可包含的扇區(qū)數(shù)?*/

????……?/*?其他省略?*/

};

與字符設備驅(qū)動程序一樣，塊設備驅(qū)動程序也包含一個在<linux/fs.h>中定義的block_device_operations結(jié)構(gòu)，其定義如下所示。

struct?block_device_operations?

{

????int?(*open)?(struct?inode?*,?struct?file?*);

????int?(*release)?(struct?inode?*,?struct?file?*);

????int?(*ioctl)?(struct?inode?*,?struct?file?*,?unsigned,?unsigned?long);

????long?(*unlocked_ioctl)?(struct?file?*,?unsigned,?unsigned?long);

????long?(*compat_ioctl)?(struct?file?*,?unsigned,?unsigned?long);

????int?(*direct_access)?(struct?block_device?*,?sector_t,?unsigned?long?*);

????int?(*media_changed)?(struct?gendisk?*);

????int?(*revalidate_disk)?(struct?gendisk?*);

????int?(*getgeo)(struct?block_device?*,?struct?hd_geometry?*);

????struct?module?*owner;

};

從該結(jié)構(gòu)的定義中，可以看出塊設備并不提供read()、write()等函數(shù)接口。對塊設備的讀寫請求都是以異步方式發(fā)送到設備相關的request?隊列之中。

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3．塊設備注冊和初始化

塊設備的初始化過程要比字符設備復雜，它既需要像字符設備一樣在加載內(nèi)核時完成一定的工作，還需要在內(nèi)核編譯時增加一些內(nèi)容。塊設備驅(qū)動程序初始化時，由驅(qū)動程序的init()完成。

塊設備的初始化過程如圖11.6所示。

圖11.6??塊設備驅(qū)動程序初始化過程

（1）向內(nèi)核注冊。

使用register_blkdev()?函數(shù)對設備進行注冊。

int?register_blkdev(unsigned?int?major,?const?char?*name);

其中參數(shù)major為要注冊的塊設備的主設備號，如果其值等于0，則系統(tǒng)動態(tài)分配并返回主設備號。參數(shù)name為設備名，在/proc/devices中顯示。如果出錯，則該函數(shù)返回負值。

與其對應的塊設備的注銷函數(shù)為unregister_blkdev()，其格式如下所示。

int?unregister_blkdev(unsigned?int?major,?const?char?*name);

其參數(shù)必須與注冊函數(shù)中的參數(shù)相同。如果出錯則返回負值。

（2）申請并初始化請求隊列。

這一步要調(diào)用blk_init_queue()函數(shù)來申請并初始化請求隊列，其格式如下所示。

struct?request_queue?*blk_init_queue(request_fn_proc?*rfn,?spinlock_t?*lock)

其中參數(shù)rfn是請求隊列的處理函數(shù)指針，它負責執(zhí)行塊設備的讀、寫請求。參數(shù)lock為自旋鎖，用于控制對所分配的隊列的訪問。

（3）初始化并注冊gendisk結(jié)構(gòu)。

內(nèi)核提供的gendisk結(jié)構(gòu)相關函數(shù)如表11-16所示。

表11-16 gendisk結(jié)構(gòu)相關函數(shù)

首先使用alloc_disk()函數(shù)動態(tài)分配gendisk結(jié)構(gòu)，接下來，對gendisk結(jié)構(gòu)的主設備號（major）、次設備號相關成員（first_minor和minors）、塊設備操作函數(shù)（fops）、請求隊列（queue）、可包含的扇區(qū)數(shù)（capacity）以及設備名稱（disk_name）等成員進行初始化。

在完成對gendisk的分配和初始化之后，調(diào)用add_disk（）函數(shù)向系統(tǒng)注冊塊設備。在卸載gendisk結(jié)構(gòu)的時候，要調(diào)用del_gendisk()函數(shù)。

4．塊設備請求處理

塊設備驅(qū)動中一般要實現(xiàn)一個請求隊列處理函數(shù)來處理隊列中的請求。從塊設備的運行流程，可知請求處理是塊設備的基本處理單位，也是最核心的部分。對塊設備的讀寫操作被封裝到了每一個請求中。

已經(jīng)提過調(diào)用blk_init_queue()函數(shù)來申請并初始化請求隊列。表11-17列出了一些與請求處理相關的函數(shù)。

表11-17 請求處理相關函數(shù)

以上簡單地介紹了塊設備驅(qū)動編程的最基本的概念和流程。更深入的內(nèi)容不是本書的重點，有興趣的讀者可以參考其他書籍。