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Kernel 块设备驱动框架

y
 yepanl
发布于 06/26 00:47
字数 1954
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1,总体架构:    

块设备驱动框架是Linux设备最重要的框架之一,涉及内核的vfs,设备驱动模型等模块,是内核中异常复杂的一个框架。我们先看一下块设备设计的主要框架结构,先从总体上对块设备有个初步的认识:

2,块设备框架分析

    1,块设备的表示gendisk:

        内核使用 struct gendisk 结构实例来表示一个块设备。一个块设备通常表示一个物理磁盘,每个块设备逻辑上可以被分成多个分区,每个分区用 struct hd_struct 结构表示。

struct gendisk {
    /* major, first_minor and minors are input parameters only,
     * don't use directly.  Use disk_devt() and disk_max_parts().
     */
    int major;            /* major number of driver */    // 主设备号
    int first_minor;    // 起始从设备号
    int minors;                     /* maximum number of minors, =1 for
                                         * disks that can't be partitioned. */    // 从设备个数

    char disk_name[DISK_NAME_LEN];    /* name of major driver */
    char *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);

    unsigned int events;        /* supported events */
    unsigned int async_events;    /* async events, subset of all */

    /* Array of pointers to partitions indexed by partno.
     * Protected with matching bdev lock but stat and other
     * non-critical accesses use RCU.  Always access through
     * helpers.
     */
    struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;    // 分区表
    struct hd_struct part0;    // 整个磁盘分区,part_tbl[0]指向part0

    const struct block_device_operations *fops;    // 块设备操作方法
    struct request_queue *queue;    // 请求队列(用于请求合并,异步IO,电梯调度等)
    void *private_data;    // 设备特定的信息

    int flags;
    struct rw_semaphore lookup_sem;
    struct kobject *slave_dir;

    struct timer_rand_state *random;
    atomic_t sync_io;        /* RAID */
    struct disk_events *ev;
#ifdef  CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY
    struct kobject integrity_kobj;
#endif    /* CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY */
    int node_id;
    struct badblocks *bb;
    struct lockdep_map lockdep_map;
};

struct hd_struct {
    sector_t start_sect;    // 起始扇区号
    /*
     * nr_sects is protected by sequence counter. One might extend a
     * partition while IO is happening to it and update of nr_sects
     * can be non-atomic on 32bit machines with 64bit sector_t.
     */
    sector_t nr_sects;    // 扇区个数
    seqcount_t nr_sects_seq;
    sector_t alignment_offset;
    unsigned int discard_alignment;
    struct device __dev;    // 设备模型
    struct kobject *holder_dir;
    int policy, partno;    // 分区号
    struct partition_meta_info *info;
#ifdef CONFIG_FAIL_MAKE_REQUEST
    int make_it_fail;
#endif
    unsigned long stamp;
    atomic_t in_flight[2];
#ifdef    CONFIG_SMP
    struct disk_stats __percpu *dkstats;
#else
    struct disk_stats dkstats;
#endif
    struct percpu_ref ref;
    struct rcu_head rcu_head;
};

       内核提供alloc_disk()接口,实现gendisk和hd_struct的分配和释放,及初始化。驱动程序需要提供主从设备号,fops以及设备特定的private_data。

    2,块设备的注册:

        驱动程序分配并初始化一个块设备之后,通过 add_disk() 接口完成块设备的注册。add_disk()分配一个struct bdev_inode结构,该结构是struct block_device和struct inode的结合体,分别用来链入all_bdevs和inode_hashtable链表中。其中block_device中的bd_disk用来指向注册的gendisk。block_device和inode中分别通过bd_dev和i_rdev记录该gendisk的设备号。至此,上层可以通过设备号从all_bdevs或者inode_hashtable链表中找到该 bdev_inode结构,然后通过block_device结构的bd_disk找到相应的gendisk,调用gendisk的fops操作设备特定的private_data。

struct bdev_inode {
    struct block_device bdev;
    struct inode vfs_inode;
};

struct block_device {
    dev_t            bd_dev;  /* not a kdev_t - it's a search key */    // 设备号
    int            bd_openers;
    struct inode *        bd_inode;    /* will die */
    struct super_block *    bd_super;
    struct mutex        bd_mutex;    /* open/close mutex */
    void *            bd_claiming;
    void *            bd_holder;
    int            bd_holders;
    bool            bd_write_holder;
#ifdef CONFIG_SYSFS
    struct list_head    bd_holder_disks;
#endif
    struct block_device *    bd_contains;
    unsigned        bd_block_size;    // 设备块大小
    u8            bd_partno;    // 分区号
    struct hd_struct *    bd_part;    // 分区结构
    /* number of times partitions within this device have been opened. */
    unsigned        bd_part_count;
    int            bd_invalidated;
    struct gendisk *    bd_disk;    // 指向的块设备
    struct request_queue *  bd_queue;    // 设备的请求队列
    struct backing_dev_info *bd_bdi;
    struct list_head    bd_list;    // all_devs链表节点
    /*
     * Private data.  You must have bd_claim'ed the block_device
     * to use this.  NOTE:  bd_claim allows an owner to claim
     * the same device multiple times, the owner must take special
     * care to not mess up bd_private for that case.
     */
    unsigned long        bd_private;

    /* The counter of freeze processes */
    int            bd_fsfreeze_count;
    /* Mutex for freeze */
    struct mutex        bd_fsfreeze_mutex;
} __randomize_layout;

struct inode {
    umode_t            i_mode;
    unsigned short        i_opflags;
    kuid_t            i_uid;
    kgid_t            i_gid;
    unsigned int        i_flags;

#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
    struct posix_acl    *i_acl;
    struct posix_acl    *i_default_acl;
#endif

    const struct inode_operations    *i_op;
    struct super_block    *i_sb;
    struct address_space    *i_mapping;    // 指向 i_data,内核初始化i_data结构,并默认初始化i_mapping指向i_data

#ifdef CONFIG_SECURITY
    void            *i_security;
#endif

    /* Stat data, not accessed from path walking */
    unsigned long        i_ino;
    /*
     * Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the
     * following functions for modification:
     *
     *    (set|clear|inc|drop)_nlink
     *    inode_(inc|dec)_link_count
     */
    union {
        const unsigned int i_nlink;
        unsigned int __i_nlink;
    };
    dev_t            i_rdev;    // 设备号
    loff_t            i_size;
    struct timespec64    i_atime;
    struct timespec64    i_mtime;
    struct timespec64    i_ctime;
    spinlock_t        i_lock;    /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
    unsigned short          i_bytes;
    u8            i_blkbits;
    u8            i_write_hint;
    blkcnt_t        i_blocks;

#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
    seqcount_t        i_size_seqcount;
#endif

    /* Misc */
    unsigned long        i_state;
    struct rw_semaphore    i_rwsem;

    unsigned long        dirtied_when;    /* jiffies of first dirtying */
    unsigned long        dirtied_time_when;

    struct hlist_node    i_hash;
    struct list_head    i_io_list;    /* backing dev IO list */
#ifdef CONFIG_CGROUP_WRITEBACK
    struct bdi_writeback    *i_wb;        /* the associated cgroup wb */

    /* foreign inode detection, see wbc_detach_inode() */
    int            i_wb_frn_winner;
    u16            i_wb_frn_avg_time;
    u16            i_wb_frn_history;
#endif
    struct list_head    i_lru;        /* inode LRU list */
    struct list_head    i_sb_list;    // inode_hashtable链表节点
    struct list_head    i_wb_list;    /* backing dev writeback list */
    union {
        struct hlist_head    i_dentry;
        struct rcu_head        i_rcu;
    };
    atomic64_t        i_version;
    atomic_t        i_count;
    atomic_t        i_dio_count;
    atomic_t        i_writecount;
#ifdef CONFIG_IMA
    atomic_t        i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
    const struct file_operations    *i_fop;    /* former ->i_op->default_file_ops */
    struct file_lock_context    *i_flctx;
    struct address_space    i_data;    // 内核初始化 aops 方法集
    struct list_head    i_devices;
    union {
        struct pipe_inode_info    *i_pipe;
        struct block_device    *i_bdev;    // 指向block_device结构
        struct cdev        *i_cdev;
        char            *i_link;
        unsigned        i_dir_seq;
    };

    __u32            i_generation;

#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
    __u32            i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
    struct fsnotify_mark_connector __rcu    *i_fsnotify_marks;
#endif

#if IS_ENABLED(CONFIG_FS_ENCRYPTION)
    struct fscrypt_info    *i_crypt_info;
#endif

    void            *i_private; /* fs or device private pointer */
} __randomize_layout;

    3,块设备节点注册:

        块设备gendisk分配,初始化并注册进内核之后,此时用户还无法进行访问,必须通过创建块设备节点的方式使得用户可以访问该设备。内核提供类似 ext2_mknod()的方法在文件系统/dev/下创建一个块设备inode,包含该块设备的设备号。这样,用户可以通过打开该块设备节点,根据该节点中的设备号去寻找相应的bdev。

    4,块设备的打开和读写:

        块设备的打开,读写遵循linux的vfs框架架构。这里简要描述一下块设备的打开在vfs层中的逻辑:用户调用系统调用open()打开一个块设备的时候后,kernel调用vfs_open(),通过dentry,加载设备文件 inode,根据设备文件inode的i_mode为S_IFBLK,将设备文件inode的i_fop赋值为def_blk_fops,通过调用def_blk_fops的open()方法,查找到注册进内核的bdev,将设备inode的i_bdev指向块设备的bdev,并将file和设备inode的i_mapping都指向bdev_inode的i_mapping。

        当用户通过打开的文件file去读写时,通过标准的vfs操作,调用vfs_read()或者vfs_write()。这两个函数调用def_blk_fops的read_iter()和write_iter()方法。这两个方法内部调用file->f_mapping->aops->readpage()或者file->f_mapping->aops->writepage()实现文件的读写。readpage()和writepage()最终调用submit_bh()构建request并提交request_queue。

    3,块设备驱动编写

        从上面块设备框架分析可以看出,块设备涉及的链路非常长,光是嵌入在vfs层中的逻辑就很错综复杂,更何况还有设备的异步请求队列的机制等等。好在linux帮助我们实现了健壮而又灵活的框架,使得我们编写一个块设备驱动程序相对容易许多。

        (1)首先,由于历史问题,块设备的物理结构被设计成 磁头,柱面和扇区的组合。内核使用512字节作为内部扇区大小参与计算等,但硬件可能实现512,1024和2048等作为扇区大小,因此,设备驱动程序在同内核接口交互时,要注意扇区大小的转换。

        (2)块设备驱动程序一般通过alloc_disk()和add_disk()接口分配和注册。需要手动设置gendisk的fops(用于设备打开,关闭和配置ioctl等的方法),及 private_data。

        (3)使用内核接口分配并初始化块设备的request_queue。如果读写操作使用设备的request_queue,需要提供request_fn方法,以便进行实际的request处理。如果读写操作不适用request_queue,可以直接提供make_request_fn方法,这样读写操作在调用submit_bh()方法时,立即调用自定义的make_request_fn,实现数据的及时读写。

        示例程序后续提供。

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