Linux下驱动开发_块设备驱动开发(内存模拟存储)

Posted 2022-11-22 DS小龙哥

一、前言

块设备驱动块是Linux下3大设备驱动框架之一，块设备主要是针对存储类型的设备设计的驱动，配合文件系统完成数据存储。在应用层的cp、cd、touch、vim、mount等等可以操作文件，可以操作目录的命令都会通过文件系统，通过块设备驱动完成对底层存储设备的访问，实现数据读取或者写入。

所以大致总结下：块设备驱动的目的是给Linux文件系统提供底层接口。

二、编写块设备驱动的思路

既然学到了驱动开发，了解到块设备开发。 那么看这篇文章的小伙伴应该在单片机里裸机方式写过一些flash驱动、SD卡驱动。 对于flash存储设备而言，要存取数据，根据芯片的手册我们主要是封装一个写数据函数和读取函数，封装好了这两个函数才方便上层应用的调用。 对于flash而言常见的读写单位一般是页、扇区。容量大的flash比如SD卡，读写最小单位规定为扇区。  扇区一般大小规定为512字节，那么底层要封装好的函数就是读扇区，写扇区函数。 这两个函数完成与flash空间交互，实现数据存储。

在Linux下完成块设备驱动编写，主要是要完成来至文件系统的存储请求，文件系统让你把数据存到那个扇区，你驱动就去存，文件系统让你从那个扇区读取输出来，驱动就去读取。 只要是完美的处理好了文件系统的请求，那么应用层工作就是一切顺利的。 文件系统不需要管你把数据存在什么设备上。是SD卡？是FlashW25Q64是eeprom？还是RAM内存里？对文件系统而言不关系，它只关心存进去的数据下次可以完美的读取出来便是。

那么为了方便介绍块设备的驱动开发，我这里会先用malloc在驱动申请一块内存来当做FLASH设备，这样就不需要接任何硬件，降低了难度，纯软件的方式理解驱动框架运作流程。

下面这张图是解释应用层 使用文件目录操作命令操作块设备时，与底层驱动之间的调用大致过程。

块设备与字符设备比较:

（1） 块设备设备节点名称自己定义的，没有标准。

（2）块设备的主设备号可以动态分配，次设备号时通过文件系统对块设备分区时，自动填充。

/dev/sdb fdisk命令进行分区。 /dev/sdb1 /dev/sdb2

（2）在块设备驱动里可以设置最大支持的分区数量

块设备处理数据的方式

下面是块设备驱动的数据结构：

块设备注册与注销函数

1. 注册函数
int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)
函数功能介绍: 注册一个新的块设备
函数参数介绍:
@major:块设备的主设备号[1..255]。 如果 major = 0，表示尝试分配未使用的主设备号，返回值就表示分配
成功的主设备号。
@name:新块设备的名称。 注意: 该名称必须保证在系统中是唯一的。
注册示例:
int Tiny4412_block_major = register_blkdev(0, "Tiny4412_block");


2. 注销函数
void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)
函数功能介绍: 注销已注册的块设备。
函数参数介绍:
@major: 主设备号
@name: 设备名称
注销示例:
unregister_blkdev(Tiny4412_block_major, "Tiny4412_block");

三、块设备的示例代码

3.1 驱动代码

这份代码里存储数据的空间是申请了一段内存来模拟的。没有依赖于硬件，所以：可以在任何Linux下编译安装测试，完成块设备驱动的了解学习。

#include <linux/module.h> 
#include <linux/blkdev.h> 
#include <linux/hdreg.h> 
#include <linux/version.h>
#include <linux/vmalloc.h>

/*
*     insmod tiny4412_blkdev.ko 
*     # or insmod tiny4412_blkdev.ko size=numK/M/G/T 
*     fdisk /dev/tiny4412_blkdev # create 2 patitions 
*     mkfs.ext2 /dev/tiny4412_blkdev1 
*     mkfs.ext2 /dev/tiny4412_blkdev2 
*     mount /dev/tiny4412_blkdev1 /mnt/temp1/ 
*     mount /dev/tiny4412_blkdev2 /mnt/temp2/ 
*     # play in /mnt/temp1/ and /mnt/temp2/ 
*     umount /mnt/temp1/ 
*     umount /mnt/temp2/ 
*     rmmod tiny4412_blkdev.ko 
* 
*/
static int Tiny4412_block_major=0;
static struct request_queue *tiny4412_blkdev_queue; 
static struct gendisk *tiny4412_blkdev_disk;

#define TINY4412_BLK_DEV_BYTES        (1024*1024*50)  /*设置块设备的大小*/
static unsigned char *sizeof_p;

/*
* Handle an I/O request.
* 实现扇区的读写

unsigned long sector:  当前扇区位置
unsigned long nsect :  扇区读写数量
char *buffer        :  读写的缓冲区指针
int write           :  是读还是写
*/
static void Tiny4412_block_dev_sector_read_write(unsigned long sector,unsigned long nsect, char *buffer, int write)

		/*块设备最小单位是一个扇区，一个扇区的字节数是512字节*/
		unsigned long offset = sector;  /*写入数据的位置*/
		unsigned long nbytes = nsect;   /*写入的长度*/
		if((offset + nbytes)>TINY4412_BLK_DEV_BYTES)
		
			printk("写超出范围,强制结束(%ld %ld)\\n", offset, nbytes);
			return;
		
		if(write) /*为真,表示是写*/
		memcpy(sizeof_p + offset, buffer, nbytes);
		else      /*读操作*/
		memcpy(buffer,sizeof_p + offset, nbytes);


/*
处理请求
*/
static int tiny4412_blkdev_make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio) 
 
	int dir; 
	unsigned long long dsk_offset; 
	struct bio_vec *bvec; 
	int i; 
	void *iovec_mem;
	
	/*判断读写方向*/
	if(bio_data_dir(bio) == WRITE) dir = 1;
	else dir = 0;
	dsk_offset = bio->bi_sector << 9;
	bio_for_each_segment(bvec, bio, i) 
	 
		iovec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset; 
		
		//起始位置,长度,源数据,方向
		Tiny4412_block_dev_sector_read_write(dsk_offset,bvec->bv_len,iovec_mem,dir);
		
		kunmap(bvec->bv_page);
		dsk_offset += bvec->bv_len; 
	
	bio_endio(bio, 0); 
	return 0;



struct block_device_operations tiny4412_blkdev_fops = 
 
    .owner= THIS_MODULE, 
;


static int __init tiny4412_blkdev_init(void) 
 
	sizeof_p=vmalloc(TINY4412_BLK_DEV_BYTES);
	if(sizeof_p==NULL)
	
		printk("空间申请失败!\\n");
		return 0;
	
	/*动态分配请求队列*/
	tiny4412_blkdev_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
	
	/*绑定请求队列*/
	blk_queue_make_request(tiny4412_blkdev_queue,tiny4412_blkdev_make_request);
	
	/*动态分配次设备号结构*/
	/*每一个磁盘(分区)都是使用一个gendisk结构保存*/
	tiny4412_blkdev_disk = alloc_disk(64); 
	
	/*磁盘名称赋值*/
	strcpy(tiny4412_blkdev_disk->disk_name, "tiny4412_blkdev"); 

	/*注册一个块设备,自动分配主设备号*/
	Tiny4412_block_major = register_blkdev(0,"Tiny4412_block");
	printk("Tiny4412_block_major=%d\\n",Tiny4412_block_major);
	
	tiny4412_blkdev_disk->major=Tiny4412_block_major; 	  /*主设备号*/
	tiny4412_blkdev_disk->first_minor = 0; 				  /*次设备号*/
	tiny4412_blkdev_disk->fops = &tiny4412_blkdev_fops;   /*文件操作结合*/
	tiny4412_blkdev_disk->queue = tiny4412_blkdev_queue;  /*处理数据请求的队列*/
	
	/*设置磁盘结构 capacity 的容量*/
	/*注意: 块设备的大小使用扇区作为单位设置，而扇区的大小默认是512字节。
	  cat /sys/block/xxxx/size 可以查看到设置的大小
	  把字节为单位的大小转换为以扇区为单位时，我们需要除以512，或者右移9位
	*/
	set_capacity(tiny4412_blkdev_disk,TINY4412_BLK_DEV_BYTES>>9); 
	
	//添加磁盘信息到内核
	add_disk(tiny4412_blkdev_disk);
	return 0;


static void __exit tiny4412_blkdev_exit(void) 
 
	//删除磁盘
	del_gendisk(tiny4412_blkdev_disk);
	
	put_disk(tiny4412_blkdev_disk); 
	
	//清除队列
	blk_cleanup_queue(tiny4412_blkdev_queue);
	
	/*注销块设备*/
	unregister_blkdev(Tiny4412_block_major, "Tiny4412_block");
	
	vfree(sizeof_p);


module_init(tiny4412_blkdev_init); 
module_exit(tiny4412_blkdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3.2 安装测试

[root@wbyq code]#insmod tiny4412_block_device.ko

[ 6920.590000] tiny4412_sda: unknown partition table

[ 6920.590000] 块设备注册成功!

[root@wbyq code]#ls /dev/tiny4412_sda -l

brw-rw---- 1 root root 253, 0 Nov 14 2018 /dev/tiny4412_sda

[root@wbyq code]#mkfs.ext2 /dev/tiny4412_sda //格式化块设备

Filesystem label=

OS type: Linux

Block size=1024 (log=0)

Fragment size=1024 (log=0)

2560 inodes, 10240 blocks

512 blocks (5%) reserved for the super user

First data block=1

Maximum filesystem blocks=262144

2 block groups

8192 blocks per group, 8192 fragments per group

1280 inodes per group

Superblock backups stored on blocks:

8193

[root@wbyq code]#mount /dev/tiny4412_sda /mnt/ //挂载块设备

[root@wbyq code]#cd /mnt/

[root@wbyq mnt]#ls

lost+found

[root@wbyq mnt]#mkdir 123

[root@wbyq mnt]#ls

123 lost+found

[root@wbyq mnt]#touch 123.c

[root@wbyq mnt]#ls

123 123.c lost+found

[root@wbyq mnt]#cd /

[root@wbyq ]#umount /mnt/







[root@wbyq ]#cat /sys/class/block/tiny4412_sda/size

20480




[root@wbyq ]#mount /dev/tiny4412_sda /mnt/

[root@wbyq ]#df -h

Filesystem Size Used Available Use% Mounted on

192.168.10.11:/work/rootfs/

46.8G 15.5G 28.9G 35% /

/dev/tiny4412_sda 9.7M 14.0K 9.2M 0% /mnt

​ 

​ 作业:

1.​ 看懂块设备框架，使用的模拟的内存。

2.​ 加入SD卡的驱动，配合块设备框架，完成完整的块设备驱动编写。

3.3 分区之后的情况

[root@wbyq code]#ls /dev/tiny4412_sda

tiny4412_sda tiny4412_sda1

[root@wbyq code]#ls /dev/tiny4412_sda1

[root@wbyq code]#ls /dev/tiny4412_sda* -l

brw-rw---- 1 root root 253, 0 Nov 14 2018 /dev/tiny4412_sda

brw-rw---- 1 root root 253, 1 Nov 14 2018 /dev/tiny4412_sda1