Linux设备驱动--块设备之概念和框架

Posted 2020-09-01 柒月

基本概念 

 块设备（blockdevice）

--- 是一种具有一定结构的随机存取设备，对这种设备的读写是按块进行的，他使用缓冲区来存放暂时的数据，待条件成熟后，从缓存一次性写入设备或者从设备一次性读到缓冲区。

字符设备（Character device）

---是一个顺序的数据流设备，对这种设备的读写是按字符进行的，而且这些字符是连续地形成一个数据流。他不具备缓冲区，所以对这种设备的读写是实时的。

 

扇区(Sectors)：任何块设备硬件对数据处理的基本单位。通常，1个扇区的大小为512byte。（对设备而言）

块  (Blocks)：由Linux制定对内核或文件系统等数据处理的基本单位。通常，1个块由1个或多个扇区组成。（对Linux操作系统而言）

段(Segments)：由若干个相邻的块组成。是Linux内存管理机制中一个内存页或者内存页的一部分。

页、段、块、扇区之间的关系图如下：

 

块设备驱动整体框架

 块设备的应用在Linux中是一个完整的子系统。

在Linux中，驱动对块设备的输入或输出(I/O)操作，都会向块设备发出一个请求，在驱动中用request结构体描述。但对于一些磁盘设备而言请求的速度很慢，这时候内核就提供一种队列的机制把这些I/O请求添加到队列中（即：请求队列），在驱动中用request_queue结构体描述。在向块设备提交这些请求前内核会先执行请求的合并和排序预操作，以提高访问的效率，然后再由内核中的I/O调度程序子系统来负责提交  I/O 请求，  调度程序将磁盘资源分配给系统中所有挂起的块 I/O  请求，其工作是管理块设备的请求队列，决定队列中的请求的排列顺序以及什么时候派发请求到设备。

由通用块层(Generic Block Layer)负责维持一个I/O请求在上层文件系统与底层物理磁盘之间的关系。在通用块层中，通常用一个bio结构体来对应一个I/O请求。

Linux提供了一个gendisk数据结构体，用来表示一个独立的磁盘设备或分区，用于对底层物理磁盘进行访问。在gendisk中有一个类似字符设备中file_operations的硬件操作结构指针，是block_device_operations结构体。

当多个请求提交给块设备时，执行效率依赖于请求的顺序。如果所有的请求是同一个方向（如：写数据），执行效率是最大的。内核在调用块设备驱动程序例程处理请求之前，先收集I/O请求并将请求排序，然后，将连续扇区操作的多个请求进行合并以提高执行效率（内核算法会自己做，不用你管），对I/O请求排序的算法称为电梯算法（elevator algorithm）。电梯算法在I/O调度层完成。内核提供了不同类型的电梯算法，电梯算法有

1 noop（实现简单的FIFO，基本的直接合并与排序）,
2 anticipatory（延迟I/O请求，进行临界区的优化排序），
3 Deadline（针对anticipatory缺点进行改善，降低延迟时间）,
4 Cfq（均匀分配I/O带宽，公平机制）

PS：其实IO调度层（包括请求合并排序算法）是不需要用户管的，内核已经做好

相关数据结构

block_device:      描述一个分区或整个磁盘对内核的一个块设备实例 
gendisk:               描述一个通用硬盘（generic hard disk）对象。
hd_struct:             描述分区应有的分区信息 
bio:                        描述块数据传送时怎样完成填充或读取块给driver
request:                描述向内核请求一个列表准备做队列处理。 
request_queue:  描述内核申请request资源建立请求链表并填写BIO形成队列。