23.Linux-块设备驱动(详解)

Posted 2020-10-10

通过上节的块设备驱动分析,本节便通过内存来模拟块设备驱动 

 

参考内核自带的块设备驱动程序:

drivers/block /xd.c  

drivers/block /z2ram.c  

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1.本节需要的结构体如下:

1.1 gendisk磁盘结构体:

 struct gendisk {
        int major;                   //设备主设备号,等于register_blkdev()函数里的major 
        int first_minor;             //起始次设备号,等于0,则表示此设备号从0开始的 
        int minors;              //分区(次设备)数量,当使用alloc_disk()时,就会自动设置该成员
        char disk_name[32];            //块设备名称, 等于register_blkdev()函数里的name
 
        struct hd_struct **part;    /*分区表的信息*/
        int part_uevent_suppress;
        struct block_device_operations *fops; //块设备操作函数
        struct request_queue *queue;  //请求队列，用于管理该设备IO请求队列的指针*
        void *private_data;                    /*私有数据*/
        sector_t capacity;               /*扇区数,512字节为1个扇区,描述设备容量*/
        ....
    };

1.2 request申请结构体:

struct request {  
    //用于挂在请求队列链表的节点，使用函数elv_next_request()访问它，而不能直接访问  

    struct list_head queuelist;   
    struct list_head donelist;  /*用于挂在已完成请求链表的节点*/  
    struct request_queue *q;   /*指向请求队列*/  

    unsigned int cmd_flags;    /*命令标识*/  

    enum rq_cmd_type_bits cmd_type;  //读写命令标志,为 0(READ)表示读, 为1(WRITE)表示写
 
    sector_t sector;                       //要提交的下一个扇区偏移位置(offset)
    ... ...
    unsigned int current_nr_sectors;   //当前需要传送的扇区数(长度) 
    ... ...

    char *buffer;        //当前请求队列链表的申请里面的数据,用来读写扇区数据(源地址)
    ... ...
  };  

 

2.本节需要的函数如下:

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

创建一个块设备,当major==0时,表示动态创建,创建成功会返回一个主设备号

 

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

卸载一个块设备, 在出口函数中使用,major:主设备号, name:名称

 

struct gendisk *alloc_disk(int minors);

分配一个gendisk结构，minors为分区数,填1表示不分区

 

void del_gendisk(struct gendisk *disk);

释放gendisk结构,在出口函数中使用,也就是不需要这个磁盘了

 

request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock);

分配一个request_queue请求队列,分配成功返回一个request_queue结构体

  rfn: request_fn_proc结构体,用来执行放置在队列中的请求的处理函数

  lock:队列访问权限的自旋锁(spinlock),该锁通过DEFINE_SPINLOCK()来定义

 

void blk_cleanup_queue(request_queue_t * q);

清除内核中的request_queue请求队列,在出口函数中使用

 

static DEFINE_SPINLOCK(spinlock_t lock);     

定义一个自旋锁(spinlock)

 

static inline void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size);

设置gendisk结构体的扇区数(成员copacity), size等于扇区数

该函数内容如下:

disk->capacity = size;

 

void add_disk(struct gendisk *gd);

向内核中注册gendisk结构体

 

void put_disk(struct gendisk *disk);

注销内核中的gendisk结构体,在出口函数中使用

 

struct request *elv_next_request(request_queue_t *q);

通过电梯算法获取申请队列中未完成的申请,获取成功返回一个request结构体,不成功返回NULL

(PS: 不使用获取到的这个申请时,应使用end_request()来结束获取申请)

 

void end_request(struct request *req, int uptodate);

结束获取申请, 当uptodate==0,表示使用该申请读写扇区失败, uptodate==1,表示成功

 

static inline void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags);

分配一段静态缓存,这里用来当做我们的磁盘扇区用,分配成功返回缓存地址,分配失败会返回0

 

void kfree(const void *block);

注销一段静态缓存,与kzalloc()成对,在出口函数中使用

 

rq_data_dir(rq);

获取request申请结构体的命令标志(cmd_flags成员),当返回READ(0)表示读扇区命令,否则为写扇区命令

 

 

3.步骤如下:

3.1在入口函数中:

• 1)使用register_blkdev()创建一个块设备
• 2) blk_init_queue()使用分配一个申请队列,并赋申请队列处理函数
• 3)使用alloc_disk()分配一个gendisk结构体 
• 4)设置gendisk结构体的成员
•   ->4.1)设置成员参数(major、first_minor、disk_name、fops)
•   ->4.2)设置queue成员,等于之前分配的申请队列
•   ->4.3)通过set_capacity()设置capacity成员,等于扇区数
• 5)使用kzalloc()来获取缓存地址,用做扇区
• 6)使用add_disk()注册gendisk结构体

3.2在申请队列的处理函数中

• 1) while循环使用elv_next_request()获取申请队列中每个未处理的申请
• 2)使用rq_data_dir()来获取每个申请的读写命令标志,为 0(READ)表示读, 为1(WRITE)表示写
• 3)使用memcp()来读或者写扇区(缓存)
• 4)使用end_request()来结束获取的每个申请

3.3在出口函数中

• 1)使用put_disk()和del_gendisk()来注销,释放gendisk结构体
• 2)使用kfree()释放磁盘扇区缓存
• 3)使用blk_cleanup_queue()清除内存中的申请队列
• 4)使用unregister_blkdev()卸载块设备

4.代码如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/hdreg.h>
#include <linux/ioport.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/blkpg.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/io.h>

#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/dma.h>

static DEFINE_SPINLOCK(memblock_lock);         　　　　　　 //定义自旋锁
static request_queue_t * memblock_request;                //申请队列
static struct gendisk   *memblock_disk;                　　//磁盘结构体
static int memblock_major;

#define BLOCKBUF_SIZE               (1024*1024)         　　　　 //磁盘大小
#define SECTOR_SIZE                   (512)                    //扇区大小
static unsigned char   *block_buf;                              //磁盘地址


static int memblock_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo)
{    
       geo->heads =2;                                         // 2个磁头分区
       geo->cylinders = 32;                                   //一个磁头有32个柱面
       geo->sectors = BLOCKBUF_SIZE/(2*32*SECTOR_SIZE);      //一个柱面有多少个扇区    
    return 0;
}

static struct block_device_operations memblock_fops = {
       .owner    = THIS_MODULE,
       .getgeo   =  memblock_getgeo,                //几何,保存磁盘的信息(柱头,柱面,扇区)
};

    /*申请队列处理函数*/
static void do_memblock_request (request_queue_t * q)
{
        struct request *req;
        unsigned long offset;
        unsigned long len; 
        static unsigned long r_cnt = 0;
        static unsigned long w_cnt = 0;
              
        while ((req = elv_next_request(q)) != NULL)        //获取每个申请
        {
        offset=req->sector*SECTOR_SIZE;                     //偏移值
        len=req->current_nr_sectors*SECTOR_SIZE;            //长度    
                      
        if(rq_data_dir(req)==READ)
        {            
            memcpy(req->buffer,block_buf+offset,len);       //读出缓存
        }
        else
        {              
            memcpy(block_buf+offset,req->buffer,len);     //写入缓存
        }
        end_request(req, 1);                                            //结束获取的申请
        }    
}

    /*入口函数*/
static int memblock_init(void)
{
     /*1)使用register_blkdev()创建一个块设备*/
     memblock_major=register_blkdev(0, "memblock");     
     
     /*2) blk_init_queue()使用分配一个申请队列,并赋申请队列处理函数*/
     memblock_request=blk_init_queue(do_memblock_request,&memblock_lock);
    
     /*3)使用alloc_disk()分配一个gendisk结构体*/
     memblock_disk=alloc_disk(16);                        //不分区
    
     /*4)设置gendisk结构体的成员*/
     /*->4.1)设置成员参数(major、first_minor、disk_name、fops)*/           
     memblock_disk->major = memblock_major;
     memblock_disk->first_minor = 0;
     sprintf(memblock_disk->disk_name, "memblock");
     memblock_disk->fops = &memblock_fops;
        
     /*->4.2)设置queue成员,等于之前分配的申请队列*/
     memblock_disk->queue = memblock_request;
      
     /*->4.3)通过set_capacity()设置capacity成员,等于扇区数*/
     set_capacity(memblock_disk,BLOCKBUF_SIZE/SECTOR_SIZE);
   
     /*5)使用kzalloc()来获取缓存地址,用做扇区*/
     block_buf=kzalloc(BLOCKBUF_SIZE, GFP_KERNEL);
 
     /*6)使用add_disk()注册gendisk结构体*/
     add_disk(memblock_disk);   
     return  0;
}
static void memblock_exit(void)
{        
      /*1)使用put_disk()和del_gendisk()来注销,释放gendisk结构体*/
      put_disk(memblock_disk);
      del_gendisk(memblock_disk);

      /*2)使用kfree()释放磁盘扇区缓存   */ 
      kfree(block_buf);

      /*3)使用blk_cleanup_queue()清除内存中的申请队列    */
      blk_cleanup_queue(memblock_request);
      
      /*4)使用unregister_blkdev()卸载块设备               */
      unregister_blkdev(memblock_major,"memblock");
}

module_init(memblock_init);
module_exit(memblock_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

5.测试运行

insmod ramblock.ko                                     //挂载memblock块设备

mkdosfs /dev/memblock                               //将memblock块设备格式化为dos磁盘类型

mount /dev/ memblock   /tmp/                    //挂载块设备到/tmp目录下

 

接下来在/tmp目录下vi 1.txt文件,最终都会保存在/dev/ memblock块设备里面

cd /; umount /tmp/                    //退出/tmp,卸载,同时之前读写的文件也会消失

cat /dev/memblock > /mnt/memblock.bin   //在/mnt目录下创建.bin文件,然后将块设备里面的文件追加到.bin里面

 

然后进入linux的nfs挂载目录中

sudo mount -o loop ramblock.bin   /mnt      //挂载ramblock.bin, -loop:将文件当做磁盘来挂载

 

如下图,就可以找到我们之前在开发板上创建的1.txt了

 

说明这个块设备测试运行无误

6.使用fdisk来对磁盘分区

 

(fdisk命令使用详解: http://www.cnblogs.com/lifexy/p/7661239.html)

共分了两个分区,如下图所示:

 

 

如下图,接下来就可以向上小节那样,分别操作多个分区磁盘了: