嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)之：塊設(shè)備驅(qū)動編程

塊設(shè)備通常指一些需要以塊（如512字節(jié)）的方式寫入的設(shè)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(shè)備驅(qū)動程序的編寫有很大的區(qū)別。

塊設(shè)備驅(qū)動編程接口相對復(fù)雜，不如字符設(shè)備明晰易用。塊設(shè)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(shè)計(jì)塊設(shè)備驅(qū)動程要重點(diǎn)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。

塊設(shè)備驅(qū)動程序的編寫流程同字符設(shè)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(shè)備所不同的是，塊設(shè)備驅(qū)動程序包括一個request請求隊(duì)列。它是當(dāng)內(nèi)核安排一次數(shù)據(jù)傳輸時在列表中的一個請求隊(duì)列，以最大化系統(tǒng)性能為原則進(jìn)行排序。在后面的讀寫操作時會詳細(xì)講解這個函數(shù)，圖11.5為塊設(shè)備驅(qū)動程序的流程圖，請讀者注意與字符設(shè)備驅(qū)動程序的區(qū)別。

圖11.5塊設(shè)備驅(qū)動程序流程圖

每個塊設(shè)備物理實(shí)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(shí)體的全部信息以及操作函數(shù)接口。整個塊設(shè)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。

structgendisk

{

intmajor;/*主設(shè)備號*/

intfirst_minor;/*第一個次設(shè)備號*/

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

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

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

chardisk_name[32];/*塊設(shè)備名稱，在/proc/partions中顯示*/

structhd_struct**part;/*分區(qū)表*/

structblock_device_operations*fops;/*塊設(shè)備操作接口，與字符設(shè)備的

file_operations結(jié)構(gòu)對應(yīng)*/

structrequest_queue*queue;/*I/O請求隊(duì)列*/

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

sector_tcapacity;/*塊設(shè)備可包含的扇區(qū)數(shù)*/

……/*其他省略*/

};

與字符設(shè)備驅(qū)動程序一樣，塊設(shè)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。

structblock_device_operations

{

int(*open)(structinode*,structfile*);

int(*release)(structinode*,structfile*);

int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsigned,unsignedlong);

long(*unlocked_ioctl)(structfile*,unsigned,unsignedlong);

long(*compat_ioctl)(structfile*,unsigned,unsignedlong);

int(*direct_access)(structblock_device*,sector_t,unsignedlong*);

int(*media_changed)(structgendisk*);

int(*revalidate_disk)(structgendisk*);

int(*getgeo)(structblock_device*,structhd_geometry*);

structmodule*owner;

};

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

塊設(shè)備的初始化過程要比字符設(shè)備復(fù)雜，它既需要像字符設(shè)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(shè)備驅(qū)動程序初始化時，由驅(qū)動程序的init()完成。

塊設(shè)備的初始化過程如圖11.6所示。

圖11.6塊設(shè)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(shè)備進(jìn)行注冊。

intregister_blkdev(unsignedintmajor,constchar*name);

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

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

intunregister_blkdev(unsignedintmajor,constchar*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(fù)值。

（2）申請并初始化請求隊(duì)列。

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

structrequest_queue*blk_init_queue(request_fn_proc*rfn,spinlock_t*lock)

其中參數(shù)rfn是請求隊(duì)列的處理函數(shù)指針，它負(fù)責(zé)執(zhí)行塊設(shè)備的讀、寫請求。參數(shù)lock為自旋鎖，用于控制對所分配的隊(duì)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(guān)函數(shù)如表11-16所示。

表11-16 gendisk結(jié)構(gòu)相關(guān)函數(shù)

函數(shù)格式

說明

structgendisk*alloc_disk(intminors)

動態(tài)分配gendisk結(jié)構(gòu)，參數(shù)為次設(shè)備號的個數(shù)

voidadd_disk(structgendisk*disk)

向系統(tǒng)注冊gendisk結(jié)構(gòu)

voiddel_gendisk(structgendisk*disk)

從系統(tǒng)注銷gendisk結(jié)構(gòu)

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(shè)備號（major）、次設(shè)備號相關(guān)成員（first_minor和minors）、塊設(shè)備操作函數(shù)（fops）、請求隊(duì)列（queue）、可包含的扇區(qū)數(shù)（capacity）以及設(shè)備名稱（disk_name）等成員進(jìn)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(shè)備。在卸載gendisk結(jié)構(gòu)的時候，要調(diào)用del_gendisk()函數(shù)。

塊設(shè)備驅(qū)動中一般要實(shí)現(xiàn)一個請求隊(duì)列處理函數(shù)來處理隊(duì)列中的請求。從塊設(shè)備的運(yùn)行流程，可知請求處理是塊設(shè)備的基本處理單位，也是最核心的部分。對塊設(shè)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(duì)列。表11-17列出了一些與請求處理相關(guān)的函數(shù)。

表11-17 請求處理相關(guān)函數(shù)

函數(shù)格式

說明

request_queue_t*blk_alloc_queue(intgfp_mask)

分配請求隊(duì)列

request_queue_t*blk_init_queue
(request_fn_proc*rfn,spinlock_t*lock)

分配并初始化請求隊(duì)列

structrequest*blk_get_request
(request_queue_t*q,intrw,intgfp_mask)

從隊(duì)列中獲取一個請求

voidblk_requeue_request(request_queue_t*q,structrequest*rq)

將請求再次加入隊(duì)列

voidblk_queue_max_sectors
(request_queue_t*q,unsignedshortmax_sectors)

設(shè)置最大訪問扇區(qū)數(shù)

voidblk_queue_max_phys_segments
(request_queue_t*q,unsignedshortmax_segments)

設(shè)置最大物理段數(shù)

voidend_request(structrequest*req,intuptodate)

結(jié)束本次請求處理

voidblk_queue_hardsect_size
(request_queue_t*q,unsignedshortsize)

設(shè)置物理扇區(qū)大小

以上簡單地介紹了塊設(shè)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(diǎn)，有興趣的讀者可以參考其他書籍。