嵌入式Linux設備驅動開發(fā)之：塊設備驅動編程

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11.4??塊設備驅動編程

塊設備通常指一些需要以塊（如512字節(jié)）的方式寫入的設備，如IDE硬盤、SCSI硬盤、光驅等。它的驅動程序的編寫過程與字符型設備驅動程序的編寫有很大的區(qū)別。

塊設備驅動編程接口相對復雜，不如字符設備明晰易用。塊設備驅動程序對整個系統(tǒng)的性能影響較大，速度和效率是設計塊設備驅動程要重點考慮的問題。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。

1．編程流程說明

塊設備驅動程序的編寫流程同字符設備驅動程序的編寫流程很類似，也包括了注冊和使用兩部分。但與字符驅動設備所不同的是，塊設備驅動程序包括一個request請求隊列。它是當內核安排一次數據傳輸時在列表中的一個請求隊列，以最大化系統(tǒng)性能為原則進行排序。在后面的讀寫操作時會詳細講解這個函數，圖11.5為塊設備驅動程序的流程圖，請讀者注意與字符設備驅動程序的區(qū)別。

圖11.5??塊設備驅動程序流程圖

2．重要數據結構

每個塊設備物理實體由一個gendisk結構體來表示（在</linux/genhd.h>中定義），每個gendisk可以支持多個分區(qū)。

每個gendisk中包含了本物理實體的全部信息以及操作函數接口。整個塊設備的注冊過程是圍繞gendisk來展開的。在驅動程序中需要初始化的gendisk的一些成員如下所示。

struct?gendisk?

{

????int?major;????????????/*?主設備號?*/

????int?first_minor;????/*?第一個次設備號?*/

????int?minors;??????????/*?次設備號個數，一個塊設備至少需要使用一個次設備號，而且塊設

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

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

????char?disk_name[32];????????/*?塊設備名稱，在/proc/partions中顯示?*/

????struct?hd_struct?**part;????/*?分區(qū)表?*/

????struct?block_device_operations?*fops;????????/*?塊設備操作接口，與字符設備的

???????????????????????????????????????????? ????file_operations結構對應*/

????struct?request_queue?*queue;????/*?I/O請求隊列?*/

????void?*private_data;????????/*?指向驅動程序私有數據?*/

????sector_t?capacity;????/*?塊設備可包含的扇區(qū)數?*/

????……?/*?其他省略?*/

};

與字符設備驅動程序一樣，塊設備驅動程序也包含一個在<linux/fs.h>中定義的block_device_operations結構，其定義如下所示。

struct?block_device_operations?

{

????int?(*open)?(struct?inode?*,?struct?file?*);

????int?(*release)?(struct?inode?*,?struct?file?*);

????int?(*ioctl)?(struct?inode?*,?struct?file?*,?unsigned,?unsigned?long);

????long?(*unlocked_ioctl)?(struct?file?*,?unsigned,?unsigned?long);

????long?(*compat_ioctl)?(struct?file?*,?unsigned,?unsigned?long);

????int?(*direct_access)?(struct?block_device?*,?sector_t,?unsigned?long?*);

????int?(*media_changed)?(struct?gendisk?*);

????int?(*revalidate_disk)?(struct?gendisk?*);

????int?(*getgeo)(struct?block_device?*,?struct?hd_geometry?*);

????struct?module?*owner;

};

從該結構的定義中，可以看出塊設備并不提供read()、write()等函數接口。對塊設備的讀寫請求都是以異步方式發(fā)送到設備相關的request?隊列之中。

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3．塊設備注冊和初始化

塊設備的初始化過程要比字符設備復雜，它既需要像字符設備一樣在加載內核時完成一定的工作，還需要在內核編譯時增加一些內容。塊設備驅動程序初始化時，由驅動程序的init()完成。

塊設備的初始化過程如圖11.6所示。

圖11.6??塊設備驅動程序初始化過程

（1）向內核注冊。

使用register_blkdev()?函數對設備進行注冊。

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

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

與其對應的塊設備的注銷函數為unregister_blkdev()，其格式如下所示。

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

其參數必須與注冊函數中的參數相同。如果出錯則返回負值。

（2）申請并初始化請求隊列。

這一步要調用blk_init_queue()函數來申請并初始化請求隊列，其格式如下所示。

struct?request_queue?*blk_init_queue(request_fn_proc?*rfn,?spinlock_t?*lock)

其中參數rfn是請求隊列的處理函數指針，它負責執(zhí)行塊設備的讀、寫請求。參數lock為自旋鎖，用于控制對所分配的隊列的訪問。

（3）初始化并注冊gendisk結構。

內核提供的gendisk結構相關函數如表11-16所示。

表11-16 gendisk結構相關函數

首先使用alloc_disk()函數動態(tài)分配gendisk結構，接下來，對gendisk結構的主設備號（major）、次設備號相關成員（first_minor和minors）、塊設備操作函數（fops）、請求隊列（queue）、可包含的扇區(qū)數（capacity）以及設備名稱（disk_name）等成員進行初始化。

在完成對gendisk的分配和初始化之后，調用add_disk（）函數向系統(tǒng)注冊塊設備。在卸載gendisk結構的時候，要調用del_gendisk()函數。

4．塊設備請求處理

塊設備驅動中一般要實現一個請求隊列處理函數來處理隊列中的請求。從塊設備的運行流程，可知請求處理是塊設備的基本處理單位，也是最核心的部分。對塊設備的讀寫操作被封裝到了每一個請求中。

已經提過調用blk_init_queue()函數來申請并初始化請求隊列。表11-17列出了一些與請求處理相關的函數。

表11-17 請求處理相關函數

以上簡單地介紹了塊設備驅動編程的最基本的概念和流程。更深入的內容不是本書的重點，有興趣的讀者可以參考其他書籍。