嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)之：塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程

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11.4??塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的編寫過程與字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫有很大的區(qū)別。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)編程接口相對(duì)復(fù)雜，不如字符設(shè)備明晰易用。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)φ麄€(gè)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(dòng)程要重點(diǎn)考慮的問題。系統(tǒng)中使用緩沖區(qū)與訪問請(qǐng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫流程同字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫流程很類似，也包括了注冊(cè)和使用兩部分。但與字符驅(qū)動(dòng)設(shè)備所不同的是，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括一個(gè)request請(qǐng)求隊(duì)列。它是當(dāng)內(nèi)核安排一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)在列表中的一個(gè)請(qǐng)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(shí)會(huì)詳細(xì)講解這個(gè)函數(shù)，圖11.5為塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的流程圖，請(qǐng)讀者注意與字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的區(qū)別。

圖11.5??塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序流程圖

2．重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

每個(gè)塊設(shè)備物理實(shí)體由一個(gè)gendisk結(jié)構(gòu)體來表示（在</linux/genhd.h>中定義），每個(gè)gendisk可以支持多個(gè)分區(qū)。

每個(gè)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(gè)塊設(shè)備的注冊(cè)過程是圍繞gendisk來展開的。在驅(qū)動(dòng)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(shè)備號(hào)?*/

????int?first_minor;????/*?第一個(gè)次設(shè)備號(hào)?*/

????int?minors;??????????/*?次設(shè)備號(hào)個(gè)數(shù)，一個(gè)塊設(shè)備至少需要使用一個(gè)次設(shè)備號(hào)，而且塊設(shè)

????????????????????????備的每個(gè)分區(qū)都需要一個(gè)次設(shè)備號(hào)，因此這個(gè)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(gè)分區(qū)。*/

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

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

????struct?block_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(duì)應(yīng)*/

????struct?request_queue?*queue;????/*?I/O請(qǐng)求隊(duì)列?*/

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

????sector_t?capacity;????/*?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(dòng)程序一樣，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也包含一個(gè)在<linux/fs.h>中定義的block_device_operations結(jié)構(gòu)，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(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(duì)塊設(shè)備的讀寫請(qǐng)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。

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3．塊設(shè)備注冊(cè)和初始化

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(shí)完成一定的工作，還需要在內(nèi)核編譯時(shí)增加一些內(nèi)容。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)，由驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序初始化過程

（1）向內(nèi)核注冊(cè)。

使用register_blkdev()?函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行注冊(cè)。

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

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

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

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

其參數(shù)必須與注冊(cè)函數(shù)中的參數(shù)相同。如果出錯(cuò)則返回負(fù)值。

（2）申請(qǐng)并初始化請(qǐng)求隊(duì)列。

這一步要調(diào)用blk_init_queue()函數(shù)來申請(qǐng)并初始化請(qǐng)求隊(duì)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(shù)rfn是請(qǐng)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(qǐng)求。參數(shù)lock為自旋鎖，用于控制對(duì)所分配的隊(duì)列的訪問。

（3）初始化并注冊(cè)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)

首先使用alloc_disk()函數(shù)動(dòng)態(tài)分配gendisk結(jié)構(gòu)，接下來，對(duì)gendisk結(jié)構(gòu)的主設(shè)備號(hào)（major）、次設(shè)備號(hào)相關(guān)成員（first_minor和minors）、塊設(shè)備操作函數(shù)（fops）、請(qǐng)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(duì)gendisk的分配和初始化之后，調(diào)用add_disk（）函數(shù)向系統(tǒng)注冊(cè)塊設(shè)備。在卸載gendisk結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要調(diào)用del_gendisk()函數(shù)。

4．塊設(shè)備請(qǐng)求處理

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)中一般要實(shí)現(xiàn)一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列處理函數(shù)來處理隊(duì)列中的請(qǐng)求。從塊設(shè)備的運(yùn)行流程，可知請(qǐng)求處理是塊設(shè)備的基本處理單位，也是最核心的部分。對(duì)塊設(shè)備的讀寫操作被封裝到了每一個(gè)請(qǐng)求中。

已經(jīng)提過調(diào)用blk_init_queue()函數(shù)來申請(qǐng)并初始化請(qǐng)求隊(duì)列。表11-17列出了一些與請(qǐng)求處理相關(guān)的函數(shù)。

表11-17 請(qǐng)求處理相關(guān)函數(shù)

以上簡(jiǎn)單地介紹了塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)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。