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设备驱动要远比字符设备驱动复杂得多，不同类型的存储设备又对应不同的驱动子系统，本章学习一下块设备相关驱动概念，不涉及到具体的存储设备。使用开发板板载 ram 模拟一个块设备，学习块设备驱动框架的使用
一、块设备
块设备是针对存储设备的，比如 sd 卡、 emmc、 nand flash、 nor flash、 spi flash、机械硬盘、固态硬盘等。因此块设备驱动其实就是这些存储设备驱动
块设备驱动相比字符设备驱动的主要区别如下：
①、块设备只能以块为单位进行读写访问，块是 linux 虚拟文件系统(vfs)基本的数据传输单位。字符设备是以字节为单位进行数据传输的，不需要缓冲。
②、块设备在结构上是可以进行随机访问的，对于这些设备的读写都是按块进行的，块设备使用缓冲区来暂时存放数据，等到条件成熟以后在一次性将缓冲区中的数据写入块设备中。这么做的目的为了提高块设备寿命，大家如果仔细观察的话就会发现有些硬盘或者 nand flash就会标明擦除次数(flash 的特性，写之前要先擦除)，比如擦除 100000 次等。因此，为了提高块设备寿命而引入了缓冲区，数据先写入到缓冲区中，等满足一定条件后再一次性写入到真正的物理存储设备中，这样就减少了对块设备的擦除次数，提高了块设备寿命
字符设备是顺序的数据流设备，字符设备是按照字节进行读写访问的。字符设备不需要缓冲区，对于字符设备的访问都是实时的，而且也不需要按照固定的块大小进行访问。
块设备结构的不同其 i/o 算法也会不同，比如对于 emmc、 sd 卡、 nand flash 这类没有
任何机械设备的存储设备就可以任意读写任何的扇区(块设备物理存储单元)。但是对于机械硬盘这样带有磁头的设备，读取不同的盘面或者磁道里面的数据，磁头都需要进行移动，因此对于机械硬盘而言，将那些杂乱的访问按照一定的顺序进行排列可以有效提高磁盘性能， linux 里面针对不同的存储设备实现了不同的 i/o 调度算法
二、块设备驱动框架
linux 内 核 使 用 block_device 表 示 块 设 备 ， block_device 为 一 个 结 构 体 ， 定 义 在
include/linux/fs.h 文件中，结构体部分内容如下：
bd_disk 成员变量，此成员变量为gendisk 结构体指针类型。内核使用 block_device 来表示一个具体的块设备对象，比如一个硬盘或者分区，如果是硬盘的话 bd_disk 就指向通用磁盘结构 gendisk
1、块设备的注册和注销
和字符设备驱动一样，我们需要向内核注册新的块设备、申请设备号，块设备注册函数为register_blkdev，函数原型如下：
和字符设备驱动一样，如果不使用某个块设备了，那么就需要注销掉，函数为unregister_blkdev，函数原型如下：
2、gendisk 结构体
linux 内核使用 gendisk 来描述一个磁盘设备，这是一个结构体，定义在 include/linux/genhd.h
结构体部分如下
1、major 为磁盘设备的主设备号
2、first_minor 为磁盘的第一个次设备号
3、minors 为磁盘的次设备号数量，也就是磁盘的分区数量，这些分区的主设备号一样， 次设备号不同
4、part_tbl 为磁盘对应的分区表，为结构体 disk_part_tbl 类型， disk_part_tbl 的核心是一个 hd_struct 结构体指针数组，此数组每一项都对应一个分区信息
5、fops 为块设备操作集，为 block_device_operations 结构体类型。和字符设备操作集 file_operations 一样
6、queue 为磁盘对应的请求队列，所以针对该磁盘设备的请求都放到此队列中，驱动程序需要处理此队列中的所有请求
编写块的设备驱动的时候需要分配并初始化一个 gendisk
3、block_device_operations 结构体
和字符设备的 file _operations 一样，块设备也有操作集，为结构体 block_device_operations，
此结构体定义在 include/linux/blkdev.h 中，结构体部分内容如下：
block_device_operations 结构体里面的操作集函数和字符设备的 file_operations操作集基本类似，但是块设备的操作集函数比较少
2、open 函数用于打开指定的块设备
3、 release 函数用于关闭(释放)指定的块设备。
4 、 rw_page 函数用于读写指定的页。
5 、 ioctl 函数用于块设备的 i/o 控制。
6 、 compat_ioctl 函数和 ioctl 函数一样，都是用于块设备的 i/o 控制。区别在于在 64位系统上， 64位应用程序的 ioctl 会调用 compat_iotl 函数。在 32 位系统上运行的app调用的就是 ioctl
7 、 getgeo 函数用于获取磁盘信息，包括磁头、柱面和扇区等信息。
8 、 owner 表示此结构体属于哪个模块，一般直接设置为 this_module
4、块设备 i/o 请求过程
①、请求队列 request_queue
内核将对块设备的读写都发送到请求队列 request_queue 中，request_queue，这是一个结构体，定义在文件 include/linux/blkdev.h 中， request_queue 中是大量的request(请求结构体)，而request 又包含了 bio， bio 保存了读写相关数据，比如从块设备的哪个地址开始读取、读取的数据长度，读取到哪里，如果是写的话还包括要写入的数据等。
首先需要申请并初始化一个 request_queue，然后在初始化 gendisk 的时候将这个
request_queue 地址赋值给 gendisk 的 queue 成员变量，当卸载块设备驱动的时候我们还需要删除掉前面申请到的 request_queue，完成了请求队列的申请已经请求处理函数的绑定，这个一般用于像机械
硬盘这样的存储设备，需要 i/o 调度器来优化数据读写过程。但是对于 emmc、 sd 卡这样的
非机械设备，可以进行完全随机访问，所以就不需要复杂的 i/o 调度器了。对于非机械设备我
们可以先申请 request_queue，然后将申请到的 request_queue 与“制造请求”函数绑定在一起。
②、bio 结构
每个 request 里面里面会有多个 bio， bio 保存着最终要读写的数据、地址等信息。上层应用程序对于块设备的读写会被构造成一个或多个 bio 结构， bio 结构描述了要读写的起始扇区、要
读写的扇区数量、是读取还是写入、页偏移、数据长度等等信息。上层会将 bio 提交给 i/o 调度
器， i/o 调度器会将这些 bio 构造成 request 结构，而一个物理存储设备对应一个request_queue，request_queue 里面顺序存放着一系列的 request。新产生的 bio 可能被合并到 request_queue 里现有的 request 中，也可能产生新的 request，然后插入到 request_queue 中合适的位置，这一切都是由 i/o 调度器来完成的。
bio 是个结构体，定义在 include/linux/blk_types.h 中，结构体部分内容如下：
bvec_iter 结构体类型的成员变量，bio_vec 结构体指针类型的成员变量。
bvec_iter 结构体描述了要操作的设备扇区等信息，结构体内容如下：
bio_vec 结构体描述了内容如下：
可以看出 bio_vec 就是“page,offset,len”组合， page 指定了所在的物理页， offset 表示所处页的偏移地址， len 就是数据长度
三、编写驱动之请求队列
1、修改makefile
2、基本的驱动框架
3、添加头文件、宏定义
ramdisk_size 就是模拟块设备的大小，这里设置为 2mb，也 就 是 说 本 实 验 中 的 虚 拟 块 设 备 大 小 为 2mb 。 ramdisk_name 为 本 实 验 名 字 ，radmisk_minor 是本实验此设备号数量，注意不是次设备号，此设备号数量决定了本块设备的磁盘分区数量
4、添加设备结构体
41行， gendisk，描述一个磁盘设备
42行，请求队列
43行，自旋锁
5、操作函数集
这个和字符设备的几乎一样
6、数据处理函数
54行，blk_rq_pos 获取到的是扇区地址，左移 9 位转换为字节地址，从请求中获取要操作的块设备扇区地址
55行，使用 blk_rq_cur_bytes 函数获取请求要操作的数据长度
56行，使用 bio_data 函数获取请求中 bio 保存的数据
58-61行，调用 rq_data_dir 函数判断当前是读还是写，如果是写的话就将 bio 中的数据拷贝到 ramdisk 指定地址(扇区)，如果是读的话就从ramdisk 中的指定地址(扇区)读取数据放到 bio 中
7、请求处理函数
71行，首先使用 blk_fetch_request 函数获取请求队列中第一个请求
72行，while 循环依次处理完请求队列中的每个请求
77行，使用__blk_end_request_cur 函数检查是否为最后一个请求，如果不是的话就继续获取下个，直至整个请求队列处理完成。
8、驱动入口函数
116行，使用一块内存模拟真实的块设备，因此这里先使用 kzalloc 函数申请用于 ramdisk 实验的内存，大小为 2mb。
123行，使用 register_blkdev 函数向内核注册一个块设备，返回值就是注册成功的块设备主设备号。这里我们让内核自动分配一个主设备号，因此 register_blkdev 函数的第一个参数为0。
131行，使用 alloc_disk 分配一个 gendisk
138行，初始化一个自旋锁， blk_init_queue 函数在分配并初始化请求队列的时候需要用到一次自旋锁
140行，使用 blk_init_queue 函数分配并初始化一个请求队列，请求处理函数为
ramdisk_request_fn，具体的块设备读写操作就在此函数中完成
146-151行，初始化131行申请到的 gendisk，依次是主设备号，起始次设备号，操作函数，私有数据，请求队列和名字
152行，使用 set_capacity 函数设置本块设备容量大小，注意这里的大小是扇区数，不是字节数，一个扇区是 512 字节
153行，gendisk 初始化完成以后就可以使用 add_disk 函数将 gendisk 添加到内核中，也就是向内核添加一个磁盘设备
9、驱动出口函数
在卸载块设备驱动的时候需要将前面申请的内容都释放掉。
使用 put_disk 和 del_gendis 函数释放前面申请的 gendisk；
blk_cleanup_queue 函数消除前面申请的请求队列；
使用 unregister_blkdev 函数注销前面注册的块设备；
最后调用 kfree 来释放掉申请的内存。
四、测试
1、加载模块模块
2、查看 ramdisk 磁盘
ramdisk 已经识别出来了，大小为 2mb，但是同时也提示/dev/ramdisk没有分区表，因为我们还没有格式化/dev/ramdisk
3、格式化/dev/ramdisk
4、挂载/dev/ramdisk
挂载成功以后就可以通过/tmp 来访问 ramdisk 这个磁盘了
5、创建文件测试
卸载重新加载进入
五、getgeo 函数
此函数用户获取磁盘信息，信息保存在参数 geo 中，为结构体 hd_geometry 类型，如下：
设置 ramdisk 有 2 个磁头(head)、一共有 32 个柱面(cylinderr)。 知道磁盘总容量、磁头数、柱面数以后我们就可以计算出一个磁道上有多少个扇区了
加载查看
代码如下
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/input.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/unaligned.h>
#include <linux/input/touchscreen.h>
#include <linux/input/mt.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/hdreg.h>
/*定义磁盘大小，内存模拟*/
#define ramdisk_size (2 * 1024 *1024) /*2mb*/
#define ramdisk_name "ramdisk" /*名字*/
#define ramdisk_minor 3 /*3个分区*/
/*ramdisk设备结构体*/
struct ramdisk_dev
{
int major;
unsigned char *ramdiskbuf; /*ramdisk内存空间，模拟磁盘空间*/
struct gendisk *gendisk;
struct request_queue *queue;
spinlock_t lock;
};
struct ramdisk_dev ramdisk;
/*数据处理过程*/
static void ramdisk_transfer(struct request *req)
{
/* 数据传输三要素：源、目的、长度：
* 内存地址，块设备地址，长度
*/
unsigned long start = blk_rq_pos(req) << 9;
unsigned long len = blk_rq_cur_bytes(req);
void *buffer = bio_data(req->bio);
if(rq_data_dir(req) == read)
memcpy(buffer,ramdisk.ramdiskbuf +start,len);
else
memcpy(ramdisk.ramdiskbuf +start,buffer ,len);
};
/*请求函数*/
void ramdisk_request_fn(struct request_queue *q)
{
int err=0;
struct request *req;
req = blk_fetch_request(q);
while (req)
{
/*处理request,即具体的数据读写操作*/
ramdisk_transfer(req);
if (!__blk_end_request_cur(req, err))
req = blk_fetch_request(q);
}
}
int ramdisk_open(struct block_device *dev, fmode_t mode)
{
printk("ramdisk open\r\n");
return 0;
}
void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
{
printk("ramdisk release\r\n");
}
/*获取磁盘信息*/
int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev, struct hd_geometry *geo)
{
printk("ramdisk_getgeo\r\n");
geo->heads = 2;/*磁头*/
geo->cylinders = 32;/*柱面、磁道*/
geo->sectors = ramdisk_size/(2 * 32 * 512);/*一个磁道里面的扇区数量*/
return 0;
}
/*块设备操作集*/
static const struct block_device_operations ramdisk_fops =
{
.owner = this_module,
.open = ramdisk_open,
.release = ramdisk_release,
.getgeo = ramdisk_getgeo,
};
/*驱动入口函数*/
static int __init ramdisk_init(void)
{
int ret = 0;
printk("ramdisk_init\r\n");
/*申请内存*/
ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(ramdisk_size, gfp_kernel);
if(ramdisk.ramdiskbuf == null)
{
ret = -einval;
goto ramalloc_fail;
}
/*注册块设备*/
ramdisk.major = register_blkdev(0,ramdisk_name);
if(ramdisk.major < 0)
{
ret = -einval;
goto ramdisk_register_blkdev_fail;;
}
printk("ramdisk major = %d\r\n",ramdisk.major);
/*申请gendisk*/
ramdisk.gendisk = alloc_disk(ramdisk_minor);
if(!ramdisk.gendisk)
{
ret = -einval;
goto gendisk_alloc_fail;
}
/*初始化自旋锁*/
spin_lock_init(&ramdisk.lock);
/*申请并初始化请求队列*/
ramdisk.queue = blk_init_queue(ramdisk_request_fn,&ramdisk.lock);
if(!ramdisk.queue) {
ret = -einval;
goto blk_init_queue_fail;
}
/*初始化*/
ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major;/*主设备号*/
ramdisk.gendisk->first_minor = 0;
ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops;
ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk;
ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue;
sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name,ramdisk_name);
set_capacity(ramdisk.gendisk,ramdisk_size/512);
add_disk(ramdisk.gendisk);
return 0;
blk_init_queue_fail:
put_disk(ramdisk.gendisk);
gendisk_alloc_fail:
unregister_blkdev(ramdisk.major,ramdisk_name);
ramdisk_register_blkdev_fail:
kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
ramalloc_fail:
return ret;
}
/*驱动出口函数*/
static void __exit ramdisk_exit(void)
{
printk("ramdisk exit\r\n");
del_gendisk(ramdisk.gendisk);
put_disk(ramdisk.gendisk);
blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);
unregister_blkdev(ramdisk.major,ramdisk_name);
kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
}
module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);
module_license("gpl");
module_author("ba che kai qi lai");
六、编写驱动之不使用请求队列
1、修改makefile
2、屏蔽代码
3、添加制造请求函数
代码如下
static void ramdisk_make_request(struct request_queue *q,struct bio *bio)
{
int offset;
struct bio_vec bvec;
struct bvec_iter iter;
unsigned long len=0;
/*要操作的磁盘扇区偏移，改为字节地址*/
offset = bio->bi_iter.bi_sector << 9;
/*循环处理每个段*/
bio_for_each_segment(bvec,bio,iter)
{
char *ptr = page_address(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset;
len = bvec.bv_len;
if(bio_data_dir(bio) == read)
memcpy(ptr,ramdisk.ramdiskbuf +offset,len);
else
memcpy(ramdisk.ramdiskbuf +offset,ptr ,len);
offset += len;
}
set_bit(bio_uptodate,&bio->bi_flags);
bio_endio(bio,0);
}
91行，直接读取 bio 的 bi_iter 成员变量的 bi_sector 来获取要操作的设备地址(扇区)
93行，使用 bio_for_each_segment 函数循环获取 bio 中的每个段，然后对其每个段进行处理
95行，根据 bio_vec 中页地址以及偏移地址转换为真正的数据起始地址
96行，获取要出来的数据长度，也就是 bio_vec 的 bv_len 成员变量
98-101行，要操作的块设备起始地址知道了，数据的存放地址以及长度也知道，接下来就是根据读写操作将数据从块设备中读出来，或者将数据写入到块设备中
103行，处理完一个后继续往后处理
106行，调用 bio_endio 函数，结束 bio
4、修改驱动入口函数
168行，，使用 blk_alloc_queue 函数申请一个请求队列
175行，调用制造请求函数
测试方法和上面一样，参考上面的测试即可
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