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嵌入式系统第十二讲块设备和驱动程序设计

article 2025/1/7 4:30:55

• 块设备是Linux三大设备之一（另外两种是字符设备，网络设备），块设备也是通过/dev下的文件系统节点访问。

• 块设备的数据存储单位是块，块的大小通常为512B至32KB不等。

• 块设备每次能传输一个或多个块，支持随机访问，并且采用了缓存技术。

• 常见的块设备包括IDE硬盘、SCSI硬盘、CD-ROM等等。

– IDE：Integrated Device Electronics，集成磁盘电子接口

– SCSI：Small Computer System Interface，小型计算机系统接口

• 12.1 块设备驱动程序设计概要

• 块设备驱动在虚拟文件系统（VFS）中的位置：

VFS（Virtual File System，虚拟文件系统）的作用就是采用标准的Unix系统调用读写位于不同物理介质上的不同文件系统，即为 各类文件系统提供了一个统一的操作界面和应用编程接口。VFS是一个可以让open()、read()、 write()等系统调用不用关心底层的存储介质和文件系统类型就可以工作的粘合层。

• 12.1.1 块设备的数据交换方式

– 块设备以块（512B至32KB）为单位进行读写；字符设备以字节为单位进行读写。

– 块设备有对应的缓冲区，并使用了请求队列对I/O请求 进行管理，块设备支持随机访问；字符设备只能顺序访问。

• 11.1.2 块设备读写请求

– 对块设备的读写都是通过请求实现的。

– Linux中每一个块设备都有一个I/O请求队列，每个请求队列都有调度器的插口，调度器可以实现对请求队列里请求的合理组织，如合并临近请求，调整请求完成顺序等。

– Linux 2.6内核有4个I/O调度器（Scheduler）：

① No-op I/O scheduler：实现了一个简单的FIFO队列；

② Anticipatory I/O scheduler：是目前内核中默认的I/O调度器；

③ Deadline I/O scheduler：是针对Anticipatory I/O scheduler的缺点进行改善而来的；

④ CFQ I/O schedule：为系统内的所有任务分配相同的带宽，提供一个公平的工作环境，它比较适合桌面环境。

• 12.2 Linux块设备驱动相关数据结构与函数

• 12.2.1 gendisk结构

– gendisk（通用磁盘）数据结构：struct gendisk。在Linux内核中，gendisk数据结构表示是一个独立磁盘设备或者一个分区。

– Linux提供了一组函数接口来操作gendisk数据结构：

① 分配gendisk

– structgendisk*alloc_disk(int minors);

② 增加（注册）gendisk

– void add_disk(structgendisk *disk);

③ 释放（删除）gendisk

– void del_gendisk(struct gendisk *gd);

④ 引用计数

– 减少引用计数：get_disk();

– 增加引用计数：put_disk();

⑤ 设置和查看磁盘容量

– 设置磁盘容量：void set_capacity(structgendisk*disk, sector_tsize);

– 查看磁盘容量：sector_tget_capacity(structgendisk*disk)

• 12.2.2 request结构

– 块设备的读写都是通过请求实现的。

– 请求数据结构：struct request

• 12.2.3 request_queue队列

– 每一个块设备都有一个I/O请求队列。

– 请求队列数据结构：struct request_queue

– 请求队列数据结构包括：

① 请求队列的初始化和清除；

② 提取和删除请求；

③ 队列的参数设置；

④ 内核通告。

• 12.2.4 bio结构

– bio（block I/O，块I/O）是Linux内核中通用块层的一个 核心数据结构，它描述了块设备的I/O操作，联系了内存缓冲区与块设备。

– bio是底层对部分块设备的I/O请求描述，其包含驱动程序执行请求所需的全部信息。

• 12.3 块设备的注册与注销

• 块设备的注册：

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

• major：主设备号

• name：设备名

• 块设备的注销

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

• major：主设备号

• name：设备名

• 12.4 块设备初始化与卸载

• 块设备的初始化过程主要完成以下的工作：

① 注册块设备及块设备驱动程序；

② 分配、初始化、绑定请求队列（如果使用请求队列的话）；

③ 分配、初始化gendisk，为相应的成员赋值并添加gendisk；

④ 其他初始化工作，如申请缓存区，设置硬件尺寸（不同设备，有不同的处理）。

• 块设备的卸载过程刚好与初始化过程相反：

① 删除请求队列；

② 撤销gendisk的引用，并删除gendisk；

③ 释放缓冲区，撤销对块设备的应用，注销块设备驱动。

• 12.5 块设备操作

• 块设备操作数据结构：struct block_device_operations

– 字符设备文件操作数据结构：struct file_operations

① 打开和释放

– int(*open) (struct block_device *, fmode_t);

– int(*release) (struct gendisk *, fmode_t);

② I/O操作

– int(*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);

– int(*locked_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);

– int(*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);

③ 介质改变

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

④ 使介质有效

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

⑤ 获得驱动器信息

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

⑥ 模块指针

– struct module *owner;

• 12.6 请求处理

• 块设备没有read和write操作函数。

• 对块设备的读写是通过请求函数完成的。

• 请求处理分为两种情况：

– （1）使用请求队列

① 请求函数

② 通告内核

③ 屏障请求和不可重试请求

– （2）不使用请求队

• 12.7 MMC卡驱动

• 12.7.1 MMC/SD芯片介绍

– MMC卡（Multi-Media Card，多媒体卡）：1997年由西门子公司和 SanDisk公司共同开发，基于东芝公司的NAND Flash技术。

– SD卡（SecureDigital Memory Card，安全数码卡）：SD卡是由松下电器、东芝和SanDisk联合推出，1999年8月发布。– SD卡的数据传送和物理规范由MMC卡发展而来，大小和MMC卡（32mm×24mm×1.4mm）差不多，尺寸为32mmx24mmx2.1mm，长宽和MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，以容纳更大容量的存贮单元。