Linux內核中的設備模型及SCSI示例解析

關於硬件架構

想要了解Linux操做系統的內核設備和驅動模型，最好先了解一下如今計算機硬件的架構。對計算機硬件有必定了解以後，對理解Linux內核中的設備和驅動模型很是有幫助。如圖1是常規計算機的硬件架構簡圖。

這裏面須要重點理解的概念包括：總線、PCI橋和設備三個概念。咱們下面大概介紹一下這幾個概念的含義：

總線： 咱們知道計算機一般包括幾大件，CPU、內存、輸入設備和輸出設備等。這些設備之間進行通訊須要依賴一種通道，這個通道就是總線。說的直白寫，總線就是傳輸數據的通道，能夠類比平常生活中的馬路，各個不一樣的城市經過馬路來交換物資。總線有不少種，好比常見的PCI總線，ISA總線和I2C總線等等，咱們這裏就不相信介紹。

PCI橋： PCI橋是鏈接PCI總線的紐帶，其做用與網絡領域的網橋相似。其實咱們平時說的北橋，就包含PCI橋。PCI橋主要分3種，3種橋的具體含義以下：

1. HOST/PCI橋：提供CPU和PCI設備相互訪問的通道，實現CPU空間和PCI空間的映射。
2. PCI-PCI橋：實現PCI設備的級聯。
3. PCI/ISA或LPC橋：實現對ISA設備的兼容。

設備：設備就是具體的設備了，好比網卡、鍵盤和鼠標等等。

Linux中的設備軟件模型

爲了下降設備多樣性帶來的Linux驅動開發的複雜度，以及設備熱拔插處理、電源管理等，Linux內核提出了設備模型（也稱做Driver Model）的概念。設備模型將硬件設備概括、分類，而後抽象出一套標準的數據結構和接口。驅動的開發，就簡化爲對內核所規定的數據結構的填充和實現。Linux中的軟件概念與實際物理的概念有一個大體的對應關係，在內核中相關的概念主要包括Bus、Device、Device Driver和Class等。下面是Linux對上述概念的介紹：

Bus（總線）：Linux認爲（能夠參考include/linux/device.h中struct bus_type的註釋）總線是CPU和一個或多個設備之間信息交互的通道。而爲了方便設備模型的抽象，全部的設備都應鏈接到總線上。Linux總線是在上述物理總線基礎上作的抽象，它能夠對應物理總線，也能夠沒有對應物理總線。

Device（設備）：抽象系統中全部的硬件設備，描述它的名字、屬性、從屬的Bus、從屬的Class等信息。

Device Driver（驅動）：Linux設備模型用Driver抽象硬件設備的驅動程序，它包含設備初始化、電源管理相關的接口實現。而Linux內核中的驅動開發，基本都圍繞該抽象進行（實現所規定的接口函數）。

Class（分類）：在Linux設備模型中，Class的概念很是相似面向對象程序設計中的Class（類），它主要是集合具備類似功能或屬性的設備，這樣就能夠抽象出一套能夠在多個設備之間共用的數據結構和接口函數。於是從屬於相同Class的設備的驅動程序，就再也不須要重複定義這些公共資源，直接從Class中繼承便可。

設備模型的核心思想

前面介紹了Linux的設備軟件模型相關的概念，下面介紹一下各類概念間的關係。對於Linux來講，其軟件層面的模型與硬件基本是一致的。由圖1， 若是把CPU和內存開成一個樹根的話，整個計算機的設備間的關係其實相似一個樹，總線相似於樹枝。Linux內核在具體實現的時候也是按照此規律進行的，最底層的是根總線（bus），而後是各類具體類型的總線（bus_type）,而其下則是設備（device）。

**如圖2所示，Linux內核針對上面介紹的概念，實現了具體的數據結構。**數據結構的名稱基本與硬件類型名稱一致。好比bus_type表示某種類型的總線，device表示一個物理設備等。

設備和驅動： 用Device（struct device）和Device Driver（struct device_driver）兩個數據結構，分別從「有什麼用」和「怎麼用」兩個角度描述硬件設備。這樣就統一了編寫設備驅動的格式，使驅動開發從論述題變爲填空體，從而簡化了設備驅動的開發。

總線與設備： 經過"Bus-->Device」類型的樹狀結構解決設備之間的依賴，而這種依賴在開關機、電源管理等過程當中尤其重要。

試想，一個設備掛載在一條總線上，要啓動這個設備，必須先啓動它所掛載的總線。很顯然，若是系統中設備很是多、依賴關係很是複雜的時候，不管是內核仍是驅動的開發人員，都無力維護這種關係。

而設備模型中的這種樹狀結構，能夠自動處理這種依賴關係。啓動某一個設備前，內核會檢查該設備是否依賴其它設備或者總線，若是依賴，則檢查所依賴的對象是否已經啓動，若是沒有，則會先啓動它們，直到啓動該設備的條件具有爲止。而驅動開發人員須要作的，就是在編寫設備驅動時，告知內核該設備的依賴關係便可。

類： 使用Class結構，在設備模型中引入面向對象的概念，這樣能夠最大限度地抽象共性，減小驅動開發過程當中的重複勞動，下降工做量。在Linux內核驅動中，類是對具備共性的設備的抽象，好比顯示設備類，音頻設備類和SCSI設備類等等。好比SCSI設備類包括磁盤設備、光驅設備和USB設備等。

即插即用： 在現代操做系統中即插即用成爲常態，咱們普通PC的U盤、光驅等都是即插即用的。而對於企業級的服務器甚至要求CPU和內存等組件都是能夠即插即用的。

即插即用的實現一樣借用Device和Device Driver兩個數據結構。在Linux內核中，只要任何Device和Device Driver具備相同的名字，內核就會執行Device Driver結構中的初始化函數（probe），該函數會初始化設備，使其爲可用狀態。

而對大多數熱拔插設備而言，它們的Device Driver一直存在內核中。當設備沒有插入時，其Device結構不存在，於是其Driver也就不執行初始化操做。當設備插入時，內核會建立一個Device結構（名稱和Driver相同），此時就會觸發Driver的執行。這就是即插即用的概念。

SCSI設備示例

SCSI設備是Linux內核中支持的衆多設備中的一種。SCSI設備也遵循上面介紹的設備、驅動和總線的結構，但略有不一樣。Linux內核中抽象了一個稱謂SCSI總線的虛擬總線。而在SCSI總線上又包含SCSI的驅動和設備。

SCSI整個架構分爲3層，其中中間是中間層，用於實現SCSI的公共功能，好比錯誤處理等。而上面一層稱謂高層，它表明各類scsi設備類型的驅動，如scsi磁盤驅動，scsi磁帶驅動，高層驅動認領低層驅動發現的scsi設備，爲這些設備分配名稱，將對設備的IO轉換爲scsi命令，交由低層驅動處理。而最下面的稱謂底層，它表明與SCSI的物理接口的實際驅動器，主要爲各個廠商爲其特定的主機適配器(Host Bus Adapter, HBA)驅動，例如： FC卡驅動、SAS卡驅動和iSCSI（iSCSI可使硬件HBA卡或者基於普通網卡的軟件實現）等。

在圖3中，Disk Driver就是一個SCSI磁盤驅動，經過該驅動對用戶呈現一個普通的磁盤。中間層的驅動是必須第一個被內核加載的，若是編譯成內核模塊的話，該內核模塊爲scsi_mod。而後是上層的驅動和底層的驅動。以SCSI磁盤爲例，加載的模塊是sd_mod。

在SCSI中實現對應上述概念的結構體包括scsi_driver、scsi_device和SCSI類型的總線（bus）。其中SCSI類型的總線並無定義一個特別的數據結構體，而是對bus_type數據結構的實例化。

須要說明的是對於SCSI設備，其實現又是比較複雜的。咱們以光纖適配卡爲例，其中一個適配卡又包含多個通路，而每一個通路同網絡的方式能夠跟多個存儲設備鏈接。所以，對於SCSI設備來講，實現上要複雜不少。

在內核中經過Scsi_Host、scsi_target等結構體表示上述概念。具體細節本文再也不詳述，後面咱們再詳細介紹SCSI體系架構、FC相關流程和iSCSI相關流程。