【轉】Linux設備驅動--塊設備（一）之概念和框架

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基本概念 

 塊設備（blockdevice）

--- 是一種具備必定結構的隨機存取設備，對這種設備的讀寫是按塊進行的，他使用緩衝區來存放暫時的數據，待條件成熟後，從緩存一次性寫入設備或者從設備一次性讀到緩衝區。

字符設備（Character device）

---是一個順序的數據流設備，對這種設備的讀寫是按字符進行的，並且這些字符是連續地造成一個數據流。他不具有緩衝區，因此對這種設備的讀寫是實時的。

 

扇區(Sectors)：任何塊設備硬件對數據處理的基本單位。一般，1個扇區的大小爲512byte。（對設備而言）

塊  (Blocks)：由Linux制定對內核或文件系統等數據處理的基本單位。一般，1個塊由1個或多個扇區組成。（對Linux操做系統而言）

段(Segments)：由若干個相鄰的塊組成。是Linux內存管理機制中一個內存頁或者內存頁的一部分。

頁、段、塊、扇區之間的關係圖以下：

 

塊設備驅動總體框架

 塊設備的應用在Linux中是一個完整的子系統。

在Linux中，驅動對塊設備的輸入或輸出(I/O)操做，都會向塊設備發出一個請求，在驅動中用request結構體描述。但對於一些磁盤設備而言請求的速度很慢，這時候內核就提供一種隊列的機制把這些I/O請求添加到隊列中（即：請求隊列），在驅動中用request_queue結構體描述。在向塊設備提交這些請求前內核會先執行請求的合併和排序預操做，以提升訪問的效率，而後再由內核中的I/O調度程序子系統來負責提交  I/O 請求，  調度程序將磁盤資源分配給系統中全部掛起的塊 I/O  請求，其工做是管理塊設備的請求隊列，決定隊列中的請求的排列順序以及何時派發請求到設備。

由通用塊層(Generic Block Layer)負責維持一個I/O請求在上層文件系統與底層物理磁盤之間的關係。在通用塊層中，一般用一個bio結構體來對應一個I/O請求。

Linux提供了一個gendisk數據結構體，用來表示一個獨立的磁盤設備或分區，用於對底層物理磁盤進行訪問。在gendisk中有一個相似字符設備中file_operations的硬件操做結構指針，是block_device_operations結構體。

當多個請求提交給塊設備時，執行效率依賴於請求的順序。若是全部的請求是同一個方向（如：寫數據），執行效率是最大的。內核在調用塊設備驅動程序例程處理請求以前，先收集I/O請求並將請求排序，而後，將連續扇區操做的多個請求進行合併以提升執行效率（內核算法會本身作，不用你管），對I/O請求排序的算法稱爲電梯算法（elevator algorithm）。電梯算法在I/O調度層完成。內核提供了不一樣類型的電梯算法，電梯算法有

1 noop（實現簡單的FIFO，基本的直接合並與排序）,
2 anticipatory（延遲I/O請求，進行臨界區的優化排序），
3 Deadline（針對anticipatory缺點進行改善，下降延遲時間）,
4 Cfq（均勻分配I/O帶寬，公平機制）

PS：其實IO調度層（包括請求合併排序算法）是不須要用戶管的，內核已經作好

相關數據結構

block_device:      描述一個分區或整個磁盤對內核的一個塊設備實例 gendisk:               描述一個通用硬盤（generic hard disk）對象。hd_struct:             描述分區應有的分區信息 bio:                        描述塊數據傳送時怎樣完成填充或讀取塊給driverrequest:                描述向內核請求一個列表準備作隊列處理。 request_queue:  描述內核申請request資源創建請求鏈表並填寫BIO造成隊列。