10-4Linux操作系统 - 设备管理

struct buffer_head { struct buffer_head *b_next; /* 用来链接hash值相同 的buffer_head */ unsigned long b_blocknr; /* 块号 */ unsigned short b_size; /* 块的大小 */ kdev_t b_dev; kdev_t b_rdev; /* 设备号 */ struct buffer_head *b_this_page;/* 同属一个页面的 buffer 链表 */ struct buffer_head *b_reqnext; /* 同一个操作请求 的buffer_head链表*/ struct buffer_head **b_pprev; /* 用来链接hash值相 同的buffer_head */ char * b_data; /*buffer所在的位置 */ struct page *b_page; /* buffer所属的页面 */ wait_queue_head_t b_wait; /*进程等待队列*/ struct inode * b_inode;/*该buffer所属的inode结构*/ ...... };
read（ 三、 read（）函数 块设备将调用block_read（）函数。 ( 在 版 本 2.4 中 block_write/read 变 成 了 generic_file_write/read,它先访问page cache.)
•block_read()函数首先计算出要读出的块。 •对于要读的每一块,首先检查buffer cache是否已经存 在，存在则返回。 •若不存在则申请一个buffer并将相应的buffer_head加 入对应设备的请求队列，然后进程进入buffer head的等 待队列睡眠。 •操作请求将在合适的时候被触发，驱动程序完成读操作 后将操作请求移出请求队列，进程被唤醒把buffer中的 数据读到自己的缓冲区。
10. 10.4 设备管理
内容 • 设备文件 • 设备管理相关数据结构 • 块设备文件的 open() 、 read （ ） 操 open()、 作
10. 10.4.1 设备文件的概念 • 传统的Unix系统均把设备当成文件来处理,因 而可以用read()/write()对设备进行操作。设 备文件一般在/dev目录下。 • Linux下的设备大体分为三类: (1)块设备: 一次I/O操作以固定大小的数据块为 单位,且可随机存取。 (2)字符设备:一次I/O操作存取数据量不固定,只 能顺序存取。 (3)网卡:网卡是特殊处理的,它没有对应的设备 文件。
数组的下标对应设备驱动程序的主设备号, blkdevs[ ]记录设备文件名及相应的操作集合, blk_dev[ ]记录各个设备的请求队列。
相关数据结构 blk_dev[]
Request_fn
blk_dev_struct request
request
……
Buffer head
Buffer head
Buffer head
一、 字符设备管理 •字符设备管理的主要数据结构如下：
struct device_struct { const char * name; struct file_operations * fops; }; static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV];
open（ 二、 open（）函数 打开一个设备文件与打开一个普通文件不同的特 殊处理（以原来的设备文件方式为例） •在VFS处理open系统调用时，会调用对应文件 系统的super_operations中的read_inode方法 将设备文件inode读入内存； •当得知是设备文件时，会将file中的f_op域 置为def_blk_fops/def_chr_fops表地址，其 中有blkdev_open()/chrdev_open()操作； •然后会调file中f_op域指向的操作表的open 方法。
•设备文件的属性 文件名：如 hda1 类型:是字符设备还是块设备 主设备号:主设备号相同的设备被同一设备驱动 程序处理。 从设备号:用来指明具体的设备 •mknod()创建设备文件，它的参数是上面提到的 四个属性。 •Linux安装完成之后已经在/dev目录下生成了绝 大多数可能要用到的设备文件
10. 10.4.2 相关数据结构 •VFS与设备驱动程序接口：
blkdevs[]（块设备）driver操作表
name fops
chrdevs[]（字符设备）driver操作表files_struct file
dentry
inode
fd_array
Inode_ operations Files_ operations
•每个buffer由设备号和块号唯一确定，并 以两者为hash关键字在buffer cache定位。 •通常块的大小为1KB,而物理页帧的大小为 4KB，所以一个物理页帧可以容纳4个buffer
•page cache和buffer cache的区别 （1）buffer cache用于读取文件系统分区和文 件的元数据。 （2）page cache主要用来存放常规文件的数据, 数据也并不一定在物理上连续。 （3）page cache尽量不与buffer cache存放相 同数据。 四、 设备请求队列
10. 块设备文件的open() read（ open()、 10.4.3 块设备文件的open()、read（）操作 可以把块设备整体看成一个文件来访问 一、 块设备驱动程序组成 块设备驱动程序分为两部分: (1)与VFS的接口层。blkdevs[] (2)真正对设备(一般是磁盘控制器)操作 的部分,如 blk_dev[major].request_fn。 blk_dev[major].request_fn
内存
外存
三 、 buffer cache • 块设备的操作是以块为基本单位,一般情 块的大小不会超过页面的大小。 况
• buffer cache 是对物理磁盘块的缓冲， 一 个buffer的大小等同于一个块的大小 buffer cache目的 目的：提高性能。 目的 •每个buffer由buffer_head结构描述，内核根据 buffer_head的状态信息操作buffer
以blkdev_open()为例: 1. 得到主设备号; 2. filp->f_op=blkdevs[major]fops #用blkdevs 表中的对应操作表地址重填file的f_op域； 3. 调filp-〉f_op->open(). 设备driver的open()函数主要工作： 1. 如果driver是动态加载模块，使用计数＋1； 2. 检查设备是否存在； 3. 如有必要，初始化设备； 4. 初始化设备的数据结构（如登记中断服务程序 等）。
不同的字符设备驱动程序要提供不同的 file_operations实现。 •当 设 备 不 再 使 用 时 , 可 以 通 过 unregister_chrdev()函数注销。
二、 块设备管理 主要数据结构有blkdevs[]和blk_dev[]：
static struct { const char *name; struct block_device_operations *bdops;/* 特定于设 备的操作集*/ } blkdevs[MAX_BLKDEV]; struct blk_dev_struct { request_queue_t request_queue;/*请求队列*/ queue_proc *queue; void *data; }; struct blk_dev_struct blk_dev[MAX_BLKDEV];
•每类块设备都维护一个请求队列 •队列的每一个成员称之为操作请求。
struct request { int cmd; /* 操作行为：读或写 */ struct buffer_head * bh; /*buffer_head链表*/ struct buffer_head * bhtail; ...... };
• 每个操作请求都维护着一个buffer_head链表。 每当需要对一个块进行操作时要将相应的 buffer_head加入设备请求队列，这个过程有 两个优化措施： (1)能否合并。检查已有的块设备操作请求中的 块和现在操作的块是否在物理上相邻并且操作 行为一致 (2)如果不能合并的话则生成一个新的块设备操 作请求，并加入相应设备请求队列的合适位置, 使磁头的移动路径尽可能短。
全局数组chrdevs[]记录了所有字符设备驱动 程序的名称name及其对应的设备操作函数接口 fops。数组的下标，则对应于设备的主设备号。
•加载设备驱动时，设备在系统中的注册是通过函 数register_chrdev( ),其原型如下：
int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)；