Linux平台下USB大容量存储设备驱动程序的改进与优化

北京交通大学硕士学位论文Linux平台下USB大容量存储设备驱动程序的改进与优化姓名：刘超申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：韩臻20080601北京交通大学专业硕士学位论文化：Ｓｔｒｕｃｔｂｕｓｔｙｐｅｐｃｉ＿ｂｕｓ＿ｔｙｐｅ＝｛．ｎａｍｅ＝‘＇ｐｃｉ”，．ｍａｔｃｈ＝ｐｃｉ＿ｂｕｓ＿ｍａｔｃｈ，．ｈｏｔｐｌｕｇ＝ｐｃｉ＿ｈｏｔｐｌｕｇ，．ｓｕｓｐｅｎｄ＝ｐｃｉ＿ｄｅｖｉｃｅｓｕｓｐｅｎｄ，．ｒｅｓｕｍｅ＝ｐｃｉ＿＿ｄｅｖｉｃｅ＿ｒｅｓｕｍｅ，，ｄｅｖ—ａｔｔｒｓ＝ｐｃｉ＿ｄｅｖ＿ａｔｔｒｓ，）；在将ＰＣＩ子系统装载到内核中时，通过调用ｂｕｓ＿ｒｅｇｉｓｔｅｒ，该ｐｃｉ＿ｂｕｓ＿ｔｙｐｅ变量将向驱动程序核心注册。

此后，驱动程序将在／ｓｙｓ／ｂｕｓ／ｐｃｉ中创建一个ｓｙｓｆｓ目录，其中包含了两个目录：ｄｅｖｉｃｅｓ和ｄｒｉｖｅｒｓ。

所有的ＰＣＩ驱动程序都必须定义一个ｐｃｉ＿ｄｒｉｖｅｒ结构变量，该变量包含了这个ＰＣＩ驱动程序所提供的不同功能函数。

这个结构中包含了一个ｄｅｖｉｃｅ＿ｄｒｉｖｅｒ结构，在注册ＰＣＩ驱动程序时，这个结构将被初始化：／半初始化ｄｒｉｖｅｒ中常用的成员奉／Ｄｒｖ－＞ｄｒｉｖｅｒ．ｎａｍｅ＝ｄｒｖ一＞ｎａｍｅ；Ｄｒｙ－＞ｄｒｉｖｅｒ．ｂｕｓ＝＆ｐｃｉ＿ｂｕｓ咖ｅ；Ｄｒｙ－＞ｄｒｉｖｅｒ．ｐｒｏｂｅ＝ｐｃｉ＿ｄｅｖｉｃｅ＿ｐｒｏｂｅ；Ｄｒｙ－＞ｄｒｉｖｅｒ．ｒｅｍｏｖｅ＝ｐｃｉ＿ｄｅｖｉｃｅｒｅｍｏｖｅ；Ｄｒｖ－＞ｄｒｉｖｅｒ．ｋｏｂｊ．ｋｔｙｐｅ＝＆ｐｃｉ＿ｄｒｉｖｅｒｋｏｂｊ＿ｔｙｐｅ；该段代码用来为驱动程序设置总线，它将驱动程序的总线指向ｐｃｉ＿ｂｕｓ＿ｔｙｐｅ，并且将ｐｒｏｂｅ和ｒｅｍｏｖｅ函数指向ＰＣＩ核心中的相关函数。

为了让ＰＣＩ驱动程序的属性文件能正常工作，将驱动程序的ｋｏｂｊｅｃｔ中的ｋｔｙｐｅ设置成ｐｃｉ＿ｄｒｉｖｅｒ＿ｋｏｂｊ＿ｔｙｐｅ，然后ＰＣＩ核心向驱动程序核心注册ＰＣＩ驱动程序：产向核心注册奉／Ｅｒｒｏｒ＝ｄｒｉｖｅｒｒｅｇｉｓｔｅｒ（＆ｄｒｙ－＞ｄｒｉｖｅｒ）；现在驱动程序可与其所支持的任何ＰＣＩ设备绑定。

在能与ＰＣＩ总线交互的特定体系架构代码的帮助下，ＰＣＩ核心开始探测ＰＣＩ地址空间，查找所有的ＰＣＩ设备。

当一个ＰＣＩ设备被找到时，ＰＣＩ核心在内存中创建一个ｐｃｉ＿＿ｄｅｖ类型的结构变量。

ｐｃｉ＿ｄｅｖ结构的部分内容如下所示：Ｓｔｒｕｃｔｐｃｉｄｅｖ｛Ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｄｅｖｆｎ；Ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｖｅｎｄｏｒ；系统分析Ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｄｅｖｉｃｅ；Ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｓｕｂｓｙｓｔｅｍ＿ｖｅｎｄｏｒ；Ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｓｕｂｓｙｓｔｅｍｄｅｖｉｃｅ；Ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｃｌａｓｓ；Ｓｔｒｕｃｔｐｃｉ＿ｄｒｉｖｅｒ奉ｄｒｉｖｅｒ；Ｓｔｒｕｃｔｄｅｖｉｃｅｄｅｖ；）；这个设备中与总线相关的成员将由ＰＣＩ核心初始化，并且ｄｅｖｉｃｅ结构变量的ｐａｒｅｎｔ变量被设置为该ＰＣＩ设备所在的总线设备。

Ｂｕｓ变量被设置为指向ｐｃｉ＿ｂｕｓｔｙｐｅ结构。

接着设置ｎａｍｅ和ｂｕｓ—ｉｄ变量，其值取决于从ＰＣＩ设备中读出的名字和ＩＤ。

当ＰＣＩ的ｄｅｖｉｃｅ结构被初始化后，使用下面的代码向驱动程序核心注册设备：Ｄｅｖｉｃｅ＿ｒｅｇｉｓｔｅｒ（＆ｄｅｖ一＞ｄｅｖ）；在ｄｅｖｉｃｅｒｅｇｉｓｔｅｒ函数中，驱动程序核心对ｄｅｖｉｃｅ中的许多成员进行初始化，向ｋｏｂｊｅｃｔ核心注册设备的ｋｏｂｊｅｃｔ，然后将该设备添加到设备列表中，该设备列表为包含该设备的父节点所拥有。

完成这些工作后，所有的设备都可以通过正确的顺序访问，并且知道每个设备都挂在层次结构的哪一点上。

接着设备将被添加到与总线相关的所有设备链表中，在这个例子中是ｐｃｉ＿ｂｕｓ＿ｔｙｐｅ链表。

这个链表包含了所有向总线注册的设备，遍历这个链表并为每个驱动程序调用该总线的ｍａｔｃｈ函数，同时指定该设备。

对于ｐｃｉ＿ｂｕｓ＿ｔｙｐｅ总线来说，ＰＣＩ核心在把设备提交给驱动程序核心前，将ｍａｔｃｈ函数指向ｐｃｉｂｕｓｍａｔｃｈ函数。

Ｐｃｉｂｕｓｍａｔｃｈ函数将把驱动程序核心传递给它的ｄｅｖｉｃｅ结构转换为ｐｃｉ．ｄｅｖ结构。

它还把ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ结构转换成ｐｅｉｄｒｉｖｅｒ结构，并查看设备和驱动程序中的ＰＣＩ设备相关信息，以确定驱动程序是否能支持这类设备。

如果这样的匹配工作没能正确执行，该函数会向驱动程序核心返回０，接着驱动程序核心考虑在其链表中的下一个驱动程序。

如果匹配工作完成，函数向驱动程序核心返回１。

这将导致驱动程序核心将ｄｅｖｉｃｅ结构中的ｄｒｉｖｅｒ指针指向这个驱动程序，然后调用ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ结构中指定的ｐｒｏｂｅ函数【８１。

在ＰＣＩ驱动程序向驱动程序核心注册前，ｐｒｏｂｅ变量被设置为指向ｐｃｉ＿ｄｅｖｉｃｅ＿ｐｒｏｂｅ函数。

该函数将ｄｅｖｉｃｅ结构转换为ｐｃｉ＿ｄｅｖ结构，并把在ｄｅｖｉｃｅ中设置的ｄｒｉｖｅｒ结构转换为ｐｃｉｄｒｉｖｅｒ结构。

它也将检测这个驱动程序的状态，以确保其能支持这个设备，增加设备的引用计数，然后用绑定的ｐｅｉｄｅｖ结构指针为北京交通大学专业硕士学位论文参数，调用ＰＣＩ驱动程序的ｐｒｏｂｅ函数。

如果ＰＣＩ驱动程序的ｐｒｏｂｅ函数出于某种原因，判定不能处理这个设备，其将返回负的错误值给驱动程序核心，这将导致驱动程序核心继续在驱动程序列表中搜索，以匹配这个设备。

如果ｐｒｏｂｅ函数探测到了设备，为了能正常的操作设备，它将做所有的初始化工作，然后向驱动程序核心返回０。

这会使驱动程序核心将该设备添加到与此驱动程序绑定的设备链表中，并在ｓｙｓｆｓ中的ｄｒｉｖｅｒｓ目录到当前控制设备之间建立符号链接。

这个符号链接使得用户知道哪个驱动程序被绑定到了哪个设备上。

删除设备当删除一个ＰＣＩ设备时，要调用ｐｃｉｒｅｍｏｖｅｂｕｓｄｅｖｉｃｅ函数。

该函数作些ＰＣＩ相关的清理工作，然后使用指向ｐｃｉｄｅｖ中的ｄｅｖｉｃｅ结构的指针，调用ｄｅｖｉｃｅｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ函数。

在ｄｅｖｉｃｅ到ｓｙｓｆｓ文件的符号链接，从内部设备链表中删除了该设备，并以ｄｅｖｉｃｅ结构中的ｋｏｂｊｅｃｔ结构指针为参数，调用ｋｏｂｊｅｃｔ＿ｄｅｌ函数。

该函数引起了用户空间的ｈｏｔｐｌｕｇ调用，表明ｋｏｂｊｅｃｔ现在在系统中删除，然后删除全部与ｋｏｂｊｅｃｔ相关的ｓｙｓｆｓ文件和ｓｙｓｆｓ目录，而这些目录和文件都是ｋｏｂｊｅｃｔ以前创建的。

Ｋｏｂｊｅｃｔ函数还删除了设备的引用。

如果该引用是最后一个，就要．ｄｅｌｋｏｂｊｅｃｔ调用该ＰＣＩ设备的ｒｅｌｅａｓｅ函数＿ｐｃｉｒｅｌｅａｓｅｄｅｖ。

该函数只释放了ｐｃｉｄｅｖ结构所占用的空间。

至此，与设备相关的所有ｓｙｓｆｓ入口都被删除，并与设备相关的内存也被释放，ＰＣＩ设备被完全从系统中删除。

添加驱动程序当调用ｐｃｉｒｅｇｉｓｔ眵ｄｒｉｖｅｒ函数时，一个ＰＣＩ驱动程序被添加到ＰＣＩ核心中，该函数初始化了包含在ｐｃｉｄｒｉｖｅｒ结构中的ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ结构。

ＰＣＩ核心用包含在ｐｃｉ结构中的结构指针作为参数，在驱动程序核心内调用．ｄｒｉｖｅｒｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒｄｒｉｖｅｒｄｒｉｖｅｒｒｅｇｉｓｔｅｒ函数初始化了几个ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒ中的锁，然后调用ｂｕｓａｄｄｄｒｉｖｅｒ函数。

该函数按以下步骤操作：１）查找与驱动程序相关的总线。

如果没有找到该总线，函数立刻返回。

２）根据驱动程序的名字以及相关的总线，创建驱动程序的ｓｙｓｆｓ目录。

３）获取总线内部的锁，接着遍历所有向总线注册的设备，然后如同添加新设备一样，为这些设备调用ｍａｔｃｈ函数。

删除驱动程序系统分析对ＰＣＩ驱动程序来说，驱动程序调用ｐｃｉｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ含在ｐｃｉ结构中的结构作为参数，调用驱动程序核心函数．ｄｒｉｖｅｒｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒｄｒｉｖｅｒ＿ｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ．通过清除在ｓｙｓｆｓ树中属于驱动程序的ｓｙｓｆｓ属性，来完成一些基本管理工作。

然后它遍历所有属于该驱动程序的设备，并为其调用ｒｅｌｅａｓｅ函数。

当所有的设备与驱动程序脱离后，驱动程序代码使用了下面两个函数：Ｄｏｗｎ（＆ｄｒｖ－＞ｕｎｌｏａｄ＿ｓｅｍ）；Ｕｐ（＆ｄｒｖ－＞ｕｎｌｏａｄ＿ｓｅｍ）；在返回给调用者前执行这个操作。

锁住代码是因为在函数安全返回前，代码需要等待驱动程序的所有引用计数为０。

模块在被卸载时，几乎都要调用ｄｒｉｖｅｒ锁的解开，模块就需要保留在内存中，这样，内核就能知道什么时候可以安全的把驱动程序从内存中上删除掉。

２．２块设备Ｉ／０请求处理不：块设备驱动程序的每一读写操作需要内核多层的处理，处理流程如图２．３所图２．３Ｌｉｎｕｘ块设备ＦＯ请求处理流程Ｆｉｇ２．３ｔｈｅｈａｎｄｌｅｆｌｏｗｏｆｌｉｎｕｘｆｏｒ１０ｒｅｑｕｅｓｔｏｆｂｌｏｃｋｄｅｖｉｃｅ北京交通大学专业硕士学位论文内核在处理一个读操作时，将在磁盘上执行ｒｅａｄ（）系统调用，处理一个写操作时，将在磁盘上执行ｗｒｉｔｅ（）系统调用。

以读操作为例，内核所需要做的工作如下【ｌｌ】：１）ｒｅａｄ（）系统调用将激活虚拟文件层函数，并将一个文件描述和文件偏移量传递给该函数。

虚拟文件系统位于块设备处理体系上层，它为ｌｉｎｕｘ中所有文件系统提供了一个公共文件模型。

２）虚拟文件层函数将确定请求数据是否存在，如果存在，将如何执行读操作。

有时，并不需要从磁盘中获取数据，因为内核将块设备中常用的一些数据保存在ＲＡＭ中。

３）假设内核必须从块设备中读取数据，那么，它必须知道这些数据的物理位置，这部分工作由ｍａｐｐｉｎｇ层来完成，它分两步：第一步确定文件所属的文件系统一块的大小，根据文件块数计算数据请求的字节数。

通常，一个文件被分割存储在多个块中，内核确定请求数据包含在哪些块中。

第二步，ｍａｐｐｉｎｇ层调用一个文件系统专用函数，访问文件的磁盘节点，根据逻辑块号确定请求数据的物理存储位置。

通常，磁盘被分割成很多物理块，内核根据逻辑块号确定物理块号。

磁盘节点中存有一种用来匹配文件物理块号和逻辑块号的数据结构。

４）逻辑块号和物理块号匹配后，内核ｇｅｎｅｒｉｃｂｌｏｃｋ层开始处理Ｉ／Ｏ操作。

由于请求数据不一定都是相邻的，一次Ｉ／Ｏ操作通常涉及多组相邻的物理块，ｇｅｎｅｔｉｃｂｌｏｃｋ层可能将一个Ｉ／Ｏ操作拆分为多个Ｉ／Ｏ请求。

每个Ｉ／Ｏ请求数据由相邻的物理块组成，每个Ｉ／Ｏ请求将由ｂｌｏｃｋＩ／Ｏ（ｂｉｏ）结构表示，它存储了下层程序所需的所有信息。

５）ｇｅｎｅｔｉｃｂｌｏｃｋ层下面是Ｉ／Ｏｓｃｈｅｄｕｌｅｒ层，它根据预先定义好的内核策略将所有为完成的ｂｉｏ请求进行排序。

该层将合成位于相邻物理存储块的ｂｉｏ请求。