Linux BIO如何下发到HDD？

在Linux操作系统中，当创建一个Block I/O请求（BIO）时，它会被封装成适合硬件交互的数据结构，并通过内核存储子系统传递到对应的硬件控制器上，如SAS（Serial Attached SCSI）HBA（Host Bus Adapter）卡。以下是该过程的详细分析和解读：

BIO创建：

在用户空间或内核空间的应用程序发起读写磁盘操作时，会调用相应的系统调用（例如read()、write()或者直接使用io_uring等异步I/O接口），这些调用最终转化为对块设备的I/O请求。

这些请求被包装为内核中的struct bio数据结构，即BIO，它包含了诸如起始扇区地址、要传输的数据长度以及指向实际数据缓冲区的指针等信息。

调度与合并：

Linux内核的块层（block layer）会对BIO进行调度和可能的合并操作，以优化I/O性能。例如，如果连续的多个小I/O可以合并为一个大的I/O，那么内核就会这样做，减少硬件操作次数。

通过I/O调度器：

调度后的BIO经过I/O调度器（如CFQ, Deadline, Noop等），按照特定策略将I/O请求排序并决定何时将其发送给下一层驱动。

到达SCSI中间层：

对于SAS硬盘，BIO接着会传递到SCSI子系统，进一步转换为SCSI命令描述符块（CDBs）。这一过程中，Linux的scsi_midlayer组件负责处理从块设备抽象到具体SCSI协议之间的转换。

SAS HBA驱动介入：

当请求到达SAS HBA驱动层时，驱动程序将CDB及相关的BIO信息映射到适配器的命令队列中。SAS HBA驱动主要负责与硬件通信，包括控制寄存器的操作、DMA数据传输管理以及处理中断等。

硬件执行：

驱动程序将准备好的SCSI命令发送至SAS HBA卡。HBA卡收到命令后，通过其内部逻辑处理，并通过SAS总线将命令传输到目标SAS硬盘。

SAS硬盘响应：

SAS硬盘接收到命令后，根据指令完成相应操作，可能是读取数据或写入数据。完成后，硬盘通过SAS链路返回状态信息和（如有必要）数据。

数据传输与确认：

HBA卡接收到来自硬盘的响应后，驱动程序开始处理回传的数据，如果是读操作，则将硬盘返回的数据复制到原始BIO所关联的内存区域；如果是写操作，则确认数据已经正确写入硬盘。

完成通知：

当所有数据传输完毕并且相关事务处理结束时，HBA驱动向内核块层发出I/O完成通知，从而释放相关的资源，并允许等待的进程继续执行。

在Linux系统中，一个创建的BIO经历了层层转化与调度，最终通过SAS HBA驱动成功地与底层的SAS HDD交互，实现了数据的读写操作。