嵌入式系统 第十二讲 块设备和驱动程序设计

• 块设备是Linux三大设备之一（另外两种是字符设备，网络设备），块 设备也是通过/dev下的文件系统节点访问。

• 块设备的数据存储单位是块，块的大小通常为512B至32KB不等。

• 块设备每次能传输一个或多个块，支持随机访问，并且采用了缓存技 术。

• 常见的块设备包括IDE硬盘、SCSI硬盘、CD-ROM等等。

        – IDE：Integrated Device Electronics，集成磁盘电子接口

        – SCSI：Small Computer System Interface，小型计算机系统接口

• 12.1 块设备驱动程序设计概要

• 块设备驱动在虚拟文件系统（VFS）中的位置：

 VFS（Virtual File System，虚拟文件 系统）的作用就是 采用标准的Unix系 统调用读写位于不 同物理介质上的不 同文件系统，即为 各类文件系统提供 了一个统一的操作 界面和应用编程接 口。VFS是一个可 以让open()、read()、 write()等系统调用 不用关心底层的存 储介质和文件系统 类型就可以工作的 粘合层。

• 12.1.1 块设备的数据交换方式

– 块设备以块（512B至32KB）为单位进行读写；字符设 备以字节为单位进行读写。

– 块设备有对应的缓冲区，并使用了请求队列对I/O请求 进行管理，块设备支持随机访问；字符设备只能顺序 访问。

• 11.1.2 块设备读写请求

– 对块设备的读写都是通过请求实现的。

– Linux中每一个块设备都有一个I/O请求队列，每个请求 队列都有调度器的插口，调度器可以实现对请求队列 里请求的合理组织，如合并临近请求，调整请求完成 顺序等。

– Linux 2.6内核有4个I/O调度器（Scheduler）：

        ① No-op I/O scheduler：实现了一个简单的FIFO队列；

        ② Anticipatory I/O scheduler：是目前内核中默认的I/O调度器；

        ③ Deadline I/O scheduler：是针对Anticipatory I/O scheduler的 缺点进行改善而来的；

        ④ CFQ I/O schedule：为系统内的所有任务分配相同的带宽， 提供一个公平的工作环境，它比较适合桌面环境。

• 12.2 Linux块设备驱动相关数据结构与函数

• 12.2.1 gendisk结构

– gendisk（通用磁盘）数据结构：struct gendisk。在Linux内核中，gendisk数据结构表示是一个 独立磁盘设备或者一个分区。

– Linux提供了一组函数接口来操作gendisk数据结构：

        ① 分配gendisk

        – structgendisk*alloc_disk(int minors);

         ② 增加（注册）gendisk

        – void add_disk(structgendisk *disk);

        ③ 释放（删除）gendisk

        – void del_gendisk(struct gendisk *gd);

        ④ 引用计数

        – 减少引用计数：get_disk();

        – 增加引用计数：put_disk();

        ⑤ 设置和查看磁盘容量

        – 设置磁盘容量：void set_capacity(structgendisk*disk, sector_tsize);

        – 查看磁盘容量：sector_tget_capacity(structgendisk*disk)

 • 12.2.2 request结构

– 块设备的读写都是通过请求实现的。

– 请求数据结构：struct request

 • 12.2.3 request_queue队列

– 每一个块设备都有一个I/O请求队列。

– 请求队列数据结构：struct  request_queue

– 请求队列数据结构包括：

        ① 请求队列的初始化和清除；

        ② 提取和删除请求；

        ③ 队列的参数设置；

        ④ 内核通告。

 • 12.2.4 bio结构

– bio（block I/O，块I/O）是Linux内核中通用块层的一个 核心数据结构，它描述了块设备的I/O操作，联系了内 存缓冲区与块设备。

– bio是底层对部分块设备的I/O请求描述，其包含驱动程 序执行请求所需的全部信息。

• 12.3 块设备的注册与注销

• 块设备的注册：

        – int register_blkdev(unsigned int major, const char *name);

                • major：主设备号

                • name：设备名

• 块设备的注销

        – int  unregister_blkdev(unsigned int major, const char* name);

                 • major：主设备号

                • name：设备名

• 12.4 块设备初始化与卸载

• 块设备的初始化过程主要完成以下的工作：

        ① 注册块设备及块设备驱动程序；

        ② 分配、初始化、绑定请求队列（如果使用请求队列的话）；

        ③ 分配、初始化gendisk，为相应的成员赋值并添加gendisk；

        ④ 其他初始化工作，如申请缓存区，设置硬件尺寸（不同设备，有不同的处理）。

• 块设备的卸载过程刚好与初始化过程相反：

        ① 删除请求队列；

        ② 撤销gendisk的引用，并删除gendisk；

        ③ 释放缓冲区，撤销对块设备的应用，注销块设备驱动。

• 12.5 块设备操作

• 块设备操作数据结构：struct block_device_operations

– 字符设备文件操作数据结构：struct file_operations

 ① 打开和释放

– int(*open) (struct block_device *, fmode_t);

– int(*release) (struct gendisk *, fmode_t);

② I/O操作

– int(*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);

– int(*locked_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);

– int(*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);

③ 介质改变

– int(*media_changed) (struct gendisk *);

④ 使介质有效

– int(*revalidate_disk) (struct gendisk *);

⑤ 获得驱动器信息

– int(*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);

⑥ 模块指针

– struct module *owner;

• 12.6 请求处理

• 块设备没有read和write操作函数。

• 对块设备的读写是通过请求函数完成的。

• 请求处理分为两种情况：

– （1）使用请求队列

        ① 请求函数

        ② 通告内核

        ③ 屏障请求和不可重试请求

– （2）不使用请求队

• 12.7 MMC卡驱动

• 12.7.1 MMC/SD芯片介绍

– MMC卡（Multi-Media Card，多媒体卡）：1997年由西门子公司和 SanDisk公司共同开发，基于东芝公司的NAND Flash技术。

– SD卡（SecureDigital Memory Card，安全数码卡）：SD卡是由松下电器、 东芝和SanDisk联合推出，1999年8月发布。– SD卡的数据传送和物理规范由MMC卡发展而来，大小和MMC卡 （32mm×24mm×1.4mm）差不多，尺寸为32mmx24mmx2.1mm，长 宽和MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，以容纳更大容量的存贮单 元。

 • MMC卡、SD卡的管脚定义

 • Micro SD卡（TF卡）

– Micro SD Card，原名Trans-flash Card（TF卡），2004年正式更名为 Micro SD Card，由SanDisk（闪迪）公司发明，主要用于移动电话。

 • MMC卡的工作模式：

        ① MMC模式：标准的默认模式。

        ② SPI模式（Serial Peripheral Interface，串行外设接口 ）：用 于只需要小数量的卡（通常是一个）和低数据传输率。

• SD卡的工作模式：

        ① SD模式：9根信号线：CLK、CMD、DAT0-DAT3、Vcc （+5V）、Vss（GND）、Css2（GND）。

        ② SPI模式（Serial Peripheral Interface，串行外设接口 ）：7 根信号线：CS、CLK、MISO（DATAOUT）、MOSI （DATAIN）、 Vcc（+5V）、Vss（GND）、Css2（GND）。

 • 12.7.2 MMC/SD卡驱动结构

– MMC/SD驱动层次：

        ① 块设备驱动层（drivers/mmc/card）：该层实现块设备驱动，为上层提供块 设备的操作功能。

        ② MMC/SD核心层（drivers/mmc/core） ：该层主要完成MMC/SD规范和协议 的实现。

        ③ MMC/SD接口层（drivers/mmc/host） ：该层主要实现Host接口的驱动，并 为上层提供操作接口。

– 块设备驱动层、MMC/SD核心层，与具体的硬件平台无关；MMC/SD接口 层根据不同的硬件和不同的控制器有不同的实现。

• 12.7.3 MMC卡块设备驱动分析

– drivers/mmc/card/block.c

– drivers/mmc/card/queue.c

– 主要完成：

        ① 注册与注销

        ② 设备加载与卸载

        ③ 设备的打开与释放

        ④ MMC驱动的请求处理函数