Linux裝置驅動--塊裝置(一)之概念和框架
塊裝置(blockdevice)
--- 是一種具有一定結構的隨機存取裝置,對這種裝置的讀寫是按塊進行的,他使用緩衝區來存放暫時的資料,待條件成熟後,從快取一次性寫入裝置或者從裝置一次性讀到緩衝區。
字元裝置(Character device)
---是一個順序的資料流裝置,對這種裝置的讀寫是按字元進行的,而且這些字元是連續地形成一個數據流。他不具備緩衝區,所以對這種裝置的讀寫是實時的。
扇區(Sectors):任何塊裝置硬體對資料處理的基本單位。通常,1個扇區的大小為512byte。(對裝置而言)
塊 (Blocks):由Linux制定對核心或檔案系統等資料處理的基本單位。通常,1個塊由1個或多個扇區組成。(對Linux作業系統而言)
段(Segments):由若干個相鄰的塊組成。是Linux記憶體管理機制中一個記憶體頁或者記憶體頁的一部分。
頁、段、塊、扇區之間的關係圖如下:
塊裝置驅動整體框架
塊裝置的應用在Linux中是一個完整的子系統。
在Linux中,驅動對塊裝置的輸入或輸出(I/O)操作,都會向塊裝置發出一個請求,在驅動中用request結構體描述。但對於一些磁碟裝置而言請求的速度很慢,這時候核心就提供一種佇列的機制把這些I/O請求新增到佇列中(即:請求佇列),在驅動中用request_queue結構體描述。在向塊裝置提交這些請求前核心會先執行請求的合併和排序預操作,以提高訪問的效率,然後再由核心中的I/O排程程式子系統
由通用塊層(Generic Block Layer)負責維持一個I/O請求在上層檔案系統與底層物理磁碟之間的關係。在通用塊層中,通常用一個bio結構體來對應一個I/O請求。
Linux提供了一個gendisk資料結構體,用來表示一個獨立的磁碟裝置或分割槽,用於對底層物理磁碟進行訪問。在gendisk中有一個類似字元裝置中file_operations的硬體操作結構指標,是block_device_operations結構體
當多個請求提交給塊裝置時,執行效率依賴於請求的順序。如果所有的請求是同一個方向(如:寫資料),執行效率是最大的。核心在呼叫塊裝置驅動程式例程處理請求之前,先收集I/O請求並將請求排序,然後,將連續扇區操作的多個請求進行合併以提高執行效率(核心演算法會自己做,不用你管),對I/O請求排序的演算法稱為電梯演算法(elevator algorithm)。電梯演算法在I/O排程層完成。核心提供了不同型別的電梯演算法,電梯演算法有
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,降低延遲時間),
4 Cfq(均勻分配I/O頻寬,公平機制)
PS:其實IO排程層(包括請求合併排序演算法)是不需要使用者管的,核心已經做好
相關資料結構
block_device: 描述一個分割槽或整個磁碟對核心的一個塊裝置例項
gendisk: 描述一個通用硬碟(generic hard disk)物件。
hd_struct: 描述分割槽應有的分割槽資訊
bio: 描述塊資料傳送時怎樣完成填充或讀取塊給driver
request: 描述向核心請求一個列表準備做佇列處理。
request_queue: 描述核心申請request資源建立請求連結串列並填寫BIO形成佇列。