Linux 块设备开发学习

Linux 块设备是指可以以固定大小的块（通常为 512 字节或 4KB）进行读写的存储设备。块设备通常用于实现文件系统和管理数据的存储与访问。以下是块设备的一些主要特点和组成部分：

1. 主要特点

• 随机访问：块设备支持随机读写，可以直接访问任意位置的数据。
• 块大小：数据以块为单位进行传输，块的大小通常为 512 字节或 4KB。
• 设备类型：常见的块设备包括硬盘、固态硬盘（SSD）、USB 驱动器等。

2. 组成部分

• 块设备驱动：负责管理块设备的读取、写入和控制等操作。驱动程序通过系统调用与内核进行交互。
• 设备节点：在 /dev 目录下的特殊文件，用户空间程序通过这个节点与块设备进行交互。
• 请求队列：块设备驱动使用请求队列来管理 I/O 请求，确保高效的读写操作。

3. 块设备的工作原理

• I/O 调度：内核将读写请求排入请求队列，使用 I/O 调度算法（如 CFQ、Deadline 等）优化请求顺序，提高性能。
• 数据传输：通过 DMA（直接内存访问）技术，块设备可以直接与内存进行数据传输，减轻 CPU 负担。

4. 常用操作

• 读操作：从块设备读取指定块的数据到内存。
• 写操作：将内存中的数据写入块设备的指定块。
• 分区管理：使用工具（如 fdisk）对块设备进行分区，以便创建多个文件系统。

5. 文件系统

块设备通常用来创建文件系统，如 ext4、NTFS、FAT 等，文件系统提供了文件的组织、存储和访问方式。

6. 设备树

在某些平台上，块设备的信息可以通过设备树（Device Tree）来描述，以便在启动时告知内核如何初始化设备。

块设备开发中使用到API介绍：

1. 设备注册与注销

• register_blkdev

  • 用途：注册一个块设备主设备号。
  • 使用：

    int major;
    major = register_blkdev(0, "myblock");  // 0 表示动态分配设备号
    if (major < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to register block device\n");
    }
    

• unregister_blkdev

  • 用途：注销已经注册的块设备主设备号。
  • 使用：

    unregister_blkdev(major, "myblock");
    

2. 分配和管理块设备结构

• alloc_disk

  • 用途：分配 gendisk 结构体。
  • 使用：

    struct gendisk *gd;
    gd = alloc_disk(16);  // 分配 16 个从设备号
    if (!gd) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate gendisk\n");
    }
    

• set_capacity

  • 用途：设置设备容量（单位为扇区）。
  • 使用：

    set_capacity(gd, DEVICE_SIZE / SECTOR_SIZE);  // DEVICE_SIZE 是总字节数
    

• add_disk

  • 用途：将 gendisk 结构体添加到系统中。
  • 使用：

    add_disk(gd);
    

• del_gendisk

  • 用途：从系统中删除 gendisk 结构体。
  • 使用：

    del_gendisk(gd);
    

3. 设备操作结构

• block_device_operations
  • 用途：包含与块设备相关的操作函数指针。
  • 使用：

    static struct block_device_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = my_open,.release = my_release,.read = my_read,.write = my_write,
    };
    

4. 读写操作

• submit_bio
  • 用途：提交一个块 IO 请求。
  • 使用：

    struct bio *bio;
    bio = bio_alloc(GFP_KERNEL, 1);  // 分配一个 bio
    bio_set_dev(bio, bdget(dev));     // 设置设备
    bio_add_page(bio, page, size, offset); // 添加数据页
    submit_bio(READ, bio);            // 提交读请求
    

5. 内存管理

• kmalloc 和 kfree
  • 用途：动态分配和释放内存。
  • 使用：

    device_buffer = kmalloc(DEVICE_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (!device_buffer) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate memory\n");
    }kfree(device_buffer);  // 释放内存
    

6. 设备节点管理

• mknod
  • 用途：在 /dev 目录下创建设备节点，通常在用户空间执行。
  • 使用：

    sudo mknod /dev/myblock b <major> 0  # <major> 是主设备号
    ``

块设备开发流程

1. 环境准备：

   • 确保你的 Linux 系统上安装了开发工具，例如 gcc、make、kernel headers 和 build-essential。

2. 创建块设备驱动文件：

   • 创建一个新的 C 文件，例如 myblock.c，用于实现块设备驱动。

3. 编写 Makefile：

   • 创建一个 Makefile 以便编译驱动程序。

4. 实现驱动功能：

   • 编写驱动的主要功能，如打开、关闭、读写等。

5. 编译驱动：

   • 使用 make 命令编译驱动，生成模块文件（.ko）。

6. 加载模块：

   • 使用 insmod 命令加载块设备驱动模块。

7. 创建设备节点：

   • 使用 mknod 命令在 /dev 目录下创建设备文件。

8. 测试驱动：

   • 使用工具（如 dd、fdisk、mount）进行读写测试。

9. 卸载模块：

   • 使用 rmmod 卸载驱动。

示例代码

以下是一个简单的块设备驱动示例，包含基本的功能：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/bio.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/slab.h>#define DEVICE_NAME "myblock"
#define SECTOR_SIZE 512
#define DEVICE_SIZE (SECTOR_SIZE * 1024) // 512KBstatic int major;
static char *device_buffer;static int my_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode) {return 0;
}static void my_release(struct gendisk *gd, fmode_t mode) {
}static int my_read(struct block_device *bdev, sector_t sector, unsigned long nsectors, char *buffer) {memcpy(buffer, device_buffer + sector * SECTOR_SIZE, nsectors * SECTOR_SIZE);return nsectors;
}static int my_write(struct block_device *bdev, sector_t sector, unsigned long nsectors, const char *buffer) {memcpy(device_buffer + sector * SECTOR_SIZE, buffer, nsectors * SECTOR_SIZE);return nsectors;
}static struct block_device_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = my_open,.release = my_release,
};static int __init mymodule_init(void) {major = register_blkdev(0, DEVICE_NAME);if (major < 0) return major;device_buffer = kmalloc(DEVICE_SIZE, GFP_KERNEL);if (!device_buffer) {unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME);return -ENOMEM;}memset(device_buffer, 0, DEVICE_SIZE);struct gendisk *gd = alloc_disk(16);if (!gd) {kfree(device_buffer);unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME);return -ENOMEM;}gd->major = major;gd->first_minor = 0;gd->fops = &my_fops;sprintf(gd->disk_name, DEVICE_NAME);set_capacity(gd, DEVICE_SIZE / SECTOR_SIZE);add_disk(gd);return 0;
}static void __exit mymodule_exit(void) {del_gendisk(gd);unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME);kfree(device_buffer);
}module_init(mymodule_init);
module_exit(mymodule_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile 示例

obj-m += myblock.oall:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modulesclean:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

测试步骤

1. 编译驱动：

   make
   

2. 加载模块：

   sudo insmod myblock.ko
   

3. 创建设备节点：

   sudo mknod /dev/myblock b <major> 0  # <major> 是驱动的主设备号
   

4. 测试读写：

   echo "Hello, World!" | sudo dd of=/dev/myblock bs=512 count=1
   sudo dd if=/dev/myblock of=testfile bs=512 count=1
   

5. 卸载模块：

   sudo rmmod myblock
   

下面是一个简单的测试应用程序，用于测试 Linux 块设备驱动的读写功能，以及预期的输出结果。

测试应用程序

创建一个名为 test_myblock.c 的文件，包含以下代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>#define DEVICE "/dev/myblock"
#define BUFFER_SIZE 512int main() {int fd;char write_buffer[BUFFER_SIZE] = "Hello, Linux Block Device!";char read_buffer[BUFFER_SIZE];// 打开设备文件fd = open(DEVICE, O_RDWR);if (fd < 0) {perror("Failed to open device");return -1;}// 写入数据if (write(fd, write_buffer, BUFFER_SIZE) < 0) {perror("Failed to write to device");close(fd);return -1;}// 读取数据lseek(fd, 0, SEEK_SET);  // 重置文件指针if (read(fd, read_buffer, BUFFER_SIZE) < 0) {perror("Failed to read from device");close(fd);return -1;}// 输出读取的数据printf("Read from device: %s\n", read_buffer);// 关闭设备close(fd);return 0;
}

编译测试应用程序

在终端中运行以下命令编译测试程序：

gcc test_myblock.c -o test_myblock

测试步骤

1. 编译并加载块设备驱动：
   确保块设备驱动已经编译并加载到内核中。

2. 创建设备节点：

   sudo mknod /dev/myblock b <major> 0  # <major> 是块设备的主设备号
   

3. 编译测试应用程序：

   gcc test_myblock.c -o test_myblock
   

4. 运行测试程序：

   sudo ./test_myblock
   

预期输出结果

如果块设备驱动正常工作，测试程序将输出：

Read from device: Hello, Linux Block Device!
以下是关于 Linux 块设备开发的总结：

块设备开发总结

块设备开发是一个复杂但重要的任务，涉及到系统的存储管理。掌握相关知识和技术，可以有效地实现和优化块设备驱动，提高系统的性能和稳定性。