转载：谢谢原作者：块设备驱动实战基础篇一 （170行代码构建一个逻辑块设备驱动）
1?? 內核塊設備驅動基礎學習與實戰
1.1 設備驅動IO架構初探
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操作系統是如何將數據讀到緩沖區的，發生了什么？我們帶著這樣的問題，粗略走一下read調用系統過程，希望這個初探，可以喚起大家研究操作系統內核的好奇心和興趣，并以此為例，讓我們先初步對請求在過濾塊設備驅動中的處理過程有個大概印象和了解。
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塊設備在整個Linux中應用的總體結構圖如下：
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從上圖可以看出，塊設備的應用在Linux中是一個完整的子系統。?最上面是虛擬文件系統層，其作用是屏蔽下層具體文件系統操作的差異，為上層的操作提供一個統一的接口。有了這個層次，可以把設備抽象成文件，使得操作設備就像操作文件一樣簡單。在具體的文件系統層中，不同的文件系統（例如 ext2 和 NTFS）具體的操作過程也是不同的，每種文件系統定義了自己的操作集合。引入 cache 層的目的是為了提高 linux 操作系統對磁盤訪問的性能，cache 層在內存中緩存了磁盤上的部分數據，當數據的請求到達時，如果在 cache 中存在該數據且是最新的，則直接將數據傳遞給用戶程序，免除了對底層磁盤的操作，提高了性能。
接下來是通用塊層，其主要工作是：接收上層發出的磁盤請求，并最終發出 IO 請求。該層隱藏了底層硬件塊設備的特性，為塊設備提供了一個通用的抽象視圖。然后下面是IO 調度層，其功能是接收通用塊層發出的 IO 請求，緩存請求并試圖合并相鄰的請求（如果這兩個請求的數據在磁盤上是相鄰的）。根據設置好的調度算法，回調驅動層提供的請求處理函數，來處理具體的 IO 請求。驅動層中的驅動程序對應具體的物理塊設備，它從上層中取出 IO 請求，并根據該 IO 請求中指定的信息，通過向具體塊設備的設備控制器發送命令的方式，來操縱設備傳輸數據。
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大家都寫過read讀文件的數據，你想知道或者探秘read到底是如何把數據讀上來的嗎，操作系統是如何處理的，linux是如何處理的，從現在開始讓我們逐漸養成尋根究底的學習方法，能夠主動思考或者探秘操作系統行為，這樣才能逐漸理解操作系統的工作原理，逐漸理解linux內核的設計藝術和實現原理，也才能夠逐漸往高手的水平上邁進。讓我們分析一下一個讀請求從應用層到內核層的全過程，來分析read系統調用的真正工作原理，也充分理解一下請求是如何走到塊設備驅動層，然后塊設備做了哪些處理把請求最終提交到磁盤完成數據請求的，這樣就為塊設備學習開啟了入門之路。
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關鍵路徑點初探：
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?? 從應用層開始調用glibc庫的read函數，經過glibc庫的處理，最終通過操作系統內核提供的sys_read函數系統調用進入內核。［再回頭看看第一章中的內核系統架構圖，內核klib庫中系統調用是內核一個機制，系統調用中發生了什么事，cpu相關關鍵寄存器做了什么切換，我們現在先提出來，先不具體講解，繼續我們的主線初探過程］
?? 進入內核sys_read函數處理，我們進入了內核IO路徑上的第一個模塊層VFS虛擬文件系統層，首先根據sys_read函數中指定的文件描述符和要訪問的文件數據起始地址，去內存上找一找，是否內存中已經緩存了我們要讀取的文件數據，如果有，直接從內存拷貝一份到我們申請的buffer中即可，在這里我們知道了一個很關鍵的操作系統知識點，應用read函數提供的buffer 與? 內核內存緩存是不一樣的，內核中管理的內存數據需要拷貝給用戶空間的buffer才可以，用戶空間的程序是不能直接訪問和使用內核中的緩存數據的；如果沒有緩存數據，則sys_read會繼續往下走，首先VFS會為我們要讀取的文件數據單獨申請一下內核內存空間，這個內存空間是后續從磁盤真正把數據讀上來時要存放的地方，我們不能直接往用戶空間read函數提供的buffer中存放數據，這是linux內核架構機制決定的，我們先記住這是一個約定，是否感覺內核好麻煩，已經有內存buffer了還要申請內存，這樣的事情后續還有很多，我們通過課程的逐漸加深會一一為大家解答，但是現在先不要過于心急，繼續我們的初探之路；
?? VFS為其分配了緩存后，sys_read便從VFS 層進入到了具體文件系統層的IO代碼處理中，為啥要進入具體文件系統，因為只有文件系統才知道文件數據在磁盤的真正位置，所以既然接下來要從磁盤上獲取數據了，那一定要通過具體文件系統知道文件數據的真實磁盤位置，我們從read函數的接口輸入參數上也可以看出，我們并沒有指定我們從磁盤那個位置進行讀取；
?? 具體文件系統轉換請求地址后，會構造塊設備請求（bio），我們由此接觸到了過濾塊設備驅動第一個最核心的數據結構 －塊設備請求描述數據結構bio，就是block device input/output的縮寫。文件系統會把bio提交給過濾塊設備驅動。
?? 過濾塊設備驅動收到請求后，會繼續轉發給底層真實的硬件磁盤驅動，進而由其進行數據讀取操作。
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整個過程的初探之路結束了，這里面沒有涉及代碼的細節，只是通過初探讓大家先整體上粗略的走一下真實的操作系統內核處理請求的過程，接下來讓我們趕緊開始實戰吧，真正的挑戰要開始了。
1.2 快捷實戰170行代碼邏輯塊設備驅動
經過第一節一個簡單的I/O路徑的數據流動介紹，現在讓我們開始真正的進入邏輯塊設備驅動的學習，因為linux內核中的關鍵模塊和術語太多了，較為抽象，但是理解和掌握后，相信大家一定會感覺事情就是這么簡單，也就會覺得為什么要把它描述的那么復雜和抽象，不就是那么回事嗎，所以我們首先先給I/O 路徑上的各個模塊簡單打個比方，用一個較為形象的例子帶領大家腳踏實地，完成一個簡單過濾塊設備驅動模塊，進而以此為基礎，把操作系統／國內外講解內核的書中經常提到的自旋鎖，信號量，進程，內存分配，工作隊列，實踐在我們的過濾塊設備驅動模塊中，由此我們不僅可以在內核里面開發了，同時我們開發的模塊在內核中是多么的重要，同時通過我們開發的模塊還能快速把一些內核機制／API使用上，一切是那么的自然，這就是我們的目標，我們不希望千篇一律再把龐大的內核翻來覆去的抽象講解，我們就是要腳踏實地，踏踏實實的真正進入內核做開發，通過過濾塊設備驅動的編寫，會為我們成功打開內核學習和實戰的窗口，從而為后續內核分析及修煉之路打下堅實的實戰技能基礎。
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［小知識：塊設備與字符設備］
系統中能夠隨機讀取（不需要按順序）訪問固定大小數據片（chunk）的設備被稱作塊設備，這些數據片就稱作塊。最常見的塊設備是硬盤，除此之外，還有軟盤驅動器、CD-ROM驅動器和閃存等許多其他設備。它們都是以安裝文件系統的方式使用的——這也是塊設備通常的訪問方式。塊設備分為物理塊設備（實際的磁盤）和邏輯塊設備（磁盤分區，LVM等）。塊設備可以用來創建文件系統、加載卸載、存儲數據，也可以用來創建分區。
Linux設備的每個設備都由唯一的一個設備號標識，設備號由主設備號和次設備號組成；主設備號標識設備的類型及對應的驅動程序；次設備號對應具體的設備。Linux系統負責管理全局設備號，設備驅動負責申請設備號（可以通過ll /dev/xxx命令查看設備號；cat/proc/devices可以查看系統中已使用的設備號）。
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與字符設備的區別：
字符設備按照字符流的方式被有序訪問，如串口和鍵盤就都屬于字符設備，如果一個硬件設備是以字符流的方式訪問的話，那就應該將它歸于字符設備，反過來，如果一個設備是隨機（無序的）訪問的，那么它就屬于塊設備。根本區別是它們能否可以被隨機訪問，也就是說，能否在訪問設備時隨意的從一個位置跳轉到另一個位置。塊設備只能以塊為單位接受輸入和返回輸出，而字符設備以字節為單位，只能被順序讀寫。
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我們仍然以一個讀請求的處理過程為例進行，首先大家先看一個例子，最近X公司耗費精力籌寫了一本巨著，書內容非常龐大，該公司以512頁為單位，將這本書分開存放在一個秘密的存儲室里，由于這本書內容太龐大，并且就只有一本，許多讀者想借閱，為了滿足大家的需要，X公司規定大家把每次需要借閱的書的頁碼起始數和頁數準備好，公司會根據讀者的需要找到書后進行復印，把復印件提供給讀者。
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寫到這，大家應該能夠明白X公司相當于文件系統，它知道讀者需要的頁碼對應的內容在存儲室的哪個位置存放，存儲室就相當于我們的磁盤。Ok，我們繼續把這個事情打比喻，請大家繼續耐心。
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X公司為了竭力保護好存儲室，他們把存儲室的位置放置在城市的郊區，同時為了更好的服務讀者，他們在市區租用了一個小型的臨時存儲室，預先存放書籍的部分復印件，主要是考慮到大部分讀者都在市區工作，郊區太遠，不方便，如果臨時存儲室有讀者需要的書籍，則直接復印給讀者，如果沒有則去郊區的存儲室找到文件進行復印。同時為了更加安全的考慮，X公司在市區和郊區之間構建了三個虛擬的存儲室站點A,B,C，樣子看上去象是一個很大的實體存儲室，其實里面空空的，什么都沒有，只是個樣子而已，空間都是虛擬的，之所以這么做，是X公司想更好的保護圖書，以免出現安全問題。這樣市區到郊區的路程就變為，市區－>A站點－>B站點－>C站點－>郊區。同時規定市區的人員只知道書存放在A站點，A站點的人員會知道書其實存放在B站點，B站點的人員其實只知道書存放在C站點，而C站點才真正知道書存放在郊區的地點。
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寫到這，大家又會進一步明白，市區的臨時存儲室相當于VFS緩存層，而A/B/C就是我們要給大家介紹的過濾塊設備驅動模塊，大家可以看到過濾塊設備驅動可以層疊很多，我們現在是三個過濾塊設備疊加。
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?????? 我們繼續再定義幾個概念，讀者在市區借閱，如果市區的臨時存儲室沒有復印件，則X公司會準備一個快遞包，這個快遞包就是個空盒子，里面什么也沒有，但是要注意空盒子雖然是空的，但是不是誰都可以申請到的，空盒子有數量限制，如果申請太多了，讀者就會被告知現在資源比較緊張，請稍等。好了，如果空盒子申請到了，那么是否就可以開始發送了，稍等，我們還要在盒子上做點標記，起碼我們要寫上讀者要讀的書的頁碼和頁數，當然還有最重要的一個標記就是這個空盒子的目的地，即這個盒子要發到A這個站點，A站點收到盒子后，會繼續發給B，此時它要把盒子的目的地標記修改為B, B收到后修改目的地，會繼續發給C, C會繼續發到X公司的郊區站點。
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?????? 好了，以上提到的空盒子就是大名鼎鼎的BIO, 它就是描述一個請求的。當這個請求也就是空盒子被發到郊區站點時，注意此時還有一道關卡，這到關卡準備了一些大箱子，內容頁碼連續的空盒子被放在同樣的大箱子中，關卡會暫時緩存一下這些大箱子，等空盒子差不多積攢的夠多了，然后統一送到最終的存儲室，最后書籍會按照需求復印出來。上面的大箱子就是request, 而關卡就是request_queue請求隊列。
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此時我們再介紹三個概念：gendisk，hd_struct和block_device, 不管是臨時站點A/B/C, 還是郊區的存儲點，都會對應一個gendisk描述結構，該結構描述了臨時站點或者存儲點的門牌號（major,minor號碼），存儲容量大小等信息，雖然A/B/C都是虛擬的站點，但是也被寫上了一個虛擬容量，讓大家看上去象那么回事，感覺就是一個真實的物理磁盤塊設備。然后是hd_struct，大家都知道對磁盤進行分區，一個分區就會用一個hd_struct結構進行描述，記錄分區的大小，起始位置等信息。最后至于block_device結構，這個結構其實也是描述設備信息的，同時它也要描述文件系統相關的部分信息，具體的我們現在先不介紹，我們仍然以數據流動的過程為主，暫時先不跟進具體的細節信息，我們只要明確一件事情，一個gendisk會對應的一個block_device,? 如果gendisk有分區，則每個分區hd_struct也會對應一個block_device。
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至此我們介紹了六個主要的數據結構，下面讓我們繼續描述如何構建塊設備過濾驅動。還是接著借書的例子，A/B/C要建立虛擬倉庫，首先我們要向操作系統申請注冊并申請門牌號，這個申請的接口就是（register_blk_device）, 申請了門牌號，接著需要申請倉庫了，也就是我們的gendisk, 通過alloc_disk完成，接著我們要申請倉庫的關卡－請求隊列，通過alloc_queue完成，當然我們要申明一下，并不是所有的虛擬倉庫都會用到這個關卡即請求隊列，我們舉的例子中是沒有使用的，后面我們會舉例使用關卡的情況，在我們這個例子中，只有郊區的存儲室使用了請求隊列，如下圖，我們再描述一下看看，A/B/C三個虛擬倉庫都有自己的請求隊列，但是都沒有實際使用，這當然可以，操作系統并沒有強制規定，必須使用請求隊列，這是沒問題的。這此我們介紹了三個很重要的虛擬倉庫申請函數，接下來我們讓重點描述一個函數－ make_request, 我們繼續舉例，A/B/C每個臨時倉庫，接收到請求后要進行加工處理，這就是make_request函數，這也是過濾塊設備驅動最核心的地方，那么我們如何把這個函數注冊到倉庫里呢，通過blk_queue_make_request這個函數注冊的，是不是非常簡單。到現在為止，我們已經把過濾塊設備驅動要構建的操作全部描述完了，是的，事情就是那么回事，從此請求會經過每層過濾驅動的make_request函數依次傳遞下去，如何傳遞，我們會繼續介紹，但現在，讓我們先離開一下這個例子，開始分析一下代碼，從代碼上充分體會一下我們如何構建一個最簡單的過濾塊設備驅動。
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首先我們繼續假設一種情況，假設讀者去市區借書，沒有復印件，我們繼續去A那拿，不幸的是，A 壓根兒不理睬我們，直接拒絕了我們，好悲哀啊。接下來，我們就是用170行代碼，把這個過程的程序代碼呈現給大家。
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讓我們再記住這幾個步驟：
1.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????注冊并申請門牌號： register_blkdev
2.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????申請倉庫：alloc_disk
3.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????申請倉庫的關卡：alloc_queue
4.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????注冊倉庫的加工處理函數：blk_queue_make_request
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讓我們看一下內核代碼是如何寫的。首先我們先給出全部的170行代碼，然后我們會從module_init函數開始閱讀理解，把我們上面提到的步驟一步一步驗證一下，下面是全部的代碼。
fbd_driver.h
? 1#ifndef? _FBD_DRIVER_H
? 2#define? _FBD_DRIVER_H
? 3#include <linux/init.h>
? 4#include <linux/module.h>
? 5#include <linux/blkdev.h>
? 6#include <linux/bio.h>
? 7#include <linux/genhd.h>
? 8
? 9#define SECTOR_BITS???????????? (9)
?10#define DEV_NAME_LEN??????????? 32
?11#define DEV_SIZE??????????????? (512UL<< 20)?? /* 512M Bytes */
?12
?13#define DRIVER_NAME????????????"filter driver"
?14
?15#define DEVICE1_NAME???????????"fbd1_dev"
?16#define DEVICE1_MINOR?????????? 0
?17#define DEVICE2_NAME???????????"fbd2_dev"
?18#define DEVICE2_MINOR?????????? 1
?19
?20struct fbd_dev {
?21????????struct request_queue *queue;
?22????????struct gendisk *disk;
?23????????sector_t size;????????? /* devicesize in Bytes */
?24};
?25#endif
?
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fbd_driver.c
? 1/**
?2? *? fbd-driver - filter block device driver
?3? *? Author: Talk@studio
? 4**/
? 5#include "fbd_driver.h"
? 6
? 7static int fbd_driver_major = 0;
? 8
? 9static struct fbd_dev fbd_dev1 = {NULL};
?10static struct fbd_dev fbd_dev2 = {NULL};
?11
?12static int fbddev_open(struct inode *inode, struct file *file);
?13 staticint fbddev_close(struct inode *inode, struct file *file);
?14
?15static struct block_device_operations disk_fops = {
?16????????.open = fbddev_open,
?17????????.release = fbddev_close,
?18????????.owner = THIS_MODULE,
?19};
?20
?21static int fbddev_open(struct inode *inode, struct file *file)
?22 {
?23????????printk("device is opened by:[%s]\n", current->comm);
?24????????return 0;
?25 }
?26
?27static int fbddev_close(struct inode *inode, struct file *file)
?28 {
?29????????printk("device is closed by:[%s]\n", current->comm);
?30????????return 0;
?31 }
?32
?33static int make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio)
?34 {
?35????????struct fbd_dev *dev = (struct fbd_dev *)q->queuedata;
?36????????printk("device [%s] recevied [%s] io request, "
?37???????????????? "access on dev sector[%llu], length is [%u] sectors.\n",
?38???????????????? dev->disk->disk_name,
?39???????????????? bio_data_dir(bio) == READ ?"read" : "write",
?40???????????????? bio->bi_sector,
?41????????????????bio_sectors(bio));
?42
?43????????bio_endio(bio, bio->bi_size, 0);
?44????????return 0;
?45 }
?46
?47static int dev_create(struct fbd_dev *dev, char *dev_name, int major, intmi??? nor)
?48 {
?49????????int ret = 0;
?50
?51????????/* init fbd_dev */
?52????????dev->size = DEV_SIZE;
?53???????? dev->disk = alloc_disk(1);
?54????????if (!dev->disk) {
?55???????????????? printk("alloc diskerror");
?56???????????????? ret = -ENOMEM;
?57???????????????? goto err_out1;
?58????????}
?59
?60????? ???dev->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
?61????????if (!dev->queue) {
?62???????????????? printk("alloc queueerror");
?63???????????????? ret = -ENOMEM;
?64???????????????? goto err_out2;
?65????????}
?66
?67????????/* init queue */
?68????????blk_queue_make_request(dev->queue, make_request);
?69????????dev->queue->queuedata = dev;
?70
?71????????/* init gendisk */
?72????????strncpy(dev->disk->disk_name, dev_name, DEV_NAME_LEN);
?73????????dev->disk->major = major;
?74????????dev->disk->first_minor = minor;
?75????????dev->disk->fops = &disk_fops;
?76????????set_capacity(dev->disk, (dev->size >> SECTOR_BITS));
?77
?78?????????/* bind queue to disk */
?79???????? dev->disk->queue =dev->queue;
?80
?81????????/* add disk to kernel */
?82???????? add_disk(dev->disk);
?83????????return 0;
?84err_out2:
?85????????put_disk(dev->disk);
?86err_out1:
?87????????return ret;
?88 }
?89
?90static void dev_delete(struct fbd_dev *dev, char *name)
?91 {
?92????????printk("delete the device [%s]!\n", name);
?93????????blk_cleanup_queue(dev->queue);
?94????????del_gendisk(dev->disk);
?95????????put_disk(dev->disk);
?96 }
?97
?98static int __init fbd_driver_init(void)
?99 {
100????????int ret;
101
102????????/* register fbd driver, get the driver major number*/
103?????fbd_driver_major =register_blkdev(fbd_driver_major, DRIVER_NAME);
104????????if (fbd_driver_major < 0) {
105???????????????? printk("get majorfail");
106???????????????? ret = -EIO;
107???????????????? goto err_out1;
108 ????????}
109
110????????/* create the first device */
111????????ret = dev_create(&fbd_dev1, DEVICE1_NAME, fbd_driver_major,DEVICE1_MINOR);
112????????if (ret) {
113???????????????? printk("create device[%s] failed!\n", DEVICE1_NAME);
114?????????? ??????goto err_out2;
115????????}
116
117????????/* create the second device */
118????????ret = dev_create(&fbd_dev2, DEVICE2_NAME, fbd_driver_major,DEVICE2_MINOR);
119????????if (ret) {
120???????????????? printk("create device[%s] failed!\n", DEVICE2_NAME);
121???????????????? goto err_out3;
122????????}
123????????return ret;
124 err_out3:
125????????dev_delete(&fbd_dev1, DEVICE1_NAME);
126 err_out2:
127????????unregister_blkdev(fbd_driver_major, DRIVER_NAME);
128 err_out1:
129????????return ret;
130 }
131
132 static void __exitfbd_driver_exit(void)
133 {
134????????/* delete the two devices */
135????????dev_delete(&fbd_dev2, DEVICE2_NAME);
136????????dev_delete(&fbd_dev1, DEVICE1_NAME);
137
138????????/* unregister fbd driver */
139 ????????unregister_blkdev(fbd_driver_major,DRIVER_NAME);
140????????printk("block device driver exit successfuly!\n");
141 }
142
143 module_init(fbd_driver_init);
144 module_exit(fbd_driver_exit);
145 MODULE_LICENSE("GPL");
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?
Makefile
? 1 obj-m := fbd_driver.o
? 2 KDIR := /lib/modules/$(shell uname-r)/build
? 3 PWD := $(shell pwd)
? 4 default:
? 5????????$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
? 6 clean:
? 7????????$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
? 8????????rm -rf Module.markers modules.order Module.symvers
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一共三個文件，fbd_driver.c和fbd_driver.h兩個文件是源碼文件，Makefile文件是我們的編譯規則文件，大家可以回憶下這個Makefile文件是否與我們上冊一開始寫的簡單內核模塊中的Makefile文件非常類似，是的，內核模塊的編譯規則和方法就是這么簡單，我們不需要在這上面的花太多的精力，會讀懂和修改編譯規則即可。有興趣深入研究的同學，我們附了一個專門講解Makefile規則語法的書，大家有選擇性查閱，更多的是掌握好基本的規則和當成工具書方便查閱即可。
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先看一下fbd_driver.h頭文件的內容，首先看1－2行，這個非常有意思，是一個C語言語法中的條件編譯關鍵字，#ifndef _FBD_DRIVER_H 意思就是說如果“_FBD_DRIVER_H”該宏沒有定義，則第2行用#define定義一下這個宏，然后再看第25行“#endif”，#ifndef 與 #endif是一對條件編譯關鍵字語法，作為頭文件中這么用的作用非常強大，它能夠防止我們在.c文件中對頭文件重復包含，避免代碼冗余，大家體會一下這個用法。接下來3－7行共包含了5個頭文件，這5個頭文件是我們這個過濾塊設備驅動實現需要引用的頭文件，它們中有我們需要的一些函數API接口聲明和數據結構的定義，其中一個我們一定不陌生就是module.h，任何一個內核模塊不管它是塊設備驅動，還是其它內核驅動模塊，這個頭文件是一定要包含的。然后bio.h/blkdev.h/genhd.h是內核塊設備驅動必須要包含的三個頭文件，內核的頭文件命名上很有意義，基本上相關的內核API調用會放在相應的頭文件中，這里我們先不具體介紹這三個頭文件，在下一章節我們具體分析塊設備驅動核心數據結構及API接口聲明時再詳細分析，我們繼續往下走。第9行是定義了扇區比特數是9，對于塊設備，扇區是其最小的傳輸和存儲單位，是按扇區來劃分的，默認扇區大小是512字節，這里的9代表512如果換算為二進制需要多少位描述，我們一定很快算出來就是2＾9 = 512，后面我們會經常遇到這樣的二進制轉換描述，在內核中是經常遇到的。第10行，我們定義的宏叫DISK_NAME_LEN，表示我們要寫的過濾塊設備的名字最大是32個字節，第11行定義了我們要創建的過濾塊設備大小是512M，1左移20位是1M，再乘以扇區大小即是512M。
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第13－18行定義我們定義了驅動程序注冊的名字“fbd_driver”，及通過過濾塊設備驅動程序創建的過濾塊設備名字叫“fbd1_dev”和”fbd2_dev”。
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接下來20－24行，我們定義了一個數據結構結構體叫fbd_dev，這個結構體里面有三個成員，首先是一個queue指針成員，然后是disk指針，最后是設備大小，這個結構體用于描述我們創建的過濾塊設備，從我們前面列舉的圖書館的例子，大家應該可以對上號了，
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好了準備工作一切就緒，我們開始分析源碼文件fbd_driver.c，由于內核驅動模塊的特殊性，我們向系統加載一個模塊時linux內核一定會首先調用module_init所約定的函數，注意看143行代碼，module_init是內核的一個API, 我們所寫的驅動模塊一定要寫143／144這樣兩行代碼，告訴內核我們的模塊加載時會執行module_init的約定函數，模塊卸載時會執行module_exit的約定函數，好的，先記住這個。然后對于我們的過濾塊設備驅動來說，我們要如何設計module--_init約定的初始化函數呢，接下來我們介紹104行代碼中的這個 fbd_driver--_init函數。至于module_init的具體實現原理我們希望大家現在暫時先沉住氣，不要去分析，有時候先放一放，把精力用在最主要的事情上是非常好的一個方法。現在先來看這個加載模塊時就會被執行的函數fbd_driver_init函數。我們再把代碼貼一下：
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?95static int __init fbd_driver_init(void)
?96 {
?97????????int ret;
?98
?99????????/* register fbd driver, get the driver major number*/
100???????? ??fbd_driver_major =register_blkdev(fbd_driver_major, DRIVER_NAME);
101????????if (fbd_driver_major < 0) {
102???????????????? printk("get majorfail");
103???????????????? ret = -EIO;
104???????????????? goto err_out1;
105????????}
106
107????????/* create the first device */
108????????ret = dev_create(&fbd_dev1, DEVICE1_NAME, fbd_driver_major,DEVICE1_??? MINOR);
109????????if (ret) {
110???????????????? printk("create device[%s] failed!\n", DEVICE1_NAME);
111???????????????? goto err_out2;
112????????}
113
114????????/* create the second device */
115????????ret = dev_create(&fbd_dev2, DEVICE2_NAME, fbd_driver_major,DEVICE2_??? MINOR);
116????????if (ret) {
117???????????????? printk("create device[%s] failed!\n", DEVICE2_NAME);
118????????????????goto err_out3;
119????????}
120
121????????return ret;
122
123 err_out3:
124????????dev_delete(&fbd_dev1, DEVICE1_NAME);
125 err_out2:
126????????unregister_blkdev(fbd_driver_major, DRIVER_NAME);
127 err_out1:
128????????return ret;
129 }
?
首先函數是一個static函數，這個是C語言的一個基本語法，表示該函數只能在當前的文件中被調用，static后面是int 表示該函數返回值是整型，然后是__init， 這個需要大家注意一下，這是gcc的一個語法，gcc是編譯器，這個__init就是告訴gcc在編譯后，在代碼運行時把這個函數的代碼放在特殊的內存區域，函數執行完畢，這部分內存就會被linux內核回收，因為這個函數是模塊加載時就只會調用一次的函數，后面不會再有人用這個函數了，所以執行完，就可以釋放出占用的內存。
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說到這希望大家還沒有忘記我們開頭提的4個步驟，我們再啰嗦一下塊設備驅動程序需要做4件非常重要的準備工作：
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1.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????注冊并申請門牌號： register_blk_device
2.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????申請倉庫：alloc_disk
3.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????申請倉庫的關卡：alloc_queue
4.????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????注冊倉庫的加工處理函數：blk_queue_make_request
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我們稍等一下，再介紹一下一個我們自己定義數據結構，也就是我們的倉庫的一個描述性結構，這個結構只有我們自己寫這個過濾塊設備驅動的作者知道，這個結構對于linux內核是不可見的，我們內部使用而已，如下：
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fbd_driver.h
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?20struct fbd_dev {
?21????????struct request_queue *queue;
?22????????struct gendisk *disk;
?23????????sector_t size;????????? /* devicesize in Bytes */
?24};
?
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好了，準備工作一切就緒，然后揭開塊設備過濾驅動的面紗，開始分析fbd_driver_init函數吧，大家從此刻開始要打起二十分的精力，這是構建塊設備驅動最核心的部分。
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fbd_driver_init這個函數首先調用register_blk_device函數，獲取到了塊設備驅動程序的主設備號，register_blkdev終于浮出水面了，還記得那4個步驟不？第一步注冊并申請門牌號，對就是它，我們要向系統申請和注冊，第一個參數就是一個初始化的major號，第二參數是我們塊設備驅動的名字，這里我們第一參數是0, 此時系統會去它自己管理的登記情況表上看看是否有不用的號碼可以我們，如果有就會我們一個，這就是regiser_blkdev的返回值，那這個第一個參數一定要是0嗎？不需要的，如果你選好自己的幸運數字了比如8,你可以把8傳入這個函數，但是要小心了，系統里面如果有那位仁兄已經申請過這個8了，很不幸，就會申請失敗。然后調用兩次dev_create函數創建了兩個塊設備，fbd_driver-_init函數比較簡單，通過register_blk_device申請到門牌號（主設備號）后，我們直接跟進到dev_create函數中分析，代碼如下：
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?47static int dev_create(struct fbd_dev *dev, char *dev_name, int major, intmi??? nor)
?48 {
?49????????int ret = 0;
?50
?51????????/* init fbd_dev */
?52????????dev->size = DEV_SIZE;
?53???????? dev->disk = alloc_disk(1);
?54????????if (!dev->disk) {
?55???????????????? printk("alloc diskerror");
?56???????????????? ret = -ENOMEM;
?57???????????????? goto err_out1;
?58????????}
?59
?60????????dev->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
?61????????if (!dev->queue) {
?62???????????????? printk("alloc queueerror");
?63???????????????? ret = -ENOMEM;
?64?????????????? ??goto err_out2;
?65????????}
?66
?67????????/* init queue */
?68????????blk_queue_make_request(dev->queue, make_request);
?69????????dev->queue->queuedata = dev;
?70
?71????????/* init gendisk */
?72????????strncpy(dev->disk->disk_name, dev_name, DEV_NAME_LEN);
?73????????dev->disk->major = major;
?74????????dev->disk->first_minor = minor;
?75????????dev->disk->fops = &disk_fops;
?76????????set_capacity(dev->disk, (dev->size >> SECTOR_BITS));
?77
?78?????????/* bind queue to disk */
?79????? ???dev->disk->queue = dev->queue;
?80
?81????????/* add disk to kernel */
?82????????add_disk(dev->disk);
?83????????return 0;
?84err_out2:
?85????????put_disk(dev->disk);
?86err_out1:
?87????????return ret;
?88 }
?
?
首先第49行，我們定義了一個整型變量，用于記錄塊設備驅動初始化過程中的返回值，再看53行到57行，接下來申請我們的倉庫gendisk，我們看到是通過調用alloc_disk這個函數，我們得到了gendisk結構，我們依然不去細說gendisk中的具體字段，在第二節詳細分析。
?
申請完倉庫，我們要建立關卡了，只有經過關卡，才能進入倉庫，是的，這就是入庫前的規則，當前關卡申請了，可以用也可以不用。我們的過濾塊設備驅動就是這樣，申請了，但是沒用，但是注意一定要申請的。
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接著我們看60行－65行，我們看到了申請關卡的函數blk_alloc_queue函數，這樣我們就有申請到了一個數據結構。三個步驟我們已經走完了三個，我們都沒有介紹數據結構里面的具體成員，接下來我們繼續做第四個步驟，注冊我們的倉庫加工函數－ 請求處理函數make_request。
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我們看68行代碼，我們再次貼一下：
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?67???????? /* init queue */
?68????????blk_queue_make_request(dev->queue, make_request);
?69????????dev->queue->queuedata = dev;
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調用的函數是blk_queue_make_request, 第一參數是我們剛剛申請到的請求隊列，第二個參數就是我們自己寫好的make_request函數名，這個函數我們待會分析它。然后注意69行，我們做了一個賦值操作，把我們的設備描述結構綁定給了request_queue的一個成員變量queuedata。
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接下來，我們要對我們申請的倉庫裝飾一下，代碼同樣再貼一下：
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?71???????? /* init gendisk */
?72????????strncpy(dev->disk->disk_name, dev_name, DEV_NAME_LEN);
?73????????dev->disk->major = major;
?74????????dev->disk->first_minor = minor;
?75????????dev->disk->fops = &disk_fops;
?76????????set_capacity(dev->disk, (dev->size >> SECTOR_BITS));
?77
?78????????? /* bind queue to disk */
?79????? ???dev->disk->queue = dev->queue;
?80
?
72行代碼是給gendisk的disk_name成員賦值，就是給我們的倉庫取名字。73行代碼就是把我們申請到的門牌號賦值給disk的成員major，74行我們賦值了一個次設備號，75行我們為gendisk的文件操作函數賦值了一個函數指針集結構體，這個我們在稍后分析，最后76行我們設置了設備的容量大小為512M。
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79行代碼就是把我們申請的queue地址保存在disk中，這樣倉庫和關卡就綁定在一起了，同時我們也知道了disk中有個成員叫queue, 是個指針，對吧，我們沒有放棄詳細說明數據結構中的成員，只不過在我們遇到的時候我們一定會予以介紹，然后在第二節詳細總結分析。
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好了我們已經申請注冊了門牌號，申請了倉庫，申請了關卡，給倉庫安裝了加工函數，對我們的倉庫進行了裝飾，就可以了嗎？還差最后一個關鍵步驟，非常的重要，就是告訴內核我們的倉庫需要審核一下，如果通過，那恭喜你，你的倉庫建好了，那這個步驟就是82行代碼：
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?81????????/* add disk to kernel */
?82????????add_disk(dev->disk);
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好了我們終于建好自己的倉庫了，稍等，我們還有一個沒有分析，就是我們倉庫的加工函數make_request，讓我們趕緊看看前面圖書館例子中的請求處理函數的功能是什么，我們說過我們的過濾塊設備驅動在接受到請求后不做任何處理，直接結束請求，我們看看到底是如何實現的。
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?33static int make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio)
?34 {
?35????????struct fbd_dev *dev = (struct fbd_dev *)q->queuedata;
?36????????printk("device [%s] recevied [%s] io request, "
?37???????????????? "access on dev sector[%llu], length is [%u] sectors.\n",
?38???????????????? dev->disk->disk_name,
?39???????????????? bio_data_dir(bio) == READ ?"read" : "write",
?40???????????????? bio->bi_sector,
?41???????????????? bio_sectors(bio));
?42
?43????????bio_endio(bio, bio->bi_size, 0);
?44????????return 0;
?45 }
這個函數輸入參數就是我們的關卡請求隊列，第二個參數就是上層準備好的盒子bio請求描述結構指針，我們的函數就調了個bio_endio就完事了，是的，這個函數就是用于結束一個請求bio的，這樣我們就知道了為什么請求到我們的倉庫，就會結束，是因為我們的加工函數就是通過調用bio_endio做到的。
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至此我們終于完成了一個最簡單的過濾塊設備驅動的開發，趕緊試試吧，在自己的虛擬上，執行make，得到fbd_driver.ko后，加載你的驅動insmod fbd_driver.ko，在/dev/下面是否可以看到我們的過濾設備/dev/fbd1_dev和/dev/fbd2_dev，對其進行dd操作然后看dmesg信息，從dmesg命令顯示的信息中我們會看到如下信息，比如執行：
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[root@localhost fbd_driver_stage1]# ddif=/dev/zero of=/dev/fbd1_dev bs=1M oflag=direct count=1
1+0 records in
1+0 records out
1048576 bytes(1.0 MB) copied, 0.038983 seconds, 26.9 MB/s
[root@localhost fbd_driver_stage1]# dmesg
device is openedby:[dd]
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [0], length is[248] sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [248], length is[248] sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [496], length is[248] sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [744], length is[248] sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [992], length is[248] sectors.
device [fbd1_dev]recevied [write] io request, access on dev sector [1240], length is [248]sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [1488], length is[248] sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [1736], length is[248] sectors.
device[fbd1_dev] recevied [write] io request, access on dev sector [1984], length is[64] sectors.
device is closedby:[dd]
[root@localhostfbd_driver_stage1]#
75行我們為gendisk的文件操作函數賦值了一個函數指針集結構體，我們繼續通過分析dmesg的信息完成這個解讀，我們做dd寫了一個1M的數據，看到了
“device is openedby:[dd]” 和 “device is closed by:[dd]” 這兩行信息，這就是下面fbddev_open和fbddev_close函數打出的，這樣我們應該能夠理解了，這兩個函數指針就是我們創建的塊設備被打開時和關閉時會調用到，我們都寫過這樣的簡單程序open/read/close，對吧，只不過我們跑的dd命令包含了這三個函數調用。
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?
?15static struct block_device_operations disk_fops = {
?16????????.open = fbddev_open,
?17????????.release = fbddev_close,
?18????????.owner = THIS_MODULE,
?19};
?20
?21static int fbddev_open(struct inode *inode, struct file *file)
?22 {
?23????????printk("device is opened by:[%s]\n", current->comm);
?24????????return 0;
?25 }
?26
?27static int fbddev_close(struct inode *inode, struct file *file)
?28 {
?29????????printk("device is closed by:[%s]\n", current->comm);
?30????????return 0;
?31 }
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這就是我們這個最簡單的過濾塊設備驅動，由于在make_request函數中我們直接調用bio_endio，這個函數的作用是直接返回收到的請求，不做任何處理，這樣我們寫入的1M數據實際并沒有處理，而是直接返回了。在第三節我們會繼續完善這個170行代碼的驅動，讓我們的驅動能夠真正的過濾請求，而不是直接退出請求處理。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的转载：谢谢原作者：块设备驱动实战基础篇一 （170行代码构建一个逻辑块设备驱动）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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