16.1. 注册

16.1. 注册

块驱动, 象字符驱动, 必须使用一套注册接口来使内核可使用它们的设备. 概念是类似的, 但是块设备注册的细节是都不同的. 你有一整套新的数据结构和设备操作要学习.

16.1.1. 块驱动注册

大部分块驱动采取的第一步是注册它们自己到内核. 这个任务的函数是 register_blkdev(在 <linux/fs.h> 中定义):

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

参数是你的设备要使用的主编号和关联的名子(内核将显示它在 /proc/devices). 如果 major 传递为0, 内核分配一个新的主编号并且返回它给调用者. 如常, 自 register_blkdev 的一个负的返回值指示已发生了一个错误.

取消注册的对应函数是:

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

这里, 参数必须匹配传递给 register_blkdev 的那些, 否则这个函数返回 -EINVAL 并且什么都不注销.

在2.6内核, 对 register_blkdev 的调用完全是可选的. 由 register_blkdev 所进行的功能已随时间正在减少; 这个调用唯一的任务是 (1) 如果需要, 分配一个动态主编号, 并且 (2) 在 /proc/devices 创建一个入口. 在将来的内核, register_blkdev 可能被一起去掉. 同时, 但是, 大部分驱动仍然调用它; 它是惯例.

16.1.2. 磁盘注册

虽然 register_blkdev 可用来获得一个主编号, 它不使任何磁盘驱动器对系统可用. 有一个分开的注册接口你必须使用来管理单独的驱动器. 使用这个接口要求熟悉一对新结构, 这就是我们的起点.

16.1.2.1. 块设备操作

字符设备通过 file_ 操作结构使它们的操作对系统可用. 一个类似的结构用在块设备上; 它是 struct block_device_operations, 定义在 <linux/fs.h>. 下面是一个对这个结构中的成员的简短的概览; 当我们进入 sbull 驱动的细节时详细重新访问它们.

int (open)(struct inode inode, struct file filp);int (release)(struct inode inode, struct file filp);
就像它们的字符驱动对等体一样工作的函数; 无论何时设备被打开和关闭都调用它们. 一个字符驱动可能通过启动设备或者锁住门(为可移出的介质)来响应一个 open 调用. 如果你将介质锁入设备, 你当然应当在 release 方法中解锁.

int (ioctl)(struct inode inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
实现 ioctl 系统调用的方法. 但是, 块层首先解释大量的标准请求; 因此大部分的块驱动 ioctl 方法相当短.

int (media_changed) (struct gendisk gd);
被内核调用来检查是否用户已经改变了驱动器中的介质的方法, 如果是这样返回一个非零值. 显然, 这个方法仅适用于支持可移出的介质的驱动器(并且最好给驱动一个"介质被改变"标志); 在其他情况下可被忽略.

struct gendisk 参数是内核任何表示单个磁盘; 我们将在下一节查看这个结构.

int (revalidate_disk) (struct gendisk gd);
revalidate_disk 方法被调用来响应一个介质改变; 它给驱动一个机会来进行需要的任何工作使新介质准备好使用. 这个函数返回一个 int 值, 但是值被内核忽略.

struct module *owner;
一个指向拥有这个结构的模块的指针; 它应当常常被初始化为 THIS_MODULE.

专心的读者可能已注意到这个列表一个有趣的省略: 没有实际读或写数据的函数. 在块 I/O 子系统, 这些操作由请求函数处理, 它们应当有它们自己的一节并且在本章后面讨论. 在我们谈论服务请求之前, 我们必须完成对磁盘注册的讨论.

16.1.2.2. gendisk 结构

struct gendisk (定义于 <linux/genhd.h>) 是单独一个磁盘驱动器的内核表示. 事实上, 内核还使用 gendisk 来表示分区, 但是驱动作者不必知道这点. struct gedisk 中有几个成员, 必须被一个块驱动初始化:

int major;int first_minor;int minors;
描述被磁盘使用的设备号的成员. 至少, 一个驱动器必须使用最少一个次编号. 如果你的驱动会是可分区的, 但是(并且大部分应当是), 你要分配一个次编号给每个可能的分区. 次编号的一个普通的值是 16, 它允许"全磁盘"设备盒 15 个分区. 一些磁盘驱动使用 64 个次编号给每个设备.

char disk_name[32];
应当被设置为磁盘驱动器名子的成员. 它出现在 /proc/partitions 和 sysfs.

struct block_device_operations *fops;
来自前一节的设备操作集合.

struct request_queue *queue;
被内核用来管理这个设备的 I/O 请求的结构; 我们在"请求处理"一节中检查它.

int flags;
一套标志(很少使用), 描述驱动器的状态. 如果你的设备有可移出的介质, 你应当设置 GENHD_FL_REMOVABLE. CD-ROM 驱动器可设置 GENHD_FL_CD. 如果, 由于某些原因, 你不需要分区信息出现在 /proc/partitions, 设置 GENHD_FL_SUPPRESS_PARTITIONS_INFO.

sector_t capacity;
这个驱动器的容量, 以512-字节扇区来计. sector_t 类型可以是 64 位宽. 驱动不应当直接设置这个成员; 相反, 传递扇区数目给 set_capacity.

void *private_data;
块驱动可使用这个成员作为一个指向它们自己内部数据的指针.

内核提供了一小部分函数来使用 gendisk 结构. 我们在这里介绍它们, 接着看 sbull 如何使用它们来使系统可使用它的磁盘驱动器.

struct gendisk 是一个动态分配的结构, 它需要特别的内核操作来初始化; 驱动不能自己分配这个结构. 相反, 你必须调用:

struct gendisk *alloc_disk(int minors); 

minors 参数应当是这个磁盘使用的次编号数目; 注意你不能在之后改变 minors 成员并且期望事情可以正确工作. 当不再需要一个磁盘时, 它应当被释放, 使用:

void del_gendisk(struct gendisk *gd);

一个 gendisk 是一个被引用计数的结构(它含有一个 kobject). 有 get_disk 和 put_disk 函数用来操作引用计数, 但是驱动应当从不需要做这个. 正常地, 对 del_gendisk 的调用去掉了最一个 gendisk 的最终的引用, 但是不保证这样. 因此, 这个结构可能继续存在(并且你的方法可能被调用)在调用 del_gendisk 之后. 但是, 如果你删除这个结构当没有用户时(即, 在最后的释放之后, 或者在你的模块清理函数), 你可确信你不会再收到它的信息.

分配一个 gendisk 结构不能使系统可使用这个磁盘. 要做到这点, 你必须初始化这个结构并且调用 add_disk:

void add_disk(struct gendisk *gd); 

这里记住一件重要的事情:一旦你调用add_disk, 这个磁盘是"活的"并且它的方法可被在任何时间被调用. 实际上, 这样的第一个调用将可能发生, 即便在 add_disk 返回之前; 内核将读前几个字节以试图找到一个分区表. 因此你不应当调用 add_disk 直到你的驱动被完全初始化并且准备好响应对那个磁盘的请求.

16.1.3. 在 sbull 中的初始化

是时间进入一些例子了. sbull 驱动(从 O'Reilly 的 FTP 网站, 以及其他例子源码)实现一套内存中的虚拟磁盘驱动器. 对每个驱动器, sbull 分配(使用 vmalloc, 为了简单)一个内存数组; 它接着使这个数组可通过块操作来使用. 这个 sbull 驱动可通过分区这个驱动器, 在上面建立文件系统, 以及加载到系统层级中来测试.

象我们其他的例子驱动一样, sbull 允许一个主编号在编译或者模块加载时被指定. 如果没有指定, 动态分配一个. 因为对 register_blkdev 的调用被用来动态分配, sbull 应当这样做:

sbull_major = register_blkdev(sbull_major, "sbull");
if (sbull_major <= 0)
{
        printk(KERN_WARNING "sbull: unable to get major number\n");
        return -EBUSY;
}

同样, 象我们在本书已展现的其他虚拟设备, sbull 设备由一个内部结构描述:

struct sbull_dev {
 int size;  /* Device size in sectors */ 
 u8 *data;  /* The data array */ 
 short users;  /* How many users */ 
 short media_change;  /* Flag a media change? */ 
 spinlock_t lock;  /* For mutual exclusion */ 
 struct request_queue *queue;  /* The device request queue */ 
 struct gendisk *gd;  /* The gendisk structure */ 
 struct timer_list timer;  /* For simulated media changes */  
};  

需要几个步骤来初始化这个结构, 并且使系统可用关联的设备. 我们从基本的初始化开始, 并且分配底层的内存:

memset (dev, 0, sizeof (struct sbull_dev));
dev->size = nsectors*hardsect_size;
dev->data = vmalloc(dev->size);
if (dev->data == NULL)
{
        printk (KERN_NOTICE "vmalloc failure.\n");
        return;
}
spin_lock_init(&dev->lock);

重要的是在下一步之前分配和初始化一个自旋锁, 下一步是分配请求队列. 我们在进入请求处理时详细看这个过程; 现在, 只需说必要的调用是:

dev->queue = blk_init_queue(sbull_request, &dev->lock); 

这里, sbull_request 是我们的请求函数 -- 实际进行块读和写请求的函数. 当我们分配一个请求队列时, 我们必须提供一个自旋锁来控制对那个队列的存取. 这个锁由驱动提供而不是内核通常的部分, 因为, 常常, 请求队列和其他的驱动数据结构在相同的临界区; 它们可能被同时存取. 如同任何分配内存的函数, blk_init_queue 可能失败, 因此你必须在继续之前检查返回值.

一旦我们有我们的设备内存和请求队列, 我们可分配, 初始化, 并且安装对应的 gendisk 结构. 做这个工作的代码是:

dev->gd = alloc_disk(SBULL_MINORS);
if (! dev->gd)
{
        printk (KERN_NOTICE "alloc_disk failure\n");
        goto out_vfree;
}
dev->gd->major = sbull_major;
dev->gd->first_minor = which*SBULL_MINORS;
dev->gd->fops = &sbull_ops;
dev->gd->queue = dev->queue;
dev->gd->private_data = dev;
snprintf (dev->gd->disk_name, 32, "sbull%c", which + 'a');
set_capacity(dev->gd, nsectors*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE));
add_disk(dev->gd);

这里, SBULL_MINORS 是每个 sbull 设备所支持的次编号的数目. 当我们设置第一个次编号给每个设备, 我们必须考虑被之前的设备所用的全部编号. 磁盘的名子被设置, 这样第一个是 sbulla, 第二个是 sbullb, 等等. 用户空间可接着添加分区号以便它们在第 2 个设备上的分区可能是 /dev/sbull3.

一旦所有的都被设置, 我们以对 add_disk 的调用来结束. 我们的几个方法将在 add_disk 返回时被调用, 因此我们负责做这个调用, 这是初始化我们的设备的最后一步.

16.1.4. 注意扇区大小

如同我们之前提到的, 内核对待每个磁盘如同一个 512-字节扇区的数组. 不是所有的硬件都使用那个扇区大小, 但是. 使一个有不同扇区大小的设备工作不是一件很难的事; 只要小心处理几个细节. sbull 设备输出一个 hardsect_size 参数, 可被用来改变设备的"硬件"扇区大小. 通过看它的实现, 你可见到如何添加这个支持到你自己的驱动.

这些细节中的第一个是通知内核你的设备支持的扇区大小. 硬件扇区大小是一个在请求队列的参数, 而不是在 gendisk 结构. 这个大小通过调用 blk_queue_hardsect_size 设置的, 在分配队列后马上进行:

blk_queue_hardsect_size(dev->queue, hardsect_size); 

一旦完成那个, 内核坚持你的设备的硬件扇区大小. 所有的 I/O 请求被正确对齐到一个硬件扇区的起始, 并且每个请求的长度是一个整数的扇区数. 你必须记住, 但是, 内核一直以 512-字节扇区表述自己; 因此, 有必要相应地转换所有的扇区号. 因此, 例如, 当 sbull 在它的 gendisk 结构中设置设备的容量时, 这个调用看来象:

set_capacity(dev->gd, nsectors*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE));

KERNEL_SECTOR_SIZE 是一个本地定义的常量, 我们用来调整内核的 512-字节和任何我们已被告知要使用的大小. 在我们查看 sbull 请求处理逻辑中会不时看到这类计算出来.