Linux標準塊設備驅動詳解：從原理到實現

在Linux系統中，塊設備是存儲系統的核心組成部分，涵蓋了硬盤、固態硬盤（SSD）、U盤、SD卡等各類持久化存儲介質。與字符設備不同，塊設備以固定大小的“塊”為單位進行數據讀寫，支持隨機訪問，并通過復雜的I/O調度機制提升性能和設備壽命。本文將深入剖析Linux塊設備驅動的架構、核心數據結構、注冊流程及請求處理機制，并通過一個完整的基于內存的RAM磁盤驅動示例，幫助開發者掌握塊設備驅動開發的關鍵技術。

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一、塊設備概述：理解I/O模型的本質差異

在Linux設備模型中，設備主要分為字符設備、塊設備和網絡設備三類。其中，塊設備（Block Device） 的顯著特征是：

• 以塊為單位傳輸數據：通常以512字節或4KB為基本單位（扇區），即使應用層請求非對齊數據，內核也會自動進行填充和裁剪。
• 支持隨機訪問：可以任意讀寫任意扇區，無需按順序操作。
• 使用緩沖區緩存（Buffer Cache）：內核通過Page Cache和Buffer Head機制緩存頻繁訪問的數據，減少對物理設備的直接訪問，提升性能并延長設備壽命（尤其是SSD）。
• 依賴I/O調度器：內核提供多種I/O調度算法（如CFQ、Deadline、NOOP、BFQ），用于合并相鄰請求、優化請求順序，降低磁頭尋道時間或提升SSD的并行性。

與之對比，字符設備（如串口、鍵盤）通常以字節流方式工作，不經過塊層調度，也不支持隨機訪問。因此，塊設備驅動需要更復雜的軟件棧來處理請求的排隊、合并、調度和完成通知。

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二、核心數據結構解析

Linux內核通過一組關鍵數據結構來抽象和管理塊設備。掌握這些結構是編寫塊設備驅動的基礎。

1. block_device_operations：設備操作接口

該結構體定義了用戶空間與塊設備交互的操作接口，類似于字符設備中的file_operations。

struct block_device_operations {int (*open)(struct block_device *bdev, fmode_t mode);void (*release)(struct gendisk *disk, fmode_t mode);int (*ioctl)(struct block_device *bdev, fmode_t mode, unsigned cmd, unsigned long arg);int (*compat_ioctl)(struct block_device *bdev, fmode_t mode, unsigned cmd, unsigned long arg);unsigned int (*check_events)(struct gendisk *disk, unsigned int clearing);int (*revalidate_disk)(struct gendisk *disk);int (*getgeo)(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo);void (*swap_slot_free_notify)(struct block_device *, unsigned long);struct module *owner;
};

• open / release：設備打開和關閉時的回調，用于初始化硬件或釋放資源。
• ioctl：處理設備特定的控制命令，例如獲取磁盤幾何信息（CHS）、執行設備診斷等。
• getgeo：返回磁盤的物理幾何參數（柱面、磁頭、扇區），主要用于兼容舊系統。
• owner：指向所屬模塊，防止模塊在使用中被卸載。

注意：現代驅動中，open和release通常為空，因為塊設備的打開由內核自動管理。

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2. gendisk：磁盤設備的抽象

gendisk結構體代表一個完整的磁盤設備，包括主設備和所有分區。

struct gendisk {int major;                  // 主設備號int first_minor;            // 起始次設備號int minors;                 // 支持的分區數量（1表示無分區）char disk_name[32];         // 設備名稱，如 "myblk"struct block_device_operations *fops;  // 操作函數集struct request_queue *queue;          // 請求隊列sector_t capacity;          // 容量（以512字節扇區為單位）struct disk_part_tbl *part_tbl;       // 分區表struct hd_struct part0;     // 主設備信息// 其他成員...
};

關鍵操作流程：

1. 分配：使用 alloc_disk(minors) 動態分配一個gendisk對象。
2. 初始化：設置設備號、名稱、操作函數、請求隊列和容量。
3. 設置容量：通過 set_capacity(disk, sectors) 指定設備總扇區數。例如，1MB內存磁盤對應：

   set_capacity(disk, (1 * 1024 * 1024) / 512); // = 2048 扇區
   

4. 注冊：調用 add_disk(disk) 將設備注冊到內核，此后設備節點（如 /dev/myblk）將自動出現在/dev目錄下。

重要提示：一旦調用add_disk()，驅動必須確保設備可正常響應I/O請求，否則可能導致系統掛起。

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三、驅動注冊與注銷流程詳解

塊設備驅動的生命周期管理涉及設備號分配、磁盤對象初始化和內核注冊。

1. 注冊流程

static dev_t dev_num;  // 設備號
static struct gendisk *disk;
static struct request_queue *queue;static int __init myblk_init(void)
{int ret;// 1. 動態分配設備號ret = register_blkdev(0, "myblk");if (ret <= 0) {printk(KERN_ERR "Failed to register block device\n");return -EIO;}dev_num = MKDEV(ret, 0);  // 主設備號由內核返回// 2. 分配并初始化gendiskdisk = alloc_disk(1);  // 支持1個分區if (!disk) {unregister_blkdev(MAJOR(dev_num), "myblk");return -ENOMEM;}disk->major = MAJOR(dev_num);disk->first_minor = 0;strcpy(disk->disk_name, "myblk");disk->fops = &my_blk_fops;           // 操作函數disk->queue = queue;                 // 請求隊列set_capacity(disk, 2048);            // 1MB容量// 3. 注冊到內核add_disk(disk);printk(KERN_INFO "myblk: Registered block device with major %d\n", MAJOR(dev_num));return 0;
}

2. 注銷流程

static void __exit myblk_exit(void)
{if (disk) {del_gendisk(disk);           // 從內核移除設備put_disk(disk);              // 釋放gendisk}if (queue) {blk_cleanup_queue(queue);    // 清理請求隊列}unregister_blkdev(MAJOR(dev_num), "myblk");  // 釋放設備號
}

注意：del_gendisk()會阻止新的I/O請求進入，但不會等待正在進行的請求完成。因此，驅動應確保在調用此函數前所有請求已處理完畢。

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四、I/O請求處理機制

塊設備驅動的核心任務是處理來自文件系統的I/O請求。現代Linux內核采用多隊列（Multi-Queue, blk-mq） 架構以提升多核系統的并發性能。

1. 核心組件

• request_queue：請求隊列，由blk_mq_init_queue()創建，管理所有待處理的I/O請求。
• bio（Block I/O）結構體：描述一個I/O操作的基本單元，包含：
  • bi_sector：起始邏輯扇區號
  • bi_size：數據長度（字節）
  • bi_io_vec：指向bio_vec數組，描述分散/聚集（scatter-gather）的內存頁
  • bi_end_io：完成回調函數

2. 多隊列（blk-mq）處理模式

傳統請求隊列使用request_fn處理合并后的請求，而blk-mq直接處理bio，簡化了驅動邏輯。

定義多隊列操作集

static struct blk_mq_ops my_mq_ops = {.queue_rq = my_queue_rq,      // 核心請求處理函數.complete = my_complete_rq,   // 可選：完成回調
};

請求處理函數示例

static blk_status_t my_queue_rq(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, const struct blk_mq_queue_data *bd)
{struct request *req = bd->rq;struct bio *bio;sector_t sector = blk_rq_pos(req);unsigned int nr_bytes = blk_rq_bytes(req);// 遍歷所有bio（支持合并請求）__rq_for_each_bio(bio, req) {void *data = bio_data(bio);unsigned int len = bio->bi_iter.bi_size;if (bio_data_dir(bio) == READ) {// 模擬讀操作：從模擬存儲區復制數據memcpy(data, disk_data + sector * 512, len);} else {// 模擬寫操作memcpy(disk_data + sector * 512, data, len);}sector += len >> 9;  // 轉換為扇區數（512B/sector）}// 標記請求完成blk_mq_end_request(req, BLK_STS_OK);return BLK_STS_OK;
}

說明：blk_mq_end_request()會自動調用bio的完成回調并釋放資源。

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五、完整示例：基于內存的RAM磁盤驅動

以下是一個可編譯加載的完整RAM磁盤驅動，模擬一個1MB的塊設備。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/vmalloc.h>#define DEV_NAME        "myramdisk"
#define DISK_SIZE       (1 * 1024 * 1024)  // 1MBstatic dev_t dev_num;
static struct request_queue *queue;
static struct gendisk *disk;
static unsigned char *disk_data;// 請求處理函數
static blk_status_t my_queue_rq(struct blk_mq_hw_ctx *hctx, const struct blk_mq_queue_data *bd)
{struct request *req = bd->rq;struct bio *bio;sector_t sector = blk_rq_pos(req);__rq_for_each_bio(bio, req) {void *data = bio_data(bio);unsigned int len = bio->bi_iter.bi_size;if (sector + (len >> 9) > DISK_SIZE / 512) {return BLK_STS_IOERR;  // 越界檢查}if (bio_data_dir(bio) == READ) {memcpy(data, disk_data + sector * 512, len);} else {memcpy(disk_data + sector * 512, data, len);}sector += len >> 9;}blk_mq_end_request(req, BLK_STS_OK);return BLK_STS_OK;
}// 多隊列操作集
static struct blk_mq_ops my_mq_ops = {.queue_rq = my_queue_rq,
};// 模塊初始化
static int __init myramdisk_init(void)
{int ret;// 1. 分配設備號ret = register_blkdev(0, DEV_NAME);if (ret < 0) return ret;dev_num = MKDEV(ret, 0);// 2. 分配模擬存儲空間disk_data = vmalloc(DISK_SIZE);if (!disk_data) {unregister_blkdev(MAJOR(dev_num), DEV_NAME);return -ENOMEM;}memset(disk_data, 0, DISK_SIZE);// 3. 初始化請求隊列queue = blk_mq_init_sq_queue(&tag_set, &my_mq_ops, 0, BLK_MQ_F_SHOULD_MERGE);if (IS_ERR(queue)) {vfree(disk_data);unregister_blkdev(MAJOR(dev_num), DEV_NAME);return PTR_ERR(queue);}// 4. 分配并初始化gendiskdisk = alloc_disk(1);if (!disk) {blk_cleanup_queue(queue);vfree(disk_data);unregister_blkdev(MAJOR(dev_num), DEV_NAME);return -ENOMEM;}disk->major = MAJOR(dev_num);disk->first_minor = 0;strcpy(disk->disk_name, DEV_NAME);disk->fops = &my_fops;disk->queue = queue;set_capacity(disk, DISK_SIZE / 512);disk->private_data = NULL;// 5. 注冊設備add_disk(disk);printk(KERN_INFO "%s: RAM disk initialized (%d MB)\n", DEV_NAME, DISK_SIZE >> 20);return 0;
}// 模塊退出
static void __exit myramdisk_exit(void)
{if (disk) {del_gendisk(disk);put_disk(disk);}if (queue) {blk_cleanup_queue(queue);}if (disk_data) {vfree(disk_data);}unregister_blkdev(MAJOR(dev_num), DEV_NAME);printk(KERN_INFO "%s: unloaded\n", DEV_NAME);
}module_init(myramdisk_init);
module_exit(myramdisk_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple RAM block device driver");

編譯與測試

1. 編譯模塊：

   make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules
   

2. 加載模塊：

   sudo insmod myramdisk.ko
   

3. 驗證設備：

   ls /dev/myramdisk
   dmesg | tail
   

4. 格式化并掛載：

   sudo mkfs.ext4 /dev/myramdisk
   sudo mkdir /mnt/ramdisk
   sudo mount /dev/myramdisk /mnt/ramdisk
   

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六、關鍵要點總結

1. 設備號管理：使用register_blkdev(0, ...)實現主設備號動態分配，避免沖突。
2. 多隊列優先：現代驅動應使用blk-mq架構，直接處理bio，提高并發性能。
3. 內存分配：大容量設備應使用vmalloc而非kmalloc，避免內存碎片。
4. 錯誤處理：在queue_rq中進行邊界檢查，返回適當的blk_status_t。
5. 生命周期同步：確保del_gendisk()調用前無活躍I/O，防止內存訪問錯誤。
6. 性能優化：合理配置隊列深度、硬件上下文數，啟用I/O調度器（如Deadline用于SSD）。

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結語

Linux塊設備驅動是連接上層文件系統與底層存儲硬件的橋梁。通過理解gendisk、request_queue和bio等核心結構，掌握blk-mq請求處理機制，開發者可以構建高效、穩定的存儲驅動。本文的RAM磁盤示例為學習和調試提供了基礎框架，實際開發中可將其擴展為支持真實硬件（如PCIe SSD、NAND控制器）的復雜驅動。

更多細節可參考內核源碼樹中的drivers/block/目錄，如brd.c（RAM磁盤）、null_blk.c（空設備）等經典實現。

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研究學習不易，點贊易。
工作生活不易，收藏易，點收藏不迷茫 ：）

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