塊設備的處理

塊設備驅動程序上的每個操作都涉及很多內核組件；其中最重要的一些如圖14-1所示。
例如，我們假設一個進程在某個磁盤文件上發出一個read()系統調用
——我們將會看到處理write請求本質上采用同樣的方式。
下面是內核對進程請求給予回應的一般步驟：

1.  read()系統調用的服務例程調用一個適當的VFS函數，將文件描述符和文件內的偏移量傳遞給它。
虛擬文件系統位于塊設備處理體系結構的上層，它提供一個通用的文件模型，Linux支持的所有文件系統均采用該模型。
我們在第十二章已經詳細介紹了VFS層。
2.  VFS函數確定所請求的數據是否已經存在，如果有必要的話，它決定如何執行read操作。
有時候沒有必要訪問磁盤上的數據，因為內核將大多數最近從塊設備讀出或寫入其中的數據保存在RAM中。第十五章介紹了磁盤高速緩存機制，
而第十六章詳細說明了VFS如何處理磁盤操作以及如何與磁盤高速緩存和文件系統交互。
3.  我們假設內核從塊設備讀數據，那么它就必須確定數據的物理位置。為了做到這點，內核依賴映射層(mapping layer),主要執行下面兩步：
a.內核確定該文件所在文件系統的塊大小，并根據文件塊的大小計算所請求數據的長度。
本質上，文件被看作拆分成許多塊，因此內核確定請求數據所在的塊號(文件開始位置的相對索引)。
b.接下來，映射層調用一個具體文件系統的函數，它訪問文件的磁盤節點，然后根據邏輯塊號確定所請求數據在磁盤上的位置。
事實上，磁盤也被看作拆分成許多塊，因此內核必須確定存放所請求數據的塊對應的號(磁盤或分區開始位置的相對索引)。
由于一個文件可能存儲在磁盤上的不連續塊中，因此存放在磁盤索引節點中的數據結構將每個文件塊號映射為一個邏輯塊號(注1)。
我們將在第十六章中說明映射層的功能，在第十八章中將介紹一些典型的磁盤文件系統。
4.  現在內核可以對塊設備發出讀請求。內核利用通用塊層(generic block Inyer)啟動I/O操作來傳送所請求的數據。
一般而言，每個I/O操作只針對磁盤上一組連續的塊。
由于請求的數據不必位于相鄰的塊中，所以通用塊層可能啟動幾次I/O操作。
每次I/O操作是由一個“塊I/O”(簡稱“bio”)結構描述，它收集底層組件需要的所有信息以滿足所發出的請求。
通用塊層為所有的塊設備提供了一個抽象視圖，因而隱藏了硬件塊設備間的差異性。
幾乎所有的塊設備都是磁盤，所以通用塊層也提供了一些通用數據結構來描述“磁盤”或“磁盤分區”。
我們將在本章的“通用塊層”一節中討論通用塊層和bio數據結構。
5.  通用塊層下面的“I/O調度程序”根據預先定義的內核策略將待處理的I/O數據傳送請求進行歸類。
調度程序的作用是把物理介質上相鄰的數據請求聚集在一起。我們將在本章后面的“I/O調度程序”一節中介紹調度程序。
6.  最后，塊設備驅動程序向磁盤控制器的硬件接口發送適當的命令，從而進行實際的數據傳送。
我們將在后面的“塊設備驅動程序”一節介紹通用塊設備驅動程序的總體組織結構。
如你所見，塊設備中的數據存儲涉及了許多內核組件；每個組件采用不同長度的塊來管理磁盤數據：
6.1.硬件塊設備控制器采用稱為“扇區”的固定長度的塊來傳送數據。因此，I/O調度程序和塊設備驅動程序必須管理數據扇區。
6.2.虛擬文件系統、映射層和文件系統將磁盤數據存放在稱為“塊”的邏輯單元中。
6.3.一個塊對應文件系統中一個最小的磁盤存儲單元。
我們很快會看到，塊設備驅動程序應該能夠處理數據的“段”:
一個段就是一個內存頁或內存頁的一部分，它們包含磁盤上物理相鄰的數據塊。
5.4.磁盤高速緩存作用于磁盤數據的“頁”上，每頁正好裝在一個頁框中。
通用塊層將所有的上層和下層的組件組合在一起，因此它了解數據的扇區、塊、段以及頁。
即使有許多不同的數據塊，它們通常也是共享相同的物理RAM單元。
例如，圖14-2顯示了一個具有4096字節的頁的構造。
上層內核組件將頁看成是由4個1024字節組成的塊緩沖區。
塊設備驅動程序正在傳送頁中的后3個塊，因此這3塊被插入到涵蓋了后3072 字節的段中。
硬盤控制器將該段看成是由6個512字節的扇區組成。

本章我們介紹處理塊設備的下層內核組件：通用塊層、I/O調度程序以及塊設備驅動程序，因此我們將注意力集中在扇區、塊和段上。

扇區

為了達到可接受的性能，硬盤和類似的設備快速傳送幾個相鄰字節的數據。
塊設備的每次數據傳送操作都作用于一組稱為扇區的相鄰字節。
在下面的討論中，我們假定字節按相鄰的方式記錄在磁盤表面，這樣一次搜索操作就可以訪問到它們。
盡管磁盤的物理構造很復雜，但是硬盤控制器接收到的命令將磁盤看成一大組扇區。
在大部分磁盤設備中，扇區的大小是512字節，但是一些設備使用更大的扇區(1024和2048字節)。
注意，應該把扇區作為數據傳送的基本單元；不允許傳送少于一個扇區的數據，盡管大部分磁盤設備都可以同時傳送幾個相鄰的扇區。
在Linux中，扇區大小按慣例都設為512字節；
如果一個塊設備使用更大的扇區，那么相應的底層塊設備驅動程序將做些必要的變換。
因此，對存放在塊設備中的一組數據是通過它們在磁盤上的位置來標識，
即其首個512字節扇區的下標以及扇區的數目。
扇區的下標存放在類型為sector_c的32位或64位的變量中。