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块设备驱动

块设备传输数据的固定长度为一个sector,因此,输入、输出调度器和块设备的驱动必须管理扇区的数据。虚拟文件系统->磁盘设备的中间映射层,它使用一种逻辑单元来管理磁盘数据,这种逻辑单元被称之为“Block”,一个块相当于一个文件系统里面的最小磁盘存储单元。

块设备

  • 块设备(blockdevice)

    是一种具有一定结构的随机存取设备,对这种设备的读写是按块进行的,他使用缓冲区来存放暂时的数据,待条件成熟后,从缓存一次性写入设备或者从设备一次性读到缓冲区。

  • 字符设备(Character device)

    是一个顺序的数据流设备,对这种设备的读写是按字符进行的,而且这些字符是连续地形成一个数据流。他不具备缓冲区,所以对这种设备的读写是实时的。

块设备的驱动框架

块设备驱动框架

块设备的应用在Linux中是一个完整的子系统。

在Linux中,驱动对块设备的输入或输出(I/O)操作,都会向块设备发出一个请求,在驱动中用request结构体描述。但对于一些磁盘设备而言请求的速度很慢,这时候内核就提供一种队列的机制把这些I/O请求添加到队列中(即:请求队列),在驱动中用request_queue结构体描述。在向块设备提交这些请求前内核会先执行请求的合并和排序预操作,以提高访问的效率,然后再由内核中的I/O调度程序子系统来负责提交 I/O 请求, 调度程序将磁盘资源分配给系统中所有挂起的块 I/O 请求,其工作是管理块设备的请求队列,决定队列中的请求的排列顺序以及什么时候派发请求到设备。

由通用块层(Generic Block Layer)负责维持一个I/O请求在上层文件系统与底层物理磁盘之间的关系。在通用块层中,通常用一个bio结构体来对应一个I/O请求。

Linux提供了一个gendisk数据结构体,用来表示一个独立的磁盘设备或分区,用于对底层物理磁盘进行访问。在gendisk中有一个类似字符设备中file_operations的硬件操作结构指针,是block_device_operations结构体。

当多个请求提交给块设备时,执行效率依赖于请求的顺序。如果所有的请求是同一个方向(如:写数据),执行效率是最大的。内核在调用块设备驱动程序例程处理请求之前,先收集I/O请求并将请求排序,然后,将连续扇区操作的多个请求进行合并以提高执行效率(内核算法会自己做,不用你管),对I/O请求排序的算法称为电梯算法(elevator algorithm)。电梯算法在I/O调度层完成。内核提供了不同类型的电梯算法.

电梯算法

1 noop(实现简单的FIFO,基本的直接合并与排序),
2 anticipatory(延迟I/O请求,进行临界区的优化排序),
3 Deadline(针对anticipatory缺点进行改善,降低延迟时间),
4 Cfq(均匀分配I/O带宽,公平机制)
PS:其实IO调度层(包括请求合并排序算法)是不需要用户管的,内核已经做好

相关数据结构

block_device: 描述一个分区或整个磁盘对内核的一个块设备实例
gendisk: 描述一个通用硬盘(generic hard disk)对象。
hd_struct: 描述分区应有的分区信息
bio: 描述块数据传送时怎样完成填充或读取块给driver
request: 描述向内核请求一个列表准备做队列处理。
request_queue: 描述内核申请request资源建立请求链表并填写BIO形成队列。

驱动的实现

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  • 本文作者: Winddoing
  • 本文链接: https://winddoing.github.io/post/51792.html
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