2. Linux块设备驱动基础

2.1 块设备与字符设备的本质区别

在 Linux 设备驱动模型中，I/O 设备被划分为两大类型：字符设备和块设备。理解两者的区别是编写块设备驱动的第一道门槛。

2.2 块设备驱动框架全景

Linux 块设备驱动由三个核心组件构成，它们共同协作完成从 VFS 到物理设备的 I/O 路径：

• gendisk：代表一个逻辑磁盘或分区，是块设备在内存中的抽象。
• request_queue：I/O 请求队列，负责接收、合并、排序来自文件系统的请求。
• block_device_operations：块设备操作函数表，定义 open/release/ioctl 等回调。

2.3 gendisk：磁盘的抽象表示

struct gendisk 是块设备驱动的核心数据结构，它代表一个独立的磁盘或分区设备。每个 gendisk 实例对应 /dev 下的一个块设备节点。

struct gendisk {
    int major;                  // 主设备号
    int first_minor;            // 起始次设备号
    int minors;                 // 次设备号数量（分区数+1）
    char disk_name[DISK_NAME_LEN]; // 设备名称，如 "vdab"
    struct block_device_operations *fops; // 操作函数表
    struct request_queue *queue; // 关联的请求队列
    void *private_data;         // 驱动私有数据
    sector_t capacity;          // 磁盘容量（扇区数）
    int flags;                  // 标志位（如 GENHD_FL_NO_PART）
    struct device *driverfs_dev; // 设备模型中的 device
    // ... 其他字段
};

2.4 request_queue：I/O 请求的调度中枢

struct request_queue 是块设备 I/O 的入口和调度中心。所有发往该设备的读写请求都会先进入队列，经过合并、排序后，再传递给驱动处理。

创建请求队列的标准方式：

// 分配请求队列（blk-mq 方式，现代驱动推荐）
struct request_queue *q;
q = blk_mq_alloc_queue(&tag_set, NULL, NULL);
blk_queue_make_request(q, my_make_request_fn);

// 或传统方式（单队列，适用于简单设备）
q = blk_init_queue(my_request_fn, &my_lock);

2.5 block_device_operations：驱动回调函数表

struct block_device_operations 定义了块设备驱动的标准回调接口。与字符设备的 file_operations 不同，它不包含 read/write——这些由块层通过请求队列处理。

struct block_device_operations {
    int (*open)(struct block_device *, fmode_t);
    void (*release)(struct gendisk *, fmode_t);
    int (*ioctl)(struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    int (*compat_ioctl)(struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    unsigned int (*check_events)(struct gendisk *, unsigned int);
    int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
    int (*set_capacity)(struct gendisk *, unsigned long long);
    struct module *owner;
};

2.6 块设备驱动初始化流程

一个完整的块设备驱动初始化遵循以下步骤。以简单的 RAM 磁盘驱动为例：

1. 分配 gendisk：alloc_disk(minors)
2. 设置操作函数表：disk->fops = &my_bd_ops
3. 创建请求队列：disk->queue = blk_mq_alloc_queue(...)
4. 设置容量：set_capacity(disk, sectors)
5. 设置私有数据：disk->private_data = my_dev
6. 注册设备：add_disk(disk)

2.7 完整的最小块设备驱动骨架

以下代码展示了一个极简 RAM 磁盘驱动的核心注册部分，省略了请求处理细节：

#include <linux/module.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/hdreg.h>

static struct my_ramdisk {
    struct gendisk *disk;
    struct request_queue *queue;
    spinlock_t lock;
    u8 *data;           // 模拟存储空间
    unsigned long size; // 设备大小（字节）
} *my_dev;

static const struct block_device_operations my_bd_ops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
    .getgeo  = my_getgeo,
};

static int __init my_init(void)
{
    int ret = -ENOMEM;

    // 1. 分配设备结构
    my_dev = kzalloc(sizeof(*my_dev), GFP_KERNEL);
    if (!my_dev)
        return -ENOMEM;

    spin_lock_init(&my_dev->lock);

    // 2. 分配存储空间（64MB）
    my_dev->size = 64 * 1024 * 1024;
    my_dev->data = vmalloc(my_dev->size);
    if (!my_dev->data)
        goto err_free_dev;

    // 3. 分配请求队列（blk-mq）
    my_dev->queue = blk_mq_alloc_queue(&my_tag_set, NULL, NULL);
    if (IS_ERR(my_dev->queue)) {
        ret = PTR_ERR(my_dev->queue);
        goto err_free_data;
    }
    blk_queue_make_request(my_dev->queue, my_make_request_fn);

    // 4. 分配 gendisk（支持 8 个分区）
    my_dev->disk = alloc_disk(8);
    if (!my_dev->disk)
        goto err_free_queue;

    // 5. 填充 gendisk 字段
    my_dev->disk->major       = my_major;
    my_dev->disk->first_minor = 0;
    my_dev->disk->fops        = &my_bd_ops;
    my_dev->disk->queue       = my_dev->queue;
    my_dev->disk->private_data = my_dev;
    snprintf(my_dev->disk->disk_name, 32, "myram");
    set_capacity(my_dev->disk, my_dev->size / 512);

    // 6. 注册设备
    add_disk(my_dev->disk);

    pr_info("myram: 64MB RAM disk registered\n");
    return 0;

err_free_queue:
    blk_mq_free_queue(my_dev->queue);
err_free_data:
    vfree(my_dev->data);
err_free_dev:
    kfree(my_dev);
    return ret;
}

module_init(my_init);

2.8 本章小结

• 块设备与字符设备的本质区别在于：随机块访问 vs 顺序字节流，以及是否支持文件系统挂载。
• 块设备驱动框架由 gendisk（磁盘抽象）、request_queue（请求调度）、block_device_operations（回调函数）三部分组成。
• 初始化必须遵循严格顺序：alloc_disk → 设置字段 → 创建队列 → set_capacity → add_disk。
• 现代驱动应使用 blk-mq 框架以获得更好的多核扩展性。