2. 块设备核心数据结构

在嵌入式 Linux 块设备驱动中，三个核心数据结构构成了驱动与内核块 I/O 层之间的桥梁：gendisk（通用磁盘描述）、block_device_operations（块设备操作函数表）和 request_queue（请求队列）。理解这三者的角色、成员关系以及初始化流程，是编写任何块设备驱动的第一步。

2.1 gendisk 结构体详解

gendisk 是内核中代表“一个磁盘”或“一个分区表容器”的核心对象。它位于 <linux/genhd.h>，驱动通过 alloc_disk 系列函数分配，并在注册时与块设备号绑定。

2.1.1 关键成员

2.1.2 gendisk 生命周期与分区管理

每个 gendisk 通过 minors 字段声明支持的次设备号数量。例如 SD 卡驱动通常设置 minors = 16，其中 part0 代表整卡，part1 ~ part15 对应分区。内核块层在 add_disk 时自动扫描分区表并创建分区块设备。

2.2 block_device_operations 结构体

block_device_operations（简称 bd_ops）定义在 <linux/blkdev.h>，是块设备驱动向内核暴露的控制接口。与字符设备的 file_operations 不同，块设备的读写操作不通过此结构体，而是通过 request_queue 处理。

2.2.1 核心回调函数

2.2.2 与 file_operations 的对比

2.3 request_queue 结构体

request_queue 是块设备 I/O 数据路径的核心调度与排队单元。驱动通过 blk_init_queue 或 blk_alloc_queue + blk_queue_make_request 创建队列，并将队列绑定到 gendisk。

2.3.1 关键成员与功能

2.3.2 两种请求处理模式

• 标准请求队列（request_fn 模式）：调用 blk_init_queue(request_fn, lock)，内核将合并排序后的 struct request 传递给驱动的 request_fn。驱动遍历请求并处理每个 bio。
• 自制请求队列（make_request_fn 模式）：调用 blk_alloc_queue(GFP_KERNEL) + blk_queue_make_request(q, make_request_fn)，驱动直接接收 struct bio，绕过 I/O 调度器。适用于简单设备（如 ramdisk、MTD 块层）。

2.4 三者协作：驱动初始化代码骨架

以下代码片段展示了一个简化的块设备驱动初始化过程，突出 gendisk、block_device_operations 和 request_queue 的绑定关系。

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

static struct my_block_dev {
    spinlock_t lock;
    struct request_queue *queue;
    struct gendisk *disk;
    /* 模拟存储缓冲区 */
    unsigned char *data;
} my_dev;

static int my_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode) {
    /* 增加引用计数或电源管理 */
    return 0;
}

static void my_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode) {
    /* 减少引用计数 */
}

static int my_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo) {
    geo->heads = 2;
    geo->sectors = 32;
    geo->cylinders = 1024;
    return 0;
}

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

static void my_request_fn(struct request_queue *q) {
    struct request *req;
    while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {
        /* 处理请求：获取 bio、数据传输 */
        blk_end_request_all(req, 0);
    }
}

static int __init my_init(void) {
    /* 1. 分配 gendisk */
    my_dev.disk = alloc_disk(16);
    if (!my_dev.disk)
        return -ENOMEM;

    /* 2. 初始化请求队列 */
    my_dev.queue = blk_init_queue(my_request_fn, &my_dev.lock);
    if (!my_dev.queue) {
        put_disk(my_dev.disk);
        return -ENOMEM;
    }

    /* 3. 绑定核心字段 */
    my_dev.disk->major       = 240;          /* 自定义主设备号 */
    my_dev.disk->first_minor = 0;
    my_dev.disk->minors      = 16;
    strcpy(my_dev.disk->disk_name, "myblk");
    my_dev.disk->fops        = &my_bd_ops;
    my_dev.disk->queue       = my_dev.queue;
    my_dev.disk->private_data = &my_dev;

    /* 4. 设置容量（以 512 字节扇区为单位） */
    set_capacity(my_dev.disk, 1024 * 1024);  /* 512 MB */

    /* 5. 注册设备 */
    add_disk(my_dev.disk);
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void) {
    del_gendisk(my_dev.disk);
    blk_cleanup_queue(my_dev.queue);
    put_disk(my_dev.disk);
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2.5 本章小结

• gendisk 是块设备在内核中的“身份证”，承载设备号、名称、操作表、队列和私有数据。
• block_device_operations 负责控制路径（打开、关闭、几何、介质检测），不参与数据读写。
• request_queue 是数据路径的核心，支持标准 request_fn 和自制 make_request_fn 两种模式。
• 三者在驱动初始化时通过 gendisk 的 fops 和 queue 字段紧密绑定，缺一不可。