3. 块设备驱动核心概念

在嵌入式存储系统中，块设备驱动是文件系统与物理存储介质之间的桥梁。本章深入剖析块设备与字符设备的本质区别、请求队列的运作机制、bio 结构体的 I/O 单元设计以及 gendisk 结构体的磁盘抽象模型，为后续 inode 分配实战奠定坚实的驱动层基础。

3.1 块设备与字符设备的区别

Linux 设备驱动模型将设备划分为两大类：字符设备和块设备。两者的核心差异在于数据访问方式、缓冲策略以及 I/O 调度模型。

3.2 块设备请求队列 (Request Queue)

请求队列是块设备驱动的核心调度单元。每个块设备对应一个 request_queue 实例，负责接收、排序、合并和分发 I/O 请求。

3.2.1 请求队列的初始化与注册

在驱动初始化阶段，通过 blk_init_queue() 或 blk_alloc_queue() 创建请求队列，并绑定处理函数：

#include <linux/blkdev.h>

static struct request_queue *q;

/* 方式一：使用 blk_init_queue（传统方式，绑定 request_fn） */
q = blk_init_queue(my_request_fn, &my_lock);
if (!q)
    return -ENOMEM;

/* 方式二：使用 blk_alloc_queue + make_request_fn（更灵活） */
q = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (!q)
    return -ENOMEM;
blk_queue_make_request(q, my_make_request_fn);

3.2.2 请求队列的核心数据结构

3.3 bio 结构体

bio 是 Linux 块 I/O 层的基本传输单元，代表一次 I/O 操作。它替代了早期的 buffer_head 结构，支持 向量化 I/O 和 分散/聚集 (Scatter-Gather) 传输。

3.3.1 bio 结构体核心成员

struct bio {
    sector_t        bi_sector;      /* 起始扇区号（512 字节为单位） */
    struct bio      *bi_next;       /* 链表中的下一个 bio */
    struct block_device *bi_bdev;   /* 目标块设备 */
    unsigned long   bi_flags;       /* 标志位（如 BIO_UPTODATE） */
    unsigned short  bi_vcnt;        /* bio_vec 向量数量 */
    unsigned short  bi_idx;         /* 当前处理的 bio_vec 索引 */
    unsigned int    bi_size;        /* 剩余传输字节数 */
    struct bio_vec  *bi_io_vec;     /* bio_vec 数组指针 */
    bio_end_io_t    *bi_end_io;     /* I/O 完成回调函数 */
    void            *bi_private;    /* 驱动私有数据 */
};

3.3.2 bio_vec 与向量化 I/O

每个 bio 包含多个 bio_vec，每个 bio_vec 描述一个内存页片段：

struct bio_vec {
    struct page     *bv_page;   /* 指向物理页框 */
    unsigned int    bv_len;     /* 片段长度（字节） */
    unsigned int    bv_offset;  /* 页内偏移 */
};

遍历 bio 的标准方式：

struct bio_vec *bvec;
unsigned long flags;
int i;

bio_for_each_segment(bvec, bio, i) {
    char *data = kmap_atomic(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;
    /* 处理 data，长度为 bvec->bv_len */
    kunmap_atomic(data);
}

3.4 gendisk 结构体

gendisk (Generic Disk) 是 Linux 内核中代表一个块设备的抽象结构。每个块设备（如 /dev/sda、/dev/mmcblk0）在内核中对应一个 gendisk 实例。

3.4.1 gendisk 核心成员

3.4.2 gendisk 生命周期管理

典型的 gendisk 分配、注册与释放流程：

/* 1. 分配 gendisk 结构 */
struct gendisk *gd = alloc_disk(16);  /* 16 个次设备号（分区） */
if (!gd)
    return -ENOMEM;

/* 2. 初始化 gendisk 字段 */
gd->major = my_major;
gd->first_minor = 0;
gd->minors = 16;
gd->fops = &my_block_ops;
gd->queue = q;              /* 关联之前创建的请求队列 */
gd->private_data = my_dev;  /* 驱动私有数据结构 */
strcpy(gd->disk_name, "myblk");

/* 3. 设置设备容量（以 512 字节扇区为单位） */
set_capacity(gd, nr_sectors);

/* 4. 注册 gendisk 到内核 */
add_disk(gd);

/* 5. 卸载时释放 */
del_gendisk(gd);
put_disk(gd);

3.4.3 block_device_operations 函数表

static const struct block_device_operations my_block_ops = {
    .owner      = THIS_MODULE,
    .open       = my_open,
    .release    = my_release,
    .ioctl      = my_ioctl,
    .getgeo     = my_getgeo,   /* 获取磁盘几何参数（CHS） */
};

3.5 核心概念总结

块设备驱动的四个核心概念构成了完整的 I/O 路径：

• 块设备 vs 字符设备：块设备以块为单位、有内核缓冲、支持 I/O 调度和文件系统挂载；字符设备以字节流方式工作，无缓冲无调度。
• 请求队列 (request_queue)：I/O 请求的调度中心，支持合并、排序和流控，是块设备驱动的入口。
• bio 结构体：I/O 操作的基本单元，通过 bio_vec 实现向量化传输，是高效 DMA 的基础。
• gendisk 结构体：块设备的抽象表示，关联请求队列、操作函数表和私有数据，是驱动与内核块设备层的接口。