1. 块设备驱动基础
1.1 块设备概念
块设备（Block Device）是 Linux 内核中一类以固定大小数据块为基本传输单元、支持随机访问的 I/O 设备。与字符设备不同，块设备内部维护了请求队列和 I/O 调度器，能够对读写请求进行合并、排序和重排，从而大幅提升吞吐量。
典型的块设备包括：
- 硬盘（HDD / SSD）
- NVMe 固态盘
- SD/MMC 存储卡
- USB 大容量存储设备
- RAM 磁盘（brd / zram）
- MD 软件 RAID 和 DM 设备映射器
关键指标：块设备的最小寻址单元称为扇区（sector），传统为 512 字节，现代设备普遍使用 4096 字节（4K 扇区）。内核中所有块 I/O 操作都以扇区为单位进行偏移计算。
1.2 字符设备与块设备区别
字符设备（Char Device）和块设备是 Linux 设备驱动模型的两大基石，二者在设计哲学、数据流模型和内核接口上存在本质差异。下表从多个维度进行对比：
| 对比维度 | 字符设备 | 块设备 |
|---|---|---|
| 数据传输单位 | 字节流（无固定大小） | 固定大小数据块（扇区） |
| 访问模式 | 顺序流式访问为主 | 随机访问 + 顺序访问 |
| 内核接口 | file_operations（read/write/ioctl） |
block_device_operations + 请求队列 |
| I/O 调度 | 无调度，直接透传 | 有 I/O 调度器（电梯算法、CFQ、mq-deadline、BFQ） |
| 缓存策略 | 通常无内核缓存 | 通过页缓存（Page Cache）实现缓存 |
| 典型设备 | 串口、键盘、鼠标、音频 | 硬盘、SSD、SD 卡、软盘 |
| 设备号范围 | 主设备号 + 次设备号（无分区概念） | 主设备号 + 次设备号（次设备号用于分区） |
| 用户态访问 | open/read/write/ioctl |
open/read/write/ioctl + mmap + fsync |
核心差异总结：字符设备处理无结构字节流，驱动直接处理每次系统调用；块设备处理结构化数据块，驱动通过请求队列与 I/O 调度器交互，支持缓存、合并、排序和 DMA 传输。
1.3 块设备驱动架构概览
Linux 块设备驱动采用分层架构，从上到下依次为：
- VFS 层（虚拟文件系统）—— 处理文件操作，通过
address_space与页缓存交互。 - 页缓存层（Page Cache）—— 缓存文件数据块，减少物理 I/O。
- 通用块层（Generic Block Layer）—— 将文件系统请求转换为
bio结构，提交到块设备。 - I/O 调度层（I/O Scheduler）—— 对
bio进行合并、排序、分发。 - 块设备驱动层（Block Device Driver）—— 处理请求队列，与硬件交互完成数据传输。
- 硬件层（Hardware）—— 物理存储介质。
下图展示了块设备驱动在 Linux 存储栈中的位置与数据流路径：
1.4 块设备驱动核心数据结构
块设备驱动开发涉及以下关键内核数据结构，理解它们之间的关系是编写驱动的基础：
| 数据结构 | 所在头文件 | 作用描述 |
|---|---|---|
struct gendisk |
<linux/genhd.h> |
代表一个块设备实例，包含设备号、分区表、请求队列、操作函数集等 |
struct request_queue |
<linux/blkdev.h> |
管理 I/O 请求的队列，包含 I/O 调度器、限速、合并策略等 |
struct request |
<linux/blkdev.h> |
代表一个经过合并后的 I/O 请求，包含多个 bio 链 |
struct bio |
<linux/blk_types.h> |
块 I/O 操作的基本单元，描述一段连续内存与磁盘扇区之间的传输 |
struct block_device_operations |
<linux/blkdev.h> |
块设备操作函数集（open/release/ioctl/getgeo/check_events） |
驱动开发注意：在 Linux 5.x 之后，
struct request_queue 的分配方式从 blk_init_queue() 逐步迁移到 blk_mq_alloc_queue()（多队列块层）。新驱动应优先使用 blk-mq 框架，以获得更好的多核扩展性和 DMA 亲和性。
1.5 块设备驱动注册流程
一个典型的块设备驱动初始化流程包含以下步骤：
- 分配 gendisk：
alloc_disk(minors)— 分配struct gendisk实例，指定分区数量。 - 设置操作函数：填充
disk->fops指向block_device_operations结构体。 - 分配请求队列：
blk_mq_alloc_queue()或blk_init_queue()，绑定请求处理函数。 - 设置队列限速：配置
disk->queue的逻辑块大小、物理块大小、最大扇区数等。 - 注册设备：
add_disk(disk)— 将 gendisk 注册到内核，创建设备节点。 - 实现请求处理：在请求处理函数中解析
request或bio，完成数据传输。
最小驱动骨架示例（blk-mq 模式）：
#include <linux/module.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/blk-mq.h>
static struct gendisk *my_disk;
static struct blk_mq_tag_set my_tag_set;
static blk_status_t my_queue_rq(struct blk_mq_hw_ctx *hctx,
const struct blk_mq_queue_data *bd)
{
struct request *rq = bd->rq;
struct bio *bio = rq->bio;
// 处理 bio 中的数据
blk_mq_end_request(rq, BLK_STS_OK);
return BLK_STS_OK;
}
static const struct blk_mq_ops my_mq_ops = {
.queue_rq = my_queue_rq,
};
static int __init my_init(void)
{
// 1. 初始化 tag_set
my_tag_set.ops = &my_mq_ops;
my_tag_set.nr_hw_queues = 1;
my_tag_set.queue_depth = 128;
blk_mq_alloc_tag_set(&my_tag_set);
// 2. 分配请求队列
struct request_queue *q = blk_mq_alloc_queue(&my_tag_set, NULL, NULL);
blk_queue_logical_block_size(q, 512);
// 3. 分配 gendisk
my_disk = alloc_disk(1); // 1 个分区
my_disk->major = 0; // 动态分配主设备号
my_disk->first_minor = 0;
my_disk->fops = &my_fops;
my_disk->queue = q;
sprintf(my_disk->disk_name, "myblk");
// 4. 注册设备
add_disk(my_disk);
return 0;
}
static void __exit my_exit(void)
{
del_gendisk(my_disk);
put_disk(my_disk);
blk_mq_free_tag_set(&my_tag_set);
}
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");