Linux块设备驱动开发
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2026-01-12
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嵌入式
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Linux 块设备驱动开发是操作系统内核编程中一个重要的领域,主要用于管理磁盘、SSD、U盘等块设备。块设备与字符设备不同,它以固定大小的数据块(通常为512字节或4KB)进行读写操作。 --- ## 一、Linux 块设备的基本概念 ### 1. 块设备(Block Device) - 以数据块(block)为单位进行读写。 - 例如:硬盘(hda, sda)、U盘、SD卡、RAM disk 等。 ### 2. 块设备驱动 - 负责与硬件交互,实现读写操作。 - 提供统一的接口给上层应用(如文件系统)使用。 --- ## 二、Linux 块设备驱动结构 Linux 内核中的块设备驱动主要涉及以下几个核心结构体和函数: ### 1. `struct block_device` 表示一个块设备实例,由 `blkdev_get()` 或 `open` 系统调用创建。 ### 2. `struct gendisk` 表示一个虚拟磁盘(如 `/dev/sda`),包含分区信息、设备号、操作函数等。 ### 3. `struct request_queue` 请求队列,用于管理 I/O 请求。 ### 4. `struct bio` I/O 请求的最小单元,表示一个数据块的读写操作。 ### 5. `struct request` 表示一个完整的 I/O 请求,可能包含多个 `bio`。 --- ## 三、块设备驱动开发流程 ### 1. 注册块设备 ```c int register_blkdev(unsigned int major, const char *name); ``` ### 2. 创建并初始化 `gendisk` ```c struct gendisk *alloc_disk(int minors); void add_disk(struct gendisk *disk); ``` ### 3. 定义 I/O 操作函数 ```c struct block_device_operations { int (*open)(struct block_device *, fmode_t); int (*release)(struct block_device *, fmode_t); int (*ioctl)(struct block_device *, fmode_t, unsigned int, unsigned long); int (*check_media_change)(struct block_device *); int (*revalidate)(struct block_device *); }; ``` ### 4. 实现 I/O 处理逻辑 通常通过 `request_queue` 和 `bio` 来处理读写请求。 --- ## 四、示例:简单块设备驱动 以下是一个非常基础的块设备驱动示例,模拟一个 RAM Disk(内存磁盘)。 ### 1. 驱动代码(简化版) ```c #include <linux/module.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/blkdev.h> #include <linux/genhd.h> #include <linux/kmalloc.h> #define DEVICE_NAME "ramdisk" #define RAMDISK_SIZE (1024 * 1024) // 1MB static struct gendisk *gd; static unsigned char *ramdisk; static int ramdisk_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode) { return 0; } static int ramdisk_release(struct block_device *bdev, fmode_t mode) { return 0; } static int ramdisk_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode, unsigned int cmd, unsigned long arg) { return -ENOTTY; } static struct block_device_operations ramdisk_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = ramdisk_open, .release = ramdisk_release, .ioctl = ramdisk_ioctl, }; static void ramdisk_request(struct request_queue *q) { struct request *req; while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) { if (req->cmd_type != REQ_TYPE_FS) continue; struct bio *bio; int i; for (bio = req->bio; bio; bio = bio->bi_next) { sector_t sector = bio->bi_sector; unsigned int len = bio->bi_size / 512; unsigned char *data = bio_data(bio); if (bio_data_dir(bio) == READ) { memcpy(data, ramdisk + sector * 512, len * 512); } else { memcpy(ramdisk + sector * 512, data, len * 512); } } __end_request(req, 1); // 成功完成 } } static int __init ramdisk_init(void) { int major = register_blkdev(0, DEVICE_NAME); if (major < 0) { printk(KERN_ERR "Failed to register ramdisk\n"); return major; } ramdisk = kmalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL); if (!ramdisk) { unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME); return -ENOMEM; } gd = alloc_disk(1); if (!gd) { kfree(ramdisk); unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME); return -ENOMEM; } gd->major = major; gd->first_minor = 0; gd->minors = 1; gd->fops = &ramdisk_fops; gd->private_data = ramdisk; strcpy(gd->disk_name, DEVICE_NAME); // 初始化请求队列 gd->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL); if (!gd->queue) { put_disk(gd); kfree(ramdisk); unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME); return -ENOMEM; } blk_queue_make_request(gd->queue, ramdisk_request); blk_queue_max_hw_sectors(gd->queue, RAMDISK_SIZE / 512); blk_queue_logical_block_size(gd->queue, 512); add_disk(gd); printk(KERN_INFO "RAM Disk initialized.\n"); return 0; } static void __exit ramdisk_exit(void) { del_gendisk(gd); put_disk(gd); blk_cleanup_queue(gd->queue); kfree(ramdisk); unregister_blkdev(gd->major, DEVICE_NAME); printk(KERN_INFO "RAM Disk removed.\n"); } module_init(ramdisk_init); module_exit(ramdisk_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Your Name"); MODULE_DESCRIPTION("Simple RAM Disk Block Device Driver"); ``` --- ## 五、编译与测试 ### 1. 编译模块 将上述代码保存为 `ramdisk.c`,然后编写 Makefile: ```makefile obj-m += ramdisk.o all: make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules clean: make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean ``` 运行: ```bash make sudo insmod ramdisk.ko ``` ### 2. 查看设备 ```bash fdisk -l | grep ramdisk ``` ### 3. 格式化与挂载 ```bash mkfs.ext4 /dev/ramdisk mount /dev/ramdisk /mnt ``` --- ## 六、常见问题与调试技巧 | 问题 | 解决方法 | |------|----------| | 设备无法识别 | 检查 `register_blkdev` 是否成功,是否注册了 `gendisk` | | 读写失败 | 检查 `request_queue` 和 `bio` 的处理逻辑 | | 内存泄漏 | 使用 `kfree` 释放分配的内存 | | 模块加载失败 | 检查 `Makefile` 和内核版本兼容性 | --- ## 七、进阶内容 - **DMA 支持**:使用 DMA 传输数据,提高性能。 - **异步 I/O**:使用 `submit_bio` 异步处理 I/O 请求。 - **多线程支持**:在驱动中使用工作队列或线程池处理请求。 - **设备树支持**:适用于嵌入式 Linux 平台。 - **块设备文件系统支持**:如 ext4、XFS 等。 --- ## 八、参考资料 - 《Linux设备驱动程序》(Linux Device Drivers, 3rd Edition) - Linux 内核源码:`include/linux/blkdev.h`, `drivers/block/` - [Linux Kernel Documentation](https://www.kernel.org/doc/html/latest/) --- 如果你有具体的开发需求(比如驱动特定硬件、实现某个功能等),欢迎继续提问!我可以帮你进一步分析和设计。
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