十天学Linux内核之第四天---如何处理输入输出操作

2022-12-07 08:30:17

　　真的是悲喜交加呀，本来这个寒假早上8点都去练车，两个小时之后再来实验室陪伴Linux内核，但是今天教练说没名额考试了，好纠结，不过想想就可以睡懒觉了，哈哈，自从大三寒假以来还没睡过懒觉呢，现在也有更多的时间来分享自己学习Linux内核的感受，前几天觉得就是自己也有些不懂的，相信大家看了也是很模糊，以后我会标志出来自己不懂的，希望大神们指教，也希望大家多多指点，共同攻克Linux内核，今天将讲到处理器是如何与其它设备进行交互的，内核又是如何响应和控制这些交互的，今天内容不多但是很关键，写的不好希望大家批评，纯手打。

　　Linux内核是如何将软硬件结合起来的呢？这里我们将一起探究内核与周围硬件主要是文件IO和硬件设备之间的关系，来解释这个问题。处理器与周围设备的通信依赖于一系列的电路电线，总线就是具有类似功能的电线，设备与处理器通信主要是通过地址总线，数据总线，控制总线来实现，这里在学习单片机原理的时候也提到过，这里对系统的基本结构就不多说了，觉得更新快，不好讲解，也没什么好总结的，大家看看相关书籍就行。了解到设备可以当做文件系统中的文件来处理，其细节都可隐藏在内核中，而对应用程序员透明，当进程对设备文件应用某一系统调用的时候，只要将这一系统调用转换成某种设备函数就足够了，其中设备驱动程序定义了这些函数，接下来看看这些设备类型。其中应用层，文件系统层，通用块设备层和设备驱动程序之间的关系如下图，这里贴出来供大家了解一下。读写块设备如下：

　　先介绍块设备，设备驱动在驱动程序初始化时为自己注册，将这个驱动程序加入内核的驱动程序表中，并将设备号映射到数据结构block_device_operations中，数据结构block_device_operations包含了系统中启动和停止给设定块设备的函数(在include/linux/fs.h上。

struct block_operations{

    int (*open) (struct inode *,struct file *);

    int (*release) (struct inode *,struct file*);　　//open()和release()都是同步的

    int (*ioctl) (struct node *,struct file *,unsigned, unsigned long);

    int (*media_changed) (struct gendisk *);

    int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);

    struct module *owner;

};

　　从处理器的角度来看，在适合的cidao4上定位磁头并将磁盘转到相应的块要花费相当长的时间，这种延迟迫使内核实现了系统请求队列，在Linux2.6中，每个块设备都有自己的请求队列，以便管理对该设备的IO口请求，进程只有在获得请求队列锁之后才能更新设备的请求队列，让我们先来看看request_queue结构(这些代码都是自己敲出来的，然后分析，分析不好的请各位大神批评改正。)这些代码都可以在include/linux/blkdev.h中查看。

struct request_queue

{

    struct list_head queue_head;　　//指向请求队列对首的指针

    struct request  *last_merge;　　//加到请求队列的最后一个请求

    elevator_t  elevator;　　　　　　//这个不懂，求大神指教

    struct request_list rq;　　　　　//由两个wait_queue组成，分别用于块设备读请求队列和写请求队列

...

    request_fn_proc *request_fn;

    merge_request_fn *back_merge_fn;

    merge_request_fn *front_merge_fn;

    merge_requests_fn *merge_requests_fn;

    make_request_fn *make_request_fn;

    prep_rq_fn *prep_rq_fn;

    unplug_fn *unplug_fn;

    merge_bvec_fn *merge_bvec_fn;

    activity_fn *activity_fn;　　　　　　//定义调度程序相关函数来控制如何管理块设备的请求

...

    struct time_list unplug_timer;

    int unplug_thresh;

    unsigned long  unplug_delay;

    struct work_struct unplug_work;

    struct backing_dev_info backing_dev_info;　　　　//用于去掉设备的IO调度函数

...

    void *queuedata;

    void *activity_data;　　//这些是对设备和设备驱动程序相关的队列进行管理

...

    unsigned long  bounce_pfn;

    int  bounce_gfp;　　　　//是指内核将高端内存缓存冲区的IO请求copy到低端内存缓冲区去

    unsigned long queue_flags;//变量queue_flags存储一个或者多个队列标志，参见下表格。

标志名称	功能
QUEUE_FLAG_CLUSTER	将介几个段合成一个
QUEUE_FLAG_QUEUED	使用通用标志队列
QUEUE_FLAG_STOPPED	队列被停止
QUEUE_FLAG_READFULL	读队列已经满了
QUEUE_FLAG_WRITEFULL	写队列已经满了
QUEUE_FLAG_DEAD	队列被撤销
QUEUE_FLAG_REENTER	避免重入
QUEUE_FLAG_PLUGGED	插入队列

spinlock_t *queue_lock;

struct kobject kobj;

unsigned long nr_requests;　　

unsigned int nr_congestion_on;

unsigned int nr_congestion_off;

unsigned short max_sectors;

unsigned short max_phys_segments;

unsigned short max_hw_segments;

unsigned short hardsect_size;

unsigned int max_segment_size;

unsigned long seg_boundary_mask;

unsigned long dma_alignment;

struct blk_queue_tag *queue_tags;

atomic_t refcnt;

unsigned int in_flight;

unsigned int sg_timeout;

unsigned int sg_reserved_size;　　//前面这些变量定义了请求队列中可管理的资源

};

　　Linux内核通过在设备的_init函数中调用下列函数来初始化块设备的请求队列，这些函数中，，可以看出请求对了内部的细节和相关帮助教程，在现在的Linux2.6内核中，每个块设备控制自己的锁，并且将自旋锁作为第二个参数来传递，其中第一个参数是块设备驱动程序提供的请求函数，下面的代码在drivers/block/11_rw_blk.c中查看得到。

request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn,spinlock_t *lock)

{

    request_queue_t *q;

    static int printed;

    q = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);　　//从内核的内存中分配空间队列，内容为0

    if(!q)

    return NULL;

    if(blk_init_free_list(q))　　//初始化请求清单

       goto out_init;　　　　//表示一直怕goto,懂但不会用

    if(!printed){

       printed = ;

       printk("Using %s io scheduler\n",chosen_elevator->elevator_name);

    }

    if(elevator_init(q,chosen_elevator))　　//这是个初始化的函数

       goto out_elv;

    q->request_fn = rfn;

    q->back_merge_fn = 11_back_merge_fn;

    q->front_merge_fn = 11_front_merge_fn;

    q->merge_requests_fn = 11_merge_requests_fn;

    q->prep_rq_fn = NULL;

    q->unplug_fn = generic_unplug_device;

    q->queue_flags = (<<QUEUE_FLAG_CLUSTER);

    q->queue_lock = lock;　　　　//上述赋值是将电梯调度程序相关的函数与该队列关联

    blk_queue_segment_boundary(q,0xffffffff);　　//检查是否满足最小尺寸

    blk_queue_make_request(q,__make_request)　　//设置驱动从队列删除

    blk_queue_max_segment_size(q,MAX_SEGMENT_SIZE);　　//初始化归并段的上限

    blk_queue_max_hw_segments(q,MAX_HW_SEGMENTS);　　//初始化物理设备可以处理的最大段数

    blk_queue_max_phys_segments(q,MAX_PHYS_SEGMENTS);　　初始化每一请求的最大物理数目段

    return q;　　//返回已经初始化的队列

    out_elv:

    blk_cleanup_queue(q);

    out_init:

    kmem_cache_free(requestq_cachep,q);

    return NULL;　　//错误事件中清除内存的一个例程

}

　　代码实在太难，我知道的也只是皮毛，那些都需要好好体会，如若有补充的希望各路大神能够多加改正我的缺点，现在来看看设备操作，基本的通用块设备有open，close，ioctl以及request函数，请求队列不能直接被访问，但是可以通过一组帮助例程来访问，如下：

struct request *elv_next_request(request_queue_t *q)

这个帮助函数返回并指向下一个请求结构的指针，驱动程序可以通过查看该元素来收集所有信息，以确定它的的大小方向以及该请求相关的任何其他自定义操作，之后通过end_request()想内核报告这一信息：

void end_request(struct request *req,int uptodate)　　//在请求队列中传递elev_next_request()获得的参数

{

    if(!end_that_request_first(req,uptpdate,req->hrad_cur_sectors))　　//传输适合的扇区数

    {

        add_disk_randomness(req->rq_disk);　　//加入系统熵池，表示不懂，求大神指教，

        blkdev_dequeue_request(req);　　//删除请求结构

        end_that_request_last(req);　　//收集统计信息并且释放可用的数据结构

    }

}

　　下面来介绍一下其它各种设备，与块设备不同，字符设备用来传送数据流，所有串行设备都是字符设备，与字符设备类似，网络设备的数据在物理层上串行传输，而时钟设备是基于硬件脉搏跳动的设备，其实就是时钟相关的，还有那终端设备，这里就稍微提及一下。因为这些都和输入输出相关，大家只要有个印象就行了。

　　小结

　　结束了分析代码之旅，小结一下今天主要的内容，今天主要分享的是Linux内核是如何处理输入输出操作的，具体讨论了Linux是如何表示块设备和它的接口的，也介绍了Linux调度程序并且重点分析了请求队列，上述敲的代码，我也还有好多不懂，只能自己慢慢去体会了，希望各路大神看了之后能够稍加提醒一下，哎，反正这个寒假没啥事了，就一直和内核作伴吧，这些写的不好，以后继续努力，fighting~

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