【驱动】块设备驱动(一)-驱动框架

块设备的定义

块设备是针对存储设备的，比如 SD 卡、EMMC、NAND Flash、Nor Flash、SPI Flash、机械硬盘、固态硬盘等。因此块设备驱动其实就是这些存储设备驱动，块设备驱动相比字符设备相比，块设备有以下几个特殊之处：

块设备可以从数据的任何位置进行访问
块数据总是以固定长度进行传输，即便请求的这是一个字节
对块设备的访问有大量的缓存。当进行读时，如果已经缓存了，就直接使用缓存中的数据，而不再读设备，对于写也通过缓存来进行延迟处理。

块设备读写是按块(所以叫块设备)进行的，使用缓冲区来存放暂时的数据，待条件成熟后，从缓存一次性写入设备或者从设备一次性读到缓冲区。作为存储设备，块设备驱动的核心问题就是哪些page->segment->block->sector与哪些sector有数据交互，下图是Linux内核中块设备的驱动模型。

块设备驱动框架

虚拟文件系统

虚拟文件系统（VFS）隐藏了各种硬件的具体细节，为用户操作不同的硬件提供了一个统一的接口。其基于不同的文件系统格式，比如EXT，FAT等。用户程序对设备的操作都通过VFS来完成，在VFS上面就是诸如open、close、write和read的函数API。

映射层

映射层（mapping layer）：这一层主要用于确定文件系统的block size，然后计算所请求的数据包含多少个block。同时调用具体文件系统函数来访问文件的inode，确定所请求的数据在磁盘上面的逻辑地址。

通用块层

通用块层是 Linux 内核中的中间层，位于块设备驱动层和文件系统层之间。通用块层负责维持一个I/O请求在上层文件系统与底层物理磁盘之间的关系。在通用块层中，通常用一个bio结构体来对应一个I/O请求。通用块层隐藏了底层硬件的细节，使上层的软件可以独立于具体的硬件实现。它还负责管理块设备的缓存、缓冲区和数据传输，以提高性能。

IO调度层

IO调度层是通用块层的一部分，它负责决定块设备上的IO请求的执行顺序。当多个IO请求同时到达块设备时，IO调度层使用调度算法来决定哪个IO请求应该首先执行。调度算法的目标是优化系统的性能和响应速度。常见的IO调度算法包括：

CFQ（完全公平队列）：根据进程的IO请求历史和权重来调度IO请求。它试图公平地分配磁盘带宽给不同的进程。
Deadline（截止时间）：使用截止时间来调度IO请求。它将IO请求分为读取和写入，并尽量在截止时间之前完成IO请求。
NOOP（无操作）：简单地将IO请求按照先到先服务的方式进行调度，不做任何优化。

块设备驱动层

在Linux中，驱动对块设备的输入或输出(I/O)操作，都会向块设备发出一个请求，在驱动中用request结构体描述。但对于一些磁盘设备而言请求的速度很慢，这时候内核就提供一种队列的机制把这些I/O请求添加到队列中（即：请求队列），在驱动中用request_queue结构体描述。在向块设备提交这些请求前内核会先执行请求的合并和排序预操作，以提高访问的效率，然后再由内核中的I/O调度程序子系统来负责提交 I/O 请求，调度程序将磁盘资源分配给系统中所有挂起的块 I/O 请求，其工作是管理块设备的请求队列，决定队列中的请求的排列顺序以及什么时候派发请求到设备。

页、段、块、扇区关系

扇区(Sectors)：任何块设备硬件对数据处理的基本单位。通常，1个扇区的大小为512byte。（对设备而言）
块 (Blocks)：由Linux制定对内核或文件系统等数据处理的基本单位。通常，1个块由1个或多个扇区组成。（对Linux操作系统而言）
段(Segments)：是一个内存页或内存页的一部分，它包含磁盘上物理相邻的几个数据块的内容，是块驱动的传送单位，大小不定（取决于通用块层，因为它把传送的数据下发给块驱动，而通用块还可以把几个段合并成物理段、硬件段（专门总线电路）；同时也取决于用户所访问的大小。注意这里所指的段与内存中的段也有些联系，因为内存的段可能是一个对象/变量的大小；而用户程序也可能以变量/对象作为单位来访问设备。
页（page）：在这里仅仅是把4096B的连续数据称为一个页。也可以指内存的数据组织单位（有些体系还在使用段，但是多数已经将段屏蔽了，即内部使用，而外部“看不见”），大小通常为4096B。但内存本身的访问/传送单位并不是页，这是取决于内存的编址方法，现在内存通常是按字节编址的，而甚至部分可以按位编址，所以内存的访问单位可以更小。
页、段、块、扇区之间的关系图如下：