13. 块设备驱动程序 2010-02-28 20:14 257人阅读 评论(0) 收藏

        块设备特点：CPU读写时间远小于硬件时间。Linux块设备处理程序很复杂，此处大略介绍软件体系。对磁盘的I/O操作就是在磁盘与RAM单元之间传送相邻扇区内容，最下层是硬盘控制器。磁盘的物理结构对它透明，这只知道磁盘由一个个连续的扇区组成。扇区是每次它读写的单位，一般512字节。读时转换为（扇区号，长度）。最上层是VFS，它确定是否磁盘高速缓存可用，若不可用，则要I/O，这时会由VFS下层的真实文件系统确定数据的“物理位置”（文件系统中）。文件系统以“块”为最小存储单位，一个文件可视为多个块组成。Linux中块的大小为2的幂。是扇区大小的倍数且不能大于一个页框。块是从硬件最终读出的数据的组织形式，它存放在内存的块缓冲区供使用。缓冲区有个“缓冲区首部”buffer_head类型的描述符，它用来找到块缓冲区页框的位置。块设备驱动程序在磁盘控制器上层，它通过DMA传数据。DMA虽然可以通过磁盘控制器传不相邻扇区，但磁头移动慢，效率低，所以一般直接读相邻扇区。老式控制器只支持简单的DMA，它要求与RAM中连续的内存单元传。新的可以与不连续的RAM传，只要将每个区的描述符用链表串起即可，每一连续的区叫段，它由一页或页内一部分组成。设备驱动程序只认扇区与段，相邻段的页框正好连续，那么可以合并成更大的段（在通用块层中完成）。磁盘文件系统下面即为通用块层，此层联系上面的文件系统与下面的相应层，所以它了解扇区、块、段、页，它最重要的功能是对文件系统定位出的I/O要用的块进行I/O。一次I/O请求在文件系统处定位后可能不在相邻块，此时，通用块层针对每个相邻块I/O请求分别启动I/O，每次I/O由bio结构的数据结构描述。Bio本身在通用块层启动I/O时由slab分配器分配并初始化。磁盘本身由gendisk对象表示，其中hd_struct提出了其分区。块设备处理的关键是尽可能将可合并的扇区I/O合并在一起，由驱动程序一次完成以减少磁头移动，所以采取人为延迟I/O操作的方法。引入I/O调度程序，通用块层在最后会调用它。通用块层的I/O操作bio按相邻的请求归类，扩展已有请求。请求对应request结构，它以双向链表组织成请求队列request_queue。I/O调试程序将通用块层传来的bio或加入链表、或扩展已有的request元素。这个请求队列由通用块层创建、由I/O调试程序管理、被设备驱动程序使用。请求队列默认有128个读写上限，当大于113时，内核为避免拥塞会试图降低请求创建速率。当I/O调度程序往请求链表中加请求时，它会通过扇区将链表排序，这是电梯算法。负载严重时，不好。Linux2.6中提供4种不同的I/O调度程序（电梯算法）。Noop算法不排序直接搞；CFQ算法按进程组织队列，依次调度以求公平；“最后期限”算法本质上是加了超时定时器的电梯；“预期”算法是Linux提供的最后期限算法的演变，较复杂。设备驱动程序最后调用“策略例程”，对I/O调度程序整理过的请求队列逐个服务，服务后的删除。它没有实现为一个专门内核线程，而是做完后就终止，中断时再启用。

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