I.MX6ULL ARM驱动开发---块设备驱动

引言

  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。
块设备只能以块为单位进行读写访问，块是 linux 虚拟文件系统(VFS)基本的数据传输单位。字符设备是以字节为单位进行数据传输的，不需要缓冲。

  块设备在结构上是可以进行随机访问的，对于这些设备的读写都是按块进行的，块设备使用缓冲区来暂时存放数据，等到条件成熟以后在一次性将缓冲区中的数据写入块设备中。

  字符设备是顺序的数据流设备，字符设备是按照字节进行读写访问的。字符设备不需要缓冲区，对于字符设备的访问都是实时的，而且也不需要按照固定的块大小进行访问。

  块设备结构的不同其 I/O 算法也会不同，比如对于 EMMC、SD 卡、NAND Flash 这类没有任何机械设备的存储设备就可以任意读写任何的扇区(块设备物理存储单元)。但是对于机械硬盘这样带有磁头的设备，读取不同的盘面或者磁道里面的数据，磁头都需要进行移动，因此对于机械硬盘而言，将那些杂乱的访问按照一定的顺序进行排列可以有效提高磁盘性能，linux 里面针对不同的存储设备实现了不同的 I/O 调度算法。

一、块设备驱动框架

1、block_device 结构体

linux 内核使用block_device表示块设备，block_device为一个结构体，定义在include/linux/fs.h 文件中，结构体内容如下：

struct block_device { 
	dev_t bd_dev; /* not a kdev_t - it's a search key */
	int bd_openers; 
	struct inode *bd_inode; /* will die */
	struct super_block *bd_super; 
	struct mutex bd_mutex; /* open/close mutex */
	struct list_head bd_inodes; 
	void * bd_claiming; 
	void * bd_holder;
	int bd_holders;
	bool bd_write_holder;
	#ifdef CONFIG_SYSFS
		struct list_head bd_holder_disks;
	#endif
	struct block_device *bd_contains;
	unsigned bd_block_size;
	struct hd_struct *bd_part;
	/*number of times partitions within this device have been opened.*/
	unsigned bd_part_count;
	int bd_invalidated;
	struct gendisk *bd_disk;
	struct request_queue *bd_queue;
	struct list_head bd_list;
	/*
	* Private data. You must have bd_claim'ed the block_device
	* to use this. NOTE: bd_claim allows an owner to claim
	* the same device multiple times, the owner must take special
	* care to not mess up bd_private for that case.
	*/
	unsigned long bd_private;

	/* The counter of freeze processes */
	int bd_fsfreeze_count;
	/* Mutex for freeze */
	struct mutex bd_fsfreeze_mutex;
};

block_device结构体中的bd_disk成员变量为gendisk结构体指针类型。内核使用 block_device 来表示一个具体的块设备对象，比如一个硬盘或者分区，如果是硬盘的话 bd_disk 就指向通用磁盘结构 gendisk。

（1）注册块设备

和字符设备驱动一样，我们需要向内核注册新的块设备、申请设备号，块设备注册函数为register_blkdev，函数原型如下：

int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)

函数参数和返回值含义如下：
  major：主设备号。
  name：块设备名字。
  返回值：如果参数 major 在 1-255 之间的话表示自定义主设备号，那么返回 0 表示注册成功，如果返回负值的话表示注册失败。如果 major 为 0 的话表示由系统自动分配主设备号，那么返回值就是系统分配的主设备号(1-255)，如果返回负值那就表示注册失败。

（2）注销块设备

和字符设备驱动一样，如果不使用某个块设备了，那么就需要注销掉，函数为unregister_blkdev，函数原型如下：

void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name)

函数参数和返回值含义如下：
  major：要注销的块设备主设备号。
  name：要注销的块设备名字。
  返回值：无。

2、gendisk 结构体

linux 内核使用 gendisk 来描述一个磁盘设备，这是一个结构体，定义在include/linux/genhd.h 中，内容如下：

struct gendisk{  
	/* major, first_minor and minors are input parameters only,
	* don't use directly. Use disk_devt() and disk_max_parts().
	*/
	int major; /* major number of driver */
	int first_minor;  int minors; /* maximum number of minors, = for
	* disks that can't be partitioned. */

	char disk_name[DISK_NAME_LEN]; /* name of major driver */
	char *(*devnode)(struct gendisk *gd, umode_t *mode);

	unsigned int events; /* supported events */
	unsigned int async_events; /* async events, subset of all */

	/* Array of pointers to partitions indexed by partno.
	* Protected with matching bdev lock but stat and other
	* non-critical accesses use RCU. Always access through
	* helpers.
	*/
	struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;
	struct hd_struct part;

	const struct block_device_operations *fops;
	struct request_queue *queue;
	void *private_data;

	int flags;
	struct device *driverfs_dev; // FIXME: remove
	struct kobject *slave_dir;

	struct timer_rand_state *random;
	atomic_t sync_io; /* RAID */
	struct disk_events *ev;
	#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY
		struct blk_integrity *integrity;
	#endif
	int node_id;
};

major 为磁盘设备的主设备号。

first_minor 为磁盘的第一个次设备号。

minors 为磁盘的次设备号数量，也就是磁盘的分区数量，这些分区的主设备号一样，次设备号不同。

part_tbl 为磁盘对应的分区表，为结构体 disk_part_tbl 类型，disk_part_tbl 的核心是一个 hd_struct 结构体指针数组，此数组每一项都对应一个分区信息。

fops 为块设备操作集，为 block_device_operations 结构体类型。和字符设备操作集 file_operations 一样，是块设备驱动中的重点！

queue 为磁盘对应的请求队列，所以针对该磁盘设备的请求都放到此队列中，驱动程序需要处理此队列中的所有请求。

（1）申请 gendisk

使用 gendisk 之前要先申请，allo_disk 函数用于申请一个 gendisk，函数原型如下：

struct gendisk *alloc_disk(int minors)

函数参数和返回值含义如下：
  minors：次设备号数量，也就是 gendisk 对应的分区数量。
  返回值：成功：返回申请到的 gendisk，失败：NULL。

（2）删除 gendisk

如果要删除 gendisk 的话可以使用函数 del_gendisk，函数原型如下：

void del_gendisk(struct gendisk *gp)

函数参数和返回值含义如下：
  gp：要删除的 gendisk。
  返回值：无。

（3）将 gendisk 添加到内核

使用 alloc_disk 申请到 gendisk 以后系统还不能使用，必须使用 add_disk 函数将申请到的gendisk 添加到内核中，add_disk 函数原型如下：

void add_disk(struct gendisk *disk)

函数参数和返回值含义如下：
  disk：要添加到内核的 gendisk。
  返回值：无。

（4）设置 gendisk 容量

每一个磁盘都有容量，所以在初始化 gendisk 的时候也需要设置其容量，使用函数set_capacity，函数原型如下：

void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size)

函数参数和返回值含义如下：
  disk：要设置容量的 gendisk。
  size：磁盘容量大小，注意这里是扇区数量。块设备中最小的可寻址单元是扇区，一个扇区一般是 512 字节，有些设备的物理扇区可能不是 512 字节。不管物理扇区是多少，内核和块设备驱动之间的扇区都是 512 字节。所以 set_capacity 函数设置的大小就是块设备实际容量除以512 字节得到的扇区数量。比如一个 2MB 的磁盘，其扇区数量就是(210241024)/512=4096。
  返回值：无。

（5）调整 gendisk 引用计数

  内核会通过 get_disk 和 put_disk 这两个函数来调整 gendisk 的引用计数，根据名字就可以知道，get_disk 是增加 gendisk 的引用计数，put_disk 是减少 gendisk 的引用计数，这两个函数原型如下所示：

truct kobject *get_disk(struct gendisk *disk)
void put_disk(struct gendisk *disk)

3、block_device_operations 结构体

和字符设备的 file _operations 一样，块设备也有操作集，为结构体 block_device_operations，此结构体定义在 include/linux/blkdev.h 中，结构体内容如下：

struct block_device_operations {  
	int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
	void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
	int (*rw_page)(struct block_device *, sector_t, struct page *,
	int rw);
	int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned,
	unsigned long);
	int (*compat_ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned,
	unsigned long);
	long (*direct_access)(struct block_device *, sector_t,  void **, unsigned long *pfn, long size);
	unsigned int (*check_events) (struct gendisk *disk,
	unsigned int clearing);
	/* ->media_changed() is DEPRECATED, use ->check_events() instead */
	int (*media_changed) (struct gendisk *);
	void (*unlock_native_capacity) (struct gendisk *);
	int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
	int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
	/* this callback is with swap_lock and sometimes page table lock 
	held */
	void (*swap_slot_free_notify) (struct block_device *,
	unsigned long);
	struct module *owner;
};

  block_device_operations 结构体里面的操作集函数和字符设备的 file_operations操作集基本类似，但是块设备的操作集函数比较少，我们来看一下其中比较重要的几个成员函数：

open 函数用于打开指定的块设备。

release 函数用于关闭(释放)指定的块设备。

rw_page 函数用于读写指定的页。

ioctl 函数用于块设备的 I/O 控制。

compat_ioctl 函数和 ioctl 函数一样，都是用于块设备的 I/O 控制。区别在于在 64位系统上，32 位应用程序的 ioctl 会调用 compat_iotl 函数。在 32 位系统上运行的 32 位应用程序调用的就是 ioctl 函数。

getgeo 函数用于获取磁盘信息，包括磁头、柱面和扇区等信息。

owner 表示此结构体属于哪个模块，一般直接设置为 THIS_MODULE。

二、块设备 I/O 请求过程

  然而，block_device_operations 结构体中并没有找到 read 和 write 这样的读写函数，那么块设备是怎么从物理块设备中读写数据？这里就引出了块设备驱动中非常重要的 request_queue、request 和 bio。

1、请求队列 request_queue

  内核将对块设备的读写都发送到请求队列 request_queue 中，request_queue 中是大量的request(请求结构体)，而 request 又包含了 bio，bio 保存了读写相关数据，比如从块设备的哪个地址开始读取、读取的数据长度，读取到哪里，如果是写的话还包括要写入的数据等。

  request_queue是一个结构体，定义在文件 include/linux/blkdev.h 中，由于request_queue 结构体比较长，这里就不列出来了。在编写块设备驱动的时候，每个磁盘(gendisk)都要分配一个 request_queue。

（1）初始化请求队列

  我们首先需要申请并初始化一个 request_queue，然后在初始化 gendisk 的时候将这个request_queue 地址赋值给 gendisk 的 queue 成员变量。使用 blk_init_queue 函数来完成request_queue 的申请与初始化，函数原型如下：

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

函数参数和返回值含义如下：
  rfn：请求处理函数指针，每个 request_queue 都要有一个请求处理函数，请求处理函数request_fn_proc 原型如下：

void (request_fn_proc) (struct request_queue *q)

  请求处理函数需要驱动编写人员自行实现。
  lock：自旋锁指针，需要驱动编写人员定义一个自旋锁，然后传递进来。，请求队列会使用这个自旋锁。
  返回值：如果为 NULL 的话表示失败，成功的话就返回申请到的 request_queue 地址。

（2）删除请求队列

  当卸载块设备驱动的时候我们还需要删除掉前面申请到的 request_queue，删除请求队列使用函数 blk_cleanup_queue，函数原型如下：

void blk_cleanup_queue(struct request_queue *q)

函数参数和返回值含义如下：
  q：需要删除的请求队列。
  返回值：无。

（3）分配请求队列并绑定制造请求函数

  blk_init_queue 函数完成了请求队列的申请已经请求处理函数的绑定，这个一般用于像机械硬盘这样的存储设备，需要 I/O 调度器来优化数据读写过程。

  但是对于 EMMC、SD 卡这样的非机械设备，可以进行完全随机访问，所以就不需要复杂的 I/O 调度器了。对于非机械设备我们可以先申请 request_queue，然后将申请到的 request_queue 与“制造请求”函数绑定在一起。
先来看一下 request_queue 申请函数 blk_alloc_queue，函数原型如下：

struct request_queue *blk_alloc_queue(gfp_t gfp_mask)

函数参数和返回值含义如下：
  gfp_mask：内存分配掩码，具体可选择的掩码值请参考 include/linux/gfp.h 中的相关宏定义，一般为 GFP_KERNEL。
  返回值：申请到的无 I/O 调度的 request_queue。

  我们需要为 blk_alloc_queue 函数申请到的请求队列绑定一个“制造请求”函数。这里我们需要用到函数blk_queue_make_request，函数原型如下：

void blk_queue_make_request(struct request_queue *q, make_request_fn *mfn)

函数参数和返回值含义如下：
  q：需要绑定的请求队列，也就是 blk_alloc_queue 申请到的请求队列。
  mfn：需要绑定的“制造”请求函数，函数原型如下：

void (make_request_fn) (struct request_queue *q, struct bio *bio)

  “制造请求”函数需要驱动编写人员实现。
  返回值：无。

  一般 blk_alloc_queue 和 blk_queue_make_request 是搭配在一起使用的，用于那么非机械的存储设备、无需 I/O 调度器，比如 EMMC、SD 卡等。blk_init_queue 函数会给请求队列分配一个 I/O 调度器，用于机械存储设备，比如机械硬盘等。

2、请求 request

  请求队列(request_queue)里面包含的就是一系列的请求(request)，request 是一个结构体，定义在 include/linux/blkdev.h 里面。request 里面有一个名为“bio”的成员变量，类型为 bio 结构体指针。真正的数据就保存在 bio 里面，所以我们需要从 request_queue 中取出一个一个的 request，然后再从每个 request 里面取出 bio，最后根据 bio 的描述讲数据写入到块设备，或者从块设备中读取数据。

（1）获取请求

  我们需要从request_queue中依次获取每个request，使用blk_peek_request函数完成此操作，函数原型如下：

request *blk_peek_request(struct request_queue *q)

函数参数和返回值含义如下：
  q：指定 request_queue。
  返回值：request_queue 中下一个要处理的请求(request)，如果没有要处理的请求就返回NULL。

（2）开启请求

  使用 blk_peek_request 函数获取到下一个要处理的请求以后就要开始处理这个请求，这里要用到 blk_start_request 函数，函数原型如下：

void blk_start_request(struct request *req)

函数参数和返回值含义如下：
  req：要开始处理的请求。
  返回值：无。

（3）一步到位处理请求

  我们也可以使用 blk_fetch_request 函数来一次性完成请求的获取和开启，blk_fetch_request函数很简单，内容如下：

struct request *blk_fetch_request(struct request_queue *q) 
{ 
	struct request *rq; 
	rq = blk_peek_request(q);
	if (rq) 
		blk_start_request(rq);
	return rq; 
}

  可以看出，blk_fetch_request 就是直接调用了 blk_peek_request 和 blk_start_request 这两个函数。

（4）其他和请求有关的函数

3、bio 结构

  每个 request 里面里面会有多个 bio，bio 保存着最终要读写的数据、地址等信息。上层应用程序对于块设备的读写会被构造成一个或多个 bio 结构，bio 结构描述了要读写的起始扇区、要读写的扇区数量、是读取还是写入、页偏移、数据长度等等信息。

  上层会将 bio 提交给 I/O 调度器，I/O 调度器会将这些 bio 构造成 request 结构，而一个物理存储设备对应一个 request_queue，request_queue 里面顺序存放着一系列的 request。新产生的 bio 可能被合并到 request_queue 里现有的 request 中，也可能产生新的 request，然后插入到 request_queue 中合适的位置，这一切都是由 I/O 调度器来完成的。
request_queue、request 和 bio 之间的关系如下图所示：

  bio 是个结构体，定义在 include/linux/blk_types.h 中，结构体内容如下：

struct bio {  
	struct bio *bi_next; /* 请求队列的下一个 bio */
	struct block_device *bi_bdev; /* 指向块设备 */
	unsigned long bi_flags; /* bio 状态等信息 */
	unsigned long bi_rw; /* I/O 操作,读或写 */
	struct bvec_iter bi_iter; /* I/O 操作,读或写 */
	unsigned int bi_phys_segments;  unsigned int bi_seg_front_size;  unsigned int bi_seg_back_size;
	atomic_t bi_remaining;
	bio_end_io_t *bi_end_io;
	void *bi_private;
	#ifdef CONFIG_BLK_CGROUP
		/*
		* Optional ioc and css associated with this bio. Put on bio
		* release. Read comment on top of bio_associate_current().
		*/
		struct io_context *bi_ioc;
		struct cgroup_subsys_state *bi_css;
	#endif
	union {
	#if defined(CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY)
		struct bio_integrity_payload *bi_integrity;
	#endif
	};

	unsigned short bi_vcnt; /* bio_vec 列表中元素数量 */
	unsigned short bi_max_vecs; /* bio_vec 列表长度 */
	atomic_t bi_cnt; /* pin count */
	struct bio_vec *bi_io_vec; /* bio_vec 列表 */
	struct bio_set *bi_pool;
	struct bio_vec bi_inline_vecs[];
};

  bvec_iter 结构体描述了要操作的设备扇区等信息，结构体内容如下：

struct bvec_iter {  
	sector_t bi_sector; /* I/O 请求的设备起始扇区(字节) */
	unsigned int bi_size; /* 剩余的 I/O 数量 */
	unsigned int bi_idx; /* blv_vec 中当前索引 */
	unsigned int bi_bvec_done; /* 当前 bvec 中已经处理完成的字节数 */
};

  bio_vec 结构体描述了内容如下：

struct bio_vec {  
	struct page *bv_page; /* 页 */
	unsigned int bv_len; /* 长度 */
	unsigned int bv_offset; /* 偏移 */
};

  可以看出 bio_vec 就是“page,offset,len”组合，page 指定了所在的物理页，offset 表示所处页的偏移地址，len 就是数据长度。

  我们对于物理存储设备的操作不外乎就是将 RAM 中的数据写入到物理存储设备中，或者将物理设备中的数据读取到 RAM 中去处理。数据传输三个要求：数据源、数据长度以及数据目的地，也就是你要从物理存储设备的哪个地址开始读取、读取到 RAM 中的哪个地址处、读取的数据长度是多少。

  既然 bio 是块设备最小的数据传输单元，那么 bio 就有必要描述清楚这些信息，其中 bi_iter 这个结构体成员变量就用于描述物理存储设备地址信息，比如要操作的扇区地址。bi_io_vec 指向 bio_vec 数组首地址，bio_vec 数组就是 RAM 信息，比如页地址、页偏移以及长度，“页地址”是 linux 内核里面内存管理相关的概念，这里我们不深究 linux 内存管理，我们只需要知道对于 RAM 的操作最终会转换为页相关操作。

  bio、bvec_iter 以及 bio_vec 这三个机构体之间的关系如下图所示：

（1）遍历请求中的 bio

  前面说了，请求中包含有大量的 bio，因此就涉及到遍历请求中所有 bio 并进行处理。遍历请求中的 bio 使用函数__rq_for_each_bio，这是一个宏，内容如下：

#define __rq_for_each_bio(_bio, rq) \
 if ((rq->bio)) \
 		for (_bio = (rq)->bio; _bio; _bio = _bio->bi_next)

  _bio 就是遍历出来的每个 bio，rq 是要进行遍历操作的请求，_bio 参数为 bio 结构体指针类型，rq 参数为 request 结构体指针类型。

（2）遍历 bio 中的所有段

  bio 包含了最终要操作的数据，因此还需要遍历 bio 中的所有段，这里要用到bio_for_each_segment 函数，此函数也是一个宏，内容如下：

#define bio_for_each_segment(bvl, bio, iter) \
 		__bio_for_each_segment(bvl, bio, iter, (bio)->bi_iter)

  第一个 bvl 参数就是遍历出来的每个 bio_vec，第二个 bio 参数就是要遍历的 bio，类型为bio 结构体指针，第三个 iter 参数保存要遍历的 bio 中 bi_iter 成员变量。

（3）通知 bio 处理结束

  如果使用“制造请求”，也就是抛开 I/O 调度器直接处理 bio 的话，在 bio 处理完成以后要通过内核 bio 处理完成，使用 bio_endio 函数，函数原型如下：

bvoid bio_endio(struct bio *bio, int error)

函数参数和返回值含义如下：
  bio：要结束的 bio。
  error：如果 bio 处理成功的话就直接填 0，如果失败的话就填个负值，比如-EIO。
  返回值：无

三、程序编写

1、驱动程序编写

（1）使用请求队列实验

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define RAMDISK_SIZE	(2 * 1024 * 1024) 	/* 容量大小为2MB */
#define RAMDISK_NAME	"ramdisk"			/* 名字 */
#define RADMISK_MINOR	3					/* 表示有三个磁盘分区！不是次设备号为3！ */

/* ramdisk设备结构体 */
struct ramdisk_dev{
	int major;					/* 主设备号 */
	unsigned char *ramdiskbuf;	/* ramdisk内存空间,用于模拟块设备 */
	spinlock_t lock;			/* 自旋锁 */
	struct gendisk *gendisk; 	/* gendisk */
	struct request_queue *queue;/* 请求队列 */

};

struct ramdisk_dev ramdisk;		/* ramdisk设备 */

/*
 * @description		: 打开块设备
 * @param - dev 	: 块设备
 * @param - mode 	: 打开模式
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int ramdisk_open(struct block_device *dev, fmode_t mode)
{
	printk("ramdisk open\r\n");
	return 0;
}

/*
 * @description		: 释放块设备
 * @param - disk 	: gendisk
 * @param - mode 	: 模式
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
{
	printk("ramdisk release\r\n");
}

/*
 * @description		: 获取磁盘信息
 * @param - dev 	: 块设备
 * @param - geo 	: 模式
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev, struct hd_geometry *geo)
{
	/* 这是相对于机械硬盘的概念 */
	geo->heads = 2;			/* 磁头 */
	geo->cylinders = 32;	/* 柱面 */
	geo->sectors = RAMDISK_SIZE / (2 * 32 *512); /* 一个磁道上的扇区数量 */
	return 0;
}

/* 
 * 块设备操作函数 
 */
static struct block_device_operations ramdisk_fops =
{
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open	 = ramdisk_open,
	.release = ramdisk_release,
	.getgeo  = ramdisk_getgeo,
};

/*
 * @description	: 处理传输过程
 * @param-req 	: 请求
 * @return 		: 无
 */
static void ramdisk_transfer(struct request *req)
{	
	unsigned long start = blk_rq_pos(req) << 9;  	/* blk_rq_pos获取到的是扇区地址，左移9位转换为字节地址 */
	unsigned long len  = blk_rq_cur_bytes(req);		/* 大小   */

	/* bio中的数据缓冲区
	 * 读：从磁盘读取到的数据存放到buffer中
	 * 写：buffer保存这要写入磁盘的数据
	 */
	void *buffer = bio_data(req->bio);		
	
	if(rq_data_dir(req) == READ) 		/* 读数据 */	
		memcpy(buffer, ramdisk.ramdiskbuf + start, len);
	else if(rq_data_dir(req) == WRITE) 	/* 写数据 */
		memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + start, buffer, len);

}

/*
 * @description	: 请求处理函数
 * @param-q 	: 请求队列
 * @return 		: 无
 */
void ramdisk_request_fn(struct request_queue *q)
{
	int err = 0;
	struct request *req;

	/* 循环处理请求队列中的每个请求 */
	req = blk_fetch_request(q);
	while(req != NULL) {

		/* 针对请求做具体的传输处理 */
		ramdisk_transfer(req);

		/* 判断是否为最后一个请求，如果不是的话就获取下一个请求
		 * 循环处理完请求队列中的所有请求。
		 */
		if (!__blk_end_request_cur(req, err))
			req = blk_fetch_request(q);
	}
}


/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init ramdisk_init(void)
{
	int ret = 0;
	printk("ramdisk init\r\n");

	/* 1、申请用于ramdisk内存 */
	ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL);
	if(ramdisk.ramdiskbuf == NULL) {
		ret = -EINVAL;
		goto ram_fail;
	}

	/* 2、初始化自旋锁 */
	spin_lock_init(&ramdisk.lock);

	/* 3、注册块设备 */
	ramdisk.major = register_blkdev(0, RAMDISK_NAME); /* 由系统自动分配主设备号 */
	if(ramdisk.major < 0) {
		goto register_blkdev_fail;
	}  
	printk("ramdisk major = %d\r\n", ramdisk.major);

	/* 4、分配并初始化gendisk */
	ramdisk.gendisk = alloc_disk(RADMISK_MINOR);
	if(!ramdisk.gendisk) {
		ret = -EINVAL;
		goto gendisk_alloc_fail;
	}

	/* 5、分配并初始化请求队列 */
	ramdisk.queue = blk_init_queue(ramdisk_request_fn, &ramdisk.lock);
	if(!ramdisk.queue) {
		ret = EINVAL;
		goto blk_init_fail;
	}

	/* 6、添加(注册)disk */
	ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major;		/* 主设备号 */
	ramdisk.gendisk->first_minor = 0;			/* 第一个次设备号(起始次设备号) */
	ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops; 		/* 操作函数 */
	ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk;	/* 私有数据 */
	ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue;		/* 请求队列 */
	sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, RAMDISK_NAME); /* 名字 */
	set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE/512);	/* 设备容量(单位为扇区) */
	add_disk(ramdisk.gendisk);

	return 0;

blk_init_fail:
	put_disk(ramdisk.gendisk);
	//del_gendisk(ramdisk.gendisk);
gendisk_alloc_fail:
	unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);
register_blkdev_fail:
	kfree(ramdisk.ramdiskbuf); /* 释放内存 */
ram_fail:
	return ret;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit ramdisk_exit(void)
{
	printk("ramdisk exit\r\n");
	/* 释放gendisk */
	del_gendisk(ramdisk.gendisk);
	put_disk(ramdisk.gendisk);

	/* 清除请求队列 */
	blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);

	/* 注销块设备 */
	unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);

	/* 释放内存 */
	kfree(ramdisk.ramdiskbuf); 
}

module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

（2）使用请求队列实验

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
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#define RAMDISK_SIZE	(2 * 1024 * 1024) 	/* 容量大小为2MB */
#define RAMDISK_NAME	"ramdisk"			/* 名字 */
#define RADMISK_MINOR	3					/* 表示有三个磁盘分区！不是次设备号为3！ */

/* ramdisk设备结构体 */
struct ramdisk_dev{
	int major;					/* 主设备号 */
	unsigned char *ramdiskbuf;	/* ramdisk内存空间,用于模拟块设备 */
	spinlock_t lock;			/* 自旋锁 */
	struct gendisk *gendisk; 	/* gendisk */
	struct request_queue *queue;/* 请求队列 */

};

struct ramdisk_dev ramdisk;		/* ramdisk设备 */

/*
 * @description		: 打开块设备
 * @param - dev 	: 块设备
 * @param - mode 	: 打开模式
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int ramdisk_open(struct block_device *dev, fmode_t mode)
{
	printk("ramdisk open\r\n");
	return 0;
}

/*
 * @description		: 释放块设备
 * @param - disk 	: gendisk
 * @param - mode 	: 模式
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode)
{
	printk("ramdisk release\r\n");
}

/*
 * @description		: 获取磁盘信息
 * @param - dev 	: 块设备
 * @param - geo 	: 模式
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev, struct hd_geometry *geo)
{
	/* 这是相对于机械硬盘的概念 */
	geo->heads = 2;			/* 磁头 */
	geo->cylinders = 32;	/* 柱面 */
	geo->sectors = RAMDISK_SIZE / (2 * 32 *512); /* 一个磁道上的扇区数量 */
	return 0;
}

/* 
 * 块设备操作函数 
 */
static struct block_device_operations ramdisk_fops =
{
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open	 = ramdisk_open,
	.release = ramdisk_release,
	.getgeo  = ramdisk_getgeo,
};

/*
 * @description	: “制造请求”函数
 * @param-q 	: 请求队列
 * @return 		: 无
 */
void ramdisk_make_request_fn(struct request_queue *q, struct bio *bio)
{
	int offset;
	struct bio_vec bvec;
	struct bvec_iter iter;
	unsigned long len = 0;

	offset = (bio->bi_iter.bi_sector) << 9;	/* 获取要操作的设备的偏移地址 */

	/* 处理bio中的每个段 */
	bio_for_each_segment(bvec, bio, iter){
		char *ptr = page_address(bvec.bv_page) + bvec.bv_offset;
		len = bvec.bv_len;

		if(bio_data_dir(bio) == READ)	/* 读数据 */
			memcpy(ptr, ramdisk.ramdiskbuf + offset, len);
		else if(bio_data_dir(bio) == WRITE)	/* 写数据 */
			memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + offset, ptr, len);
		offset += len;
	}
	set_bit(BIO_UPTODATE, &bio->bi_flags);
	bio_endio(bio, 0);
}


/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init ramdisk_init(void)
{
	int ret = 0;
	printk("ramdisk init\r\n");

	/* 1、申请用于ramdisk内存 */
	ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL);
	if(ramdisk.ramdiskbuf == NULL) {
		ret = -EINVAL;
		goto ram_fail;
	}

	/* 2、初始化自旋锁 */
	spin_lock_init(&ramdisk.lock);

	/* 3、注册块设备 */
	ramdisk.major = register_blkdev(0, RAMDISK_NAME); /* 由系统自动分配主设备号 */
	if(ramdisk.major < 0) {
		goto register_blkdev_fail;
	}  
	printk("ramdisk major = %d\r\n", ramdisk.major);

	/* 4、分配并初始化gendisk */
	ramdisk.gendisk = alloc_disk(RADMISK_MINOR);
	if(!ramdisk.gendisk) {
		ret = -EINVAL;
		goto gendisk_alloc_fail;
	}

	/* 5、分配请求队列 */
	ramdisk.queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
	if(!ramdisk.queue){
		ret = -EINVAL;
		goto blk_allo_fail;
	}

	/* 6、设置“制造请求”函数 */
	blk_queue_make_request(ramdisk.queue, ramdisk_make_request_fn);

	/* 7、添加(注册)disk */
	ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major;		/* 主设备号 */
	ramdisk.gendisk->first_minor = 0;			/* 第一个次设备号(起始次设备号) */
	ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops; 		/* 操作函数 */
	ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk;	/* 私有数据 */
	ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue;		/* 请求队列 */
	sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, RAMDISK_NAME); /* 名字 */
	set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE/512);	/* 设备容量(单位为扇区) */
	add_disk(ramdisk.gendisk);

	return 0;

blk_allo_fail:
	put_disk(ramdisk.gendisk);
	//del_gendisk(ramdisk.gendisk);
gendisk_alloc_fail:
	unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);
register_blkdev_fail:
	kfree(ramdisk.ramdiskbuf); /* 释放内存 */
ram_fail:
	return ret;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit ramdisk_exit(void)
{
	printk("ramdisk exit\r\n");
	/* 释放gendisk */
	del_gendisk(ramdisk.gendisk);
	put_disk(ramdisk.gendisk);

	/* 清除请求队列 */
	blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);

	/* 注销块设备 */
	unregister_blkdev(ramdisk.major, RAMDISK_NAME);

	/* 释放内存 */
	kfree(ramdisk.ramdiskbuf); 
}

module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2、Makefile

KERNELDIR := /home/sh/Desktop/MUL/zimage
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := ramdisk.o

ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) clean

四、运行测试

1、查看 ramdisk 磁盘

驱动加载成功以后就会在/dev/目录下生成一个名为“ramdisk”的设备， 输入如下命令查看ramdisk 磁盘信息：

fdisk -l   //查看磁盘信息

上述命令会将当前系统中所有的磁盘信息都打印出来，其中就包括了 ramdisk 设备，如下图所示：

从上图可以看出，ramdisk 已经识别出来了，大小为 2MB，但是同时也提示/dev/ramdisk没有分区表，因为我们还没有格式化/dev/ramdisk

2、格式化/dev/ramdisk

使用 mkfs.vfat 命令格式化/dev/ramdisk，将其格式化成 vfat 格式，输入如下命令：

mkfs.vfat /dev/ramdisk

格式化完成以后就可以挂载/dev/ramdisk 来访问了，挂载点可以自定义，这里笔者就将其挂载到/tmp 目录下，输入如下命令：

mount /dev/ramdisk /tmp

挂载成功以后就可以通过/tmp 来访问 ramdisk 这个磁盘了，进入到/tmp 目录中，可以通过 vi 命令新建一个 txt 文件来测试磁盘访问是否正常。

取消挂载命令：

umount /dev/ramdisk