Linux块设备驱动开发流程详解：构建与发布，一文掌握核心步骤


参考资源链接：[《Linux设备驱动开发详解》第二版-宋宝华-高清PDF](https://wenku.csdn.net/doc/70k3eb2aec?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Linux块设备驱动概述

Linux操作系统中的块设备驱动是连接硬件设备与系统文件系统的关键组件。块设备如硬盘、SSD等，以块为单位进行数据传输，而块设备驱动则负责实现这些设备在Linux内核中的注册、数据交换、状态管理等功能。本章节将概述块设备驱动的基本概念和其在Linux内核中的角色。

块设备驱动的工作涉及内核与硬件层面的交互，因此它们需要有效地处理内核与物理设备间的I/O操作。这种操作需要依赖于内核提供的标准接口和数据结构，以确保跨不同硬件平台的兼容性和稳定性。理解块设备驱动的运作原理对于系统管理员和开发者来说至关重要，因为它们直接影响着系统性能和数据的完整性。

# 2. Linux块设备驱动开发基础

### 2.1 Linux内核模块架构

#### 2.1.1 模块加载与卸载机制

Linux内核模块（Kernel Modules）是内核的一部分，但又可以独立于内核的其余部分加载和卸载。模块化允许内核在运行时添加或移除功能，而无需重新编译整个内核。这种机制极大地增强了系统的灵活性和扩展性。

当模块加载到内核时，会执行以下步骤：

- `init_module()`：内核通过这个函数初始化模块。这个函数可以由用户空间通过 `insmod` 或 `modprobe` 命令来调用。
- `cleanup_module()`：内核通过这个函数卸载模块。与 `init_module()` 相反，它释放所有分配的资源，并将模块从系统中移除。

下面是一个简单的模块加载和卸载函数的代码示例：

#include <linux/module.h>       // 必需，支持模块加载卸载的函数和宏定义
#include <linux/kernel.h>       // 包含了KERN_INFO等日志级别宏定义

int init_module(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, world - this is the kernel speaking\n");
    return 0; // 返回0表示初始化成功
}

void cleanup_module(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, world - leaving the kernel\n");
}

加载模块到内核的过程会调用 `init_module()` 函数，而 `cleanup_module()` 则在模块被卸载时调用。`printk` 函数用于在内核中输出信息，类似于用户空间中的 `printf`。

#### 2.1.2 模块参数和导出符号

模块参数允许在模块加载时动态地传入参数，这对于调试和运行时调整模块行为非常有用。模块可以导出符号（函数或变量）供其他模块使用。

导出符号可以通过使用 `EXPORT_SYMBOL` 或 `EXPORT_SYMBOL_GPL` 宏来实现。导出的符号可以在 `/proc/kallsyms` 文件中查看。

例如，定义一个模块参数和导出一个函数的代码如下：

static int myparam = 10;
module_param(myparam, int, S_IRUGO); // S_IRUGO 表示只读权限

MODULE_PARM_DESC(myparam, "This is a module parameter"); // 参数描述

EXPORT_SYMBOL(myfunction); // 导出 myfunction 符号

int myfunction(int x) {
    return x * x; // 一个简单的函数示例
}

在上面的示例中，定义了一个名为 `myparam` 的模块参数，该参数在加载模块时可以被设置。同时定义了一个 `myfunction` 函数，并使用 `EXPORT_SYMBOL` 导出了该函数。

### 2.2 块设备核心概念

#### 2.2.1 块设备与字符设备的区别

块设备和字符设备是Linux内核中两种主要的设备类型。它们代表了不同类型的数据传输方式：

- 字符设备：按字符为单位进行数据传输，不支持随机访问，典型例子是键盘、鼠标和串口。
- 块设备：按数据块为单位进行数据传输，支持随机访问，典型例子是硬盘、SSD和USB存储设备。

块设备驱动程序需要处理I/O请求队列，并使用调度算法来优化性能。而字符设备的驱动程序通常更简单，因为它们按顺序处理数据。

#### 2.2.2 I/O请求队列和调度算法

I/O请求队列（request queue）是块设备驱动中的一个关键概念，它用于管理对块设备的I/O请求。请求队列允许将多个请求排序和合并，以提高效率。

内核提供了几种I/O调度算法，如CFQ（Completely Fair Queuing）、Deadline和NOOP。调度算法的选择取决于设备的特性以及系统负载情况。

调度器负责将I/O请求排序，以最大化吞吐量和减少延迟。例如，NOOP调度器就是一个简单的FIFO队列，它不进行任何合并或排序操作，适用于I/O延迟非常低的设备，如SSD。

### 2.3 设备驱动与文件系统的交互

#### 2.3.1 文件系统与块设备的关系

文件系统运行在块设备之上，它通过块设备接口与物理存储设备通信。文件系统定义了文件的组织、命名、访问和存储方式。块设备接口提供了一组标准的函数，用于处理数据的读写请求。

当应用程序执行文件操作时，如读写文件，这些操作最终会转化为对块设备的请求。块设备驱动负责处理这些请求，并将它们转换为针对硬件的操作。

#### 2.3.2 VFS层的抽象与操作实现

虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）为不同的文件系统提供了一个通用的接口。VFS定义了四个主要的文件操作对象：`inode`、`dentry`、`file` 和 `super_block`。

- `inode`：包含了文件的属性，如文件权限、所有者和大小。
- `dentry`：提供了目录项的表示，它描述了文件路径中的各个部分。
- `file`：表示一个打开的文件，包含了文件的打开模式和位置指针。
- `super_block`：表示一个文件系统，并包含了文件系统级别的信息，如块大小和文件系统的操作函数集。

VFS通过文件系统的操作函数集（如 `read`、`write`、`open`、`release` 等）来与块设备驱动程序进行交互。驱动程序需要实现这些函数，以支持VFS层的调用。

块设备驱动程序通常需要实现 `block_device_operations` 结构，该结构包含了如下操作：

struct block_device_operations {
    int (*open)(struct block_device *, fmode_t);
    void (*release)(struct gendisk *, fmode_t);
    int (*rw_block)(struct block_device *, sector_t, void *, unsigned int);
    // 其他相关操作...
};

这些操作函数是文件系统和块设备之间交互的基础。例如，当文件系统需要读取一个数据块时，它会调用块设备驱动程序中的 `rw_block` 函数。

# 3. 块设备驱动的开发实践

## 3.1 驱动结构的搭建

### 3.1.1 主要数据结构的定义

在开发Linux块设备驱动时，首先需要定义一些核心的数据结构，这些结构构成了驱动程序的骨架。常见的结构体包括`gendisk`、`request_queue`和`block_device_operations`等。`gendisk`结构体用于表示一个块设备，它包括设备号、容量、分区表等信息。`request_queue`是I/O请求队列，负责管理等待服务的请求。`block_device_operations`则是块设备的操作集合，定义了打开、释放、读写等块设备共有的操作。

struct gendisk *blk_init_disk(struct block_device *bdev, struct bloc