🔨 整理中 · 这一篇讲块设备驱动——磁盘/eMMC/SSD/virtio-blk 这类"按块随机访问、走块 I/O 层"的设备。素材以 6.19 源码 + kernel.org blk-mq 文档 为权威。现代块驱动几乎都走 blk-mq(多队列) 框架,老的单队列接口已废弃——这是和 LDD3 时代最大的差别。

做什么

01 chardev 讲的字符设备,用户态 read/write 直接调驱动的 file_operations,数据流"直来直去"。可磁盘这类设备不一样:它们按扇区/块随机访问、I/O 慢且要排队、要缓冲(页缓存)、要合并/排序请求——这套复杂逻辑不可能让每个磁盘驱动自己写。所以内核有专门的块 I/O 层(block/),它提供:请求合并/排序/调度(io scheduler)、页缓存集成、多队列并发(blk-mq);块驱动只需要实现"把一个 I/O 请求发给硬件"这一段,其余的块 I/O 层替你干。这一篇拆块驱动怎么接入这套框架:gendisk 是磁盘抽象、block_device_operations 是它的 vtable、blk-mq 是现代驱动用的多队列接口。

要了解什么

一、块设备 vs 字符设备

	字符设备	块设备
访问粒度	字节流,任意	扇区(512B)/块(通常 4KB),对齐
寻址	顺序(大多)	随机
缓冲	驱动自管	走页缓存 + io scheduler
接口	file_operations	block_device_operations + blk-mq
例子	串口/输入/字符 LCD	磁盘/eMMC/SSD/光盘

块设备的 I/O 单位是 bio(block I/O,include/linux/blk_types.h)——描述"读/写 这段扇区范围,buffer 在这些 page 里"。上层 fs 的 read_folio/writepage(页缓存)最终都把请求变成 bio 提交给块层。

二、gendisk:磁盘抽象

struct gendisk(include/linux/blkdev.h:144)是一个磁盘的化身——主设备号、磁盘名(sda/vdb)、容量(扇区数)、块大小、block_device_operations、请求队列等。每个块设备驱动注册时,核心就是分配并填充一个 gendisk、device_add_disk 把它加进系统。/dev/sda、/dev/vdb 这些块设备节点,就是从 gendisk 来的。

三、block_device_operations:块设备的 vtable

struct block_device_operations(blkdev.h:1643)是块设备的回调表,概念类似字符设备的 file_operations,但不含 read/write——因为块 I/O 走的是 bio/请求队列,不是直接的 read/write 系统调用。它有的是:open/release(打开/关闭块设备)、ioctl(块特有的 ioctl,如 BLKGETSIZE)、compat_ioctl、getgeo(老的磁盘几何)等。读写路径不在这里,在 blk-mq 的 queue_rq(下一节)。

四、blk-mq:现代多队列框架

老内核的块层是单队列(所有 CPU 往一个队列提交请求,锁竞争严重),现代高速设备(SSD/NVMe)受限于它。6.x 的块层已是 blk-mq(多队列) ——每个 CPU(或每软件队列)一个软件队列,硬件也可有多队列(NVMe 有 64K 个队列对),blk-mq 把软件队列映射到硬件队列,大幅降锁竞争。块驱动填 struct blk_mq_ops(blk-mq.h:488 附近,核心回调):

• queue_rq:核心——"把一个请求发给硬件"。blk-mq 把排好序/合并好的 request 调这个回调交给驱动,驱动让它 DMA。
• init_hctx/init_request:队列/请求的初始化。
• timeout:请求超时处理(硬件卡了)。

驱动通过 blk_mq_alloc_tag_set(分配 tag set,描述硬件队列数等)+ blk_mq_alloc_disk(分配带 blk-mq 队列的 gendisk)接入。

五、注册流程与 I/O 路径

一个现代块驱动的注册流程大致:

struct blk_mq_tag_set set = { .ops = &my_mq_ops, .nr_hw_queues = ..., ... };
blk_mq_alloc_tag_set(&set);
struct gendisk *disk = blk_mq_alloc_disk(&set, &my_data);
disk->major = ...;  disk->first_minor = ...;
disk->fops = &my_bdev_ops;          /* block_device_operations */
disk->private_data = &my_data;
set_capacity(disk, num_sectors);
device_add_disk(parent, disk, NULL);  /* :781 注册进系统,/dev/xxx 出现 */

I/O 路径(读 /dev/sda 一段):fs/用户态构造 bio → 块层 submit_bio → io scheduler 合并/排序成 request → blk-mq 调驱动的 queue_rq → 驱动让硬件 DMA → 完成后中断回调 blk_mq_complete_request → bio 完成、回到上层。整条链路里驱动只管"queue_rq 怎么发硬件、完成中断怎么收"两端,中间的排队/合并/调度全在块层。

动手试试

1. lsblk/cat /proc/partitions 看块设备列表(每个 gendisk/分区一项)
2. QEMU 加一块 virtio-blk 磁盘(-drive file=...,if=virtio),Guest 里 fdisk -l/mount/dd 测试
3. 读 drivers/block/virtio_blk.c(本仓库 third_party/linux/drivers/block/)看一个真实块驱动的 blk_mq_ops/block_device_operations 怎么填
4. cat /sys/block/<dev>/queue/scheduler 看当前 io scheduler(mq-deadline/kyber/none)
5. 思考题:为什么块设备的 vtable 里没有 read/write?(对比字符设备,提示:bio 请求队列模型)

延伸阅读

• 源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/blkdev.h:144 struct gendisk、:1643 struct block_device_operations、:781 device_add_disk、:989 register_blkdev;include/linux/blk-mq.h:488 blk_mq_ops;bio 在 include/linux/blk_types.h;块层实现在 block/(blk-mq.c/blk-core.c/elevator.c);示例驱动 drivers/block/virtio_blk.c、drivers/block/loop.c。
• kernel.org:blk-mq documentation、Documentation/block/ 目录各专题(request, iostat, deadline-iosched...)。
• 关联本站:本篇是 00 driver model 的块设备类型;块 I/O 的上层是 05 ext4 的 address_space/页缓存;块设备是 fs 的底层存储。