Linux0.12内核源码解读(9)-blk_dev_init和chr_dev_init

发表于 更新于 分类于 阅读次数：

作者：小牛呼噜噜 | https://xiaoniuhululu.github.io
计算机内功、源码解析、科技故事、项目实战、面试八股等更多硬核文章，首发于公众号「小牛呼噜噜」

哈喽，大家好呀，我是呼噜噜，好久没有更新old linux了，本文接着上一篇文章图解计算机中断，继续我们的内核探索之路

我们来接着看看main.c后面的几个初始化函数blk_dev_init()、chr_dev_init()

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
// init/main.c
void main(void) {
    ...
    blk_dev_init(); //  块设备初始化
	chr_dev_init(); //字符设备初始化
    
	tty_init(); // tty 初始化
	time_init(); //设置开机启动时间
	sched_init(); //调度程序初始化（加载进程0 的 tr,ldtr）
	buffer_init(buffer_memory_end); // 缓冲管理初始化，建内存链表等
    ...
}

blk_dev_init

blk_dev_init()是块设备初始化函数，那什么是块设备呢？

所谓的块设备block device，是计算机I/O设备的一种，就是以固定大小的数据块为单位来存储数据的设备，其传输速率较高，通常为每秒钟几兆位；数据块的大小通常在512字节到32768字节之间

每个块都有自己的地址，可以进行寻址操作和随机访问操作，而且每个块都能独立于其它块而进行读写，比较常见的有硬盘、软盘设备和闪存等

与之对应的就是字符设备character device，字符设备是一种只能以字节为最小单位，进行数据输入和输出的设备，其传输速率较低，通常为几个字节至数千字节

它无法进行寻址操作，只能按照字节流的方式被有序访问，字符设备的种类繁多，比如打印机、键盘、串口、网络接口和终端设备等。另外字符设备在输入输出时，常采用中断来驱动。

我们先来看下它源码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
//    /kernel/blk_drv/ll_rw_blk.c
void blk_dev_init(void)
{
	int i;

	for (i=0 ; i<NR_REQUEST ; i++) {
		request[i].dev = -1;
		request[i].next = NULL;
	}
}

NR_REQUEST其实定义在kernel/blk_drv/blk.h，#defineNR_REQUEST 32，表示request数组有32项，也是有讲究的，能够较好地平衡电梯调度算法的效率(电梯调度算法我们下文再介绍)

我们再来看下request结构体的定义：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
struct request {
	int dev;		/* 使用的设备号，-1 就表示空闲*/
	int cmd;		/* READ or WRITE 命令 */
	int errors;		/*操作时产生的错误次数。*/
	unsigned long sector;	/*起始扇区。(1 块 = 2 扇区)*/
	unsigned long nr_sectors; /*读/写扇区数。*/
	char * buffer;	/*数据缓冲区*/
	struct task_struct * waiting;	/*任务等待操作执行完成的地方*/
	struct buffer_head * bh;	/*缓冲区头指针(include/linux/fs.h)*/
	struct request * next;		/*指向下一请求项*/
};

那这段代码的作用，是给request数组的所有项，dev和next元素赋值，其实就是进行初始化；

然后就没了，许多人看到这会感觉很懵逼，这都是啥呀？

要想知道blk_dev_init()是如何初始化块设备的？那么得先了解最典型的块设备硬盘的构造了，比如常见的机械硬盘的组成部分：

我们都知道计算机世界中，只有0和1，在之前的文章漫谈从RS触发器到D触发器的发展历程我们介绍过一种储存数据的方式：RS触发器，让时序逻辑电路具有储存记忆的能力，它是内存用来储存数据的核心原理

而机械硬盘则是另一种方式，机械硬盘中最重要的结构就是磁盘，在工作时会高速旋转；一块磁盘一般有多个盘片组成，盘片的表面涂有磁性物质，可以被磁化以及改变磁极，这两个磁极就分别表示了计算机二进制中的0和1

上图来源于：Magnetic storage

写入数据时，磁头产生局部强磁场来磁化盘片上磁性物质的极性，来储存数据；当读出数据时，则通过读取元件来识别磁性物质的极性，并将其还原成0和1。也就是说这些磁性物质可以用来记录二进制数据，并通过电磁转换完成读、写操作

因为正反两面都可涂上磁性物质，故一个盘片可能会有两个盘面。每个盘面都会有对应的磁头，所有磁头”共进共退”，因为会有一个磁臂固定它们。

每个盘面划分成了一圈一圈的磁道track，最外圈是0磁盘。然后每个磁盘又划分为了一个个小块，小块叫做扇区sector。扇区大小固定，是512个字节。另外由于最内侧磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大；最后所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面cylinder

扇区大小为啥固定512字节？这是1956年由industry trade organization, International Disk Drive Equipment和Materials Association三家机构确定的行业标准, 大家都默认会遵守的标准，久而久之，如果改变的话，兼容各种情况的代价非常大。

而有了柱面，磁头，扇区这3者，就能够定位磁盘上任意一块数据，其中如果知道哪个磁头，就可以知道数据在哪个盘面上，然后读取哪个柱面上的第几扇区，这也叫CHS模式

由此我们可知request这个结构体是非常重要的，是和块设备打交道的核心数据结构

本文以硬盘来举例子：request结构体中，dev就是表示设备号，cmd表示是读命令还是写命令，sector和nr_sectors配合找到对应的扇区；buffer缓冲区，是为了减少对块设备的访问，在数据以块的形式传入内存后，通过buffer缓冲区进行读取，不是直接和物理磁盘读取。字符设备可以直接物理磁盘读取，不经过buffer缓冲区。

bh就是缓冲区头指针，waiting则表示任务等待操作执行完成的地方，next是指向下一请求项，说明request数组内部是链表。也就是说request数组其实就是块设备的请求队列，新的读写请求，进入队列排队

另外由于内存和硬盘存取数据的速度差异是非常大的，也就是说访问硬盘等块设备的操作比较耗时，影响操作系统的性能；而且硬盘的读写磁头移动到对应的磁道，这种磁盘调度也是非常耗时的。

linux0.12采用的是scan扫描算法，也叫做电梯调度算法，尽可能通过减小磁头移动的距离来提高磁盘的读写效率，将新的请求项插入到磁头移动距离最小的请求队列位置处

电梯调度算法的原理：磁头在一个方向上移动，访问所有未完成的请求，直到磁头到达该方向上最后的磁道，才调换方向；

scan算法，上图来源于磁盘调度算法

除此以外还有其他常见的算法FCFS，SSF：

  1. 先来先服务算法FCFS：不管磁头初始在什么位置，都是按照服务队列的先后顺序，来依次处理进程。优点是简单，公平，但缺点就是平均寻道长度会很长，效率不高，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动

  2. 最短寻道时间优先算法SSF：其实就是贪心算法，优先选择处理距离磁头位置最近的进程，处理完成后再处理距离当前磁道最近的进程，直到所有的进程被处理

不像先来先服务算法FCFS，追求极致的公平，效率较低；也不像最短寻道时间优先算法SSF，过于注重效率而忽视公平(磁头有可能只在一个小区域内来回移动，导致某些访问请求长期等待得不到服务的情况)；电梯调度算法能够较好地兼顾公平与效率。我们这里就不做过多展开，感兴趣地自行去了解

blk_dev_init函数，其实是给request数组的所有项的dev设置为-1，表示无设备请求，next设置为null，表示没有下一请求项，实现对块设备请求队列的初始化。等待内核向块设备的控制器发起命令，至于后面的一系列操作，我们在后面的文章，会结合具体的源码再详细展开

chr_dev_init

chr_dev_init是字符设备初始化函数，上面刚讲完块设备的初始化，字符设备的初始化不就来了嘛，我们先来看下源码：

1
2
3
4
5
//  /kernel/chr_drv/tty_io.c

void chr_dev_init(void)
{
}

咳咳，是空的，大佬linus在这个版本暂未开发，那我们就直接跳过了

先到这吧，上周末语雀挂掉，导致有部分文字没有能保存下来~

参考资料：
聊聊x86计算机启动发生的事？
https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_disk_drive
https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_storage
操作系统:磁盘调度算法_操作系统磁盘调度算法

作者：小牛呼噜噜 ，首发于公众号「小牛呼噜噜」

感谢阅读，原创不易，如果有收获的话，就点个免费的[赞]or[转发]，你的支持会激励我输出更高质量的文章，感谢！