针对块设备驱动将分为两部分介绍，第一部分是注册块设备，即将块设备成功添加到内核；第二部分是介绍如何读写块设备，因为没有实际块设备，这里选择使用内存来模拟块设备。

目录

一、认识块设备

1、什么是块设备

2、块设备类型

二、模拟设备创建

三、注册块设备

1、申请主设备号

2、申请gendisk

3、初始化请求队列

4、初始化 gendisk

5、添加到内核

四、补充：分配内存

五、完整代码（待完善）

一、认识块设备

1、什么是块设备

块设备针对的是存储设备，如SD卡、EMMC、机械硬盘，与字符设备相比，块设备的读写是以块为单位，通过使用缓冲区来暂时保存数据，等满足一定条件再一次写入到块设备。这么做可以减少对块设备的擦除次数，降低块设备的读写频率，提高使用寿命。

2、块设备类型

Linux 内核提供了数据类型 block_device 来表示块设备，其中 gendisk 保存了块设备的属性信息及可执行的操作，如块设备号、设备容量、块设备分区等；bd_queue 缓存来自文件系统的读写请求，块设备会对这些请求逐个处理

讯享网

struct block_device { /* ... */ struct gendisk * bd_disk; struct request_queue * bd_queue; /* ... */ }; struct gendisk { int major; /* major number of driver */ int first_minor; int minors; /* maximum number of minors, =1 for * disks that can't be partitioned. */ char disk_name[DISK_NAME_LEN]; /* name of major driver */ /* ... */ const struct block_device_operations *fops; struct request_queue *queue; void *private_data; }

注意：block_device 和 gendisk 都包含 request_queue 类型的成员， 实际上他们指向的是同一个请求队列，因此，在初始化时，初始化其中一个即可，一般初始化gendisk中的请求队列。

二、模拟设备创建

现在我们打算通过内存来模拟实现一个块设备，与上面介绍的流程相差无几，相当于将交互对象由块设备替换成了内存。

讯享网#define blkdev_NAME "blkdev" // 块设备名称 #define DISK_MINOR 1 // 模拟块设备的分区数 #define DISK_SIZE 3 * 1024 * 1024 // 模拟块设备的大小(3MB)，单位：字节 struct blk_dev { uint8_t* diskbuf; // 一小块内存，用于模拟块设备 int major; // 块设备主设备号 spinlock_t lock; // 自旋锁 struct gendisk* gendisk; // 块设备（保存了块设备相关信息） struct request_queue* queue; // 请求队列 }; static struct blk_dev blkdev;

三、注册块设备

第1~3步都是在为第4步初始化gendisk做准备。

1、申请主设备号

无论是字符设备还是块设备，都有一个设备号，下面为当前块设备申请主设备号。

相关API：

/ * @brief 注册块设备 * @param major 主设备号（0表示由OS自动分配设备号，1~255表示自定义主设备号） * @param name 块设备名称 * @return 成功返回主设备号，失败返回负值 */ int register_blkdev(unsigned int major, const char *name); / * @brief 注销块设备 * @param major 主设备号 * @param name 块设备名称 */ void unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name); 

实际应用：

讯享网/* 注册块设备 */ blkdev.major = register_blkdev(0, blkdev_NAME); if (blkdev.major < 0) { printk("block device register failed!\n"); return -1; }

2、申请gendisk

Linux内核为了方便保存块设备属性信息，提供了名为 gendisk 的数据类型。

相关API：

/ * @brief 申请gendisk * @param minors 申请的分区数（相当于在告诉内核块设备有多少个分区） * @return 成功返回gendisk的地址，失败返回NULL */ struct gendisk *alloc_disk(int minors); / * @brief 释放gendisk * @param gp 要删除的gendisk */ void del_gendisk(struct gendisk *gp); 

实际应用：

讯享网blkdev.gendisk = alloc_disk(DISK_MINOR); if (blkdev.gendisk == NULL) { printk("gendisk allocate failed\n"); unregister_blkdev(blkdev.major, blkdev_NAME); return -1; }

3、初始化请求队列

请求队列是一种用于存储待处理的请求的数据结构，当用户发起I/O操作时，Linux内核可以有效管理这些请求，如优先级较高的请求优先处理，这样可以提高系统的性能和响应速度。

相关API如下

/ * @brief 初始化请求队列 * @param rfn 请求处理函数 * 函数指针：void (request_fn_proc) (struct request_queue *q) * @param lock 自旋锁 * @return 成功返回请求队列的地址，失败返回NULL */ request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock); / * @brief 删除请求队列 * @param q 要删除的请求队列 */ void blk_cleanup_queue(struct request_queue *q); 

• rfn： 当块设备收到一个IO请求时，请求处理函数会被触发来处理这个请求
• lock：自旋锁，需要自己从外部传递，请求队列作为临界资源，自然需要考虑互斥问题

实际应用：

讯享网spin_lock_init(&blkdev.lock); blkdev.queue = blk_init_queue(request_handle, &blkdev.lock); if (blkdev.queue == NULL) { printk("gendisk allocate failed\n"); del_gendisk(blkdev.gendisk); unregister_blkdev(blkdev.major, blkdev_NAME); return -1; }

请求处理函数：

// 请求处理函数 void request_handle(struct request_queue *q) { }

4、初始化 gendisk

接下来将对 gendisk 结构体中的一部分成员进行初始化，有些是必须要初始化的，如主设备号、块设备操作函数、设备名、请求队列等。

每一个块设备都有大小，要设置块设备大小需要用到 set_capacity，函数声明如下：

讯享网/ * @brief 设置块设备大小 * @param disk gendisk 指针 * @param size 块设备大小，单位: 扇区 */ void set_capacity(struct gendisk *disk, sector_t size);

初始化内容如下：

// 块设备操作函数 static struct block_device_operations blkdev_fops = { .owner = THIS_MODULE, }; blkdev.gendisk->major = blkdev.major; // 主设备号 blkdev.gendisk->first_minor = 0; // 起始次设备号 blkdev.gendisk->fops = &blkdev_fops; // 块设备操作函数 blkdev.gendisk->queue = blkdev.queue; // 块设备请求队列 strcpy(blkdev.gendisk->disk_name, blkdev_NAME); // 块设备名称 set_capacity(blkdev.gendisk, DISK_SIZE/512); // 告诉内核块设备大小，单位：扇区

5、添加到内核

最终将初始化好的 gendisk 添加到内核，相当于在告诉内核当前块设备的相关信息，因为内核无法主动得知块设备信息。

相关API：

讯享网/ * @brief 将gendisk添加到内核 * @param disk gendisk 指针 */ void add_disk(struct gendisk *disk);

实际应用：

add_disk(blkdev.gendisk);

四、补充：分配内存

前面只是设置了块设备的大小为3MB，但实际上并没有分配这块内存，因为到下一步读写块设备才会需要操作内存，所以申请一块3MB的内存在当前阶段非必须。

分配内存可以使用kmalloc 或者 kzalloc，效果一样，区别在于kzalloc在分配的同时会先清空内存，对应的使用 kfree 来释放内存。

讯享网/ * @param size 分配的内存大小，单位: 字节 * @param flags 内存分配的标志，用于指定内存分配的行为（如内存对齐、内存映射类型等） * @return 返回一个指向分配的内存块的指针，如果分配失败则返回NULL */ void* kzalloc(size_t size, gfp_t flags); / * @param ptr 内存块的地址 */ void kfree(const void *ptr); 

实际使用：

blkdev.diskbuf = kzalloc(DISK_SIZE, GFP_KERNEL); if (blkdev.diskbuf == NULL) { return -1; }

五、完整代码（待完善）

将驱动代码编译成模块，加入到内核后，我们输入 fdisk -l 可以看到当前系统中已经注册的块设备，包括我们刚才注册的块设备。

讯享网#include <linux/types.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/delay.h> #include <linux/ide.h> #include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/uaccess.h> #include <linux/fs.h> // 注册/注销块设备 #include <linux/genhd.h> // 申请/释放gendisk #include <linux/blkdev.h> // 申请/释放请求队列 #define blkdev_NAME "blkdev" // 块设备名称 #define DISK_MINOR 1 // 模拟块设备的分区数 #define DISK_SIZE 3 * 1024 * 1024 // 模拟块设备的大小，单位：字节 struct blk_dev { uint8_t* diskbuf; // 一小块内存，用于模拟块设备 int major; // 块设备主设备号 spinlock_t lock; // 自旋锁 struct gendisk* gendisk; // 块设备（保存了块设备相关信息） struct request_queue* queue; // 请求队列 }; static struct blk_dev blkdev; static struct block_device_operations blkdev_fops = { .owner = THIS_MODULE, }; void request_handle(struct request_queue *q) { } static int __init blkdriver_init(void) { /* 分配内存 */ blkdev.diskbuf = kzalloc(DISK_SIZE, GFP_KERNEL); if (blkdev.diskbuf == NULL) { return -1; } /* 注册块设备 */ blkdev.major = register_blkdev(0, blkdev_NAME); if (blkdev.major < 0) { printk("block device register failed!\n"); return -1; } /* 申请 gendisk */ blkdev.gendisk = alloc_disk(DISK_MINOR); if (blkdev.gendisk == NULL) { printk("gendisk allocate failed\n"); unregister_blkdev(blkdev.major, blkdev_NAME); return -1; } /* 申请请求队列 */ spin_lock_init(&blkdev.lock); blkdev.queue = blk_init_queue(request_handle, &blkdev.lock); if (blkdev.queue == NULL) { printk("gendisk allocate failed\n"); del_gendisk(blkdev.gendisk); unregister_blkdev(blkdev.major, blkdev_NAME); return -1; } /* 初始化 gendisk */ blkdev.gendisk->major = blkdev.major; // 主设备号 blkdev.gendisk->first_minor = 0; // 起始次设备号 blkdev.gendisk->fops = &blkdev_fops; // 块设备操作函数 blkdev.gendisk->queue = blkdev.queue; // 块设备请求队列 strcpy(blkdev.gendisk->disk_name, blkdev_NAME); // 块设备名称 set_capacity(blkdev.gendisk, DISK_SIZE/512); // 告诉内核块设备大小，单位：扇区 /* 添加到内核 */ add_disk(blkdev.gendisk); return 0; } static void __exit blkdriver_exit(void) { /* 释放内存 */ kfree(blkdev.diskbuf); /* 注销块设备 */ unregister_blkdev(blkdev.major, blkdev_NAME); /* 释放gendisk */ del_gendisk(blkdev.gendisk); /* 清除请求队列 */ blk_cleanup_queue(blkdev.queue); } module_init(blkdriver_init); module_exit(blkdriver_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("author_name");