1. Linux 上的设备 (device)
Linux 操作系统中,各种设备驱动(device driver)通过设备控制器(device controller)来管理各种设备(device),其关系如下图所示:
这些设备之中,
受同一个 device driver 管理的设备都有相同的 major number,这个数字可以看作设备的类别号码,被内核用于识别一类设备
受同一个 device driver 管理的同一类设备中的每一个设备都有不同的 minor number,这个数字可以看作设备编号,被设备驱动用来识别每个设备
设备驱动主要有三大类:
面向包的网络设备驱动(package oriented network device driver)
面向块的存储设备驱动(block oriented storage device driver),提供缓冲式(buffered)的设备访问.
面向字节的字符设备驱动 (byte oriented char device driver),有时也称为裸设备(raw devices),提供非缓冲的直接的设备访问(unbuffered direct access),比如串口设备,摄像头,声音设备等.实际上,除了网络设备和存储设备以外的其它设备都是某种字符设备.
除此以外,还有一类设备,称为伪设备(pseudo device),它们是软件设备.Linux 上的 device 不一定要有硬件设备,比如 /dev/null, /dev/zero 等.
关于字符设备和块设备的更多区别:
块设备只能以块为单位接受输入和返回输出,而字符设备则以字节为单位.大多数设备是字符设备,因为它们不需要缓冲而且不以固定块大小进行操作.
块设备对于 I/O 请求有对应的缓冲区,因此它们可以选择以什么顺序进行响应,字符设备无须缓冲且被直接读写.对于存储设备而言调 读写的顺序作用巨大,因为在读写连续的扇区比分离的扇区更快.
字符设备只能被顺序读写,而块设备可以随机访问.虽然块设备可随机访问,但是对于磁盘这类机械设备而言,顺序地组织块设备的访问可以提高性能.
用户空间的各种应用是通过 device driver 来操作设备的:
如果再详细一些就是这样的:
()
从这个图上可以看出:
网络设备驱动之上,分别有包调度器(packet scheduler),网络协议层(network protocols),NetFilter (防火墙)和 scoket 层,其中,网络设备驱动以 socket 作为应用层的接口
块设备驱动之上,分别有 I/O Scheduler,通用块层(generic block layer)和文件系统,其中,块设备驱动以设备文件 (device file)作为应用层的接访问口
字符设备驱动之上,分别有 Line discipline 和 terminals,其中,terminals 作为和应用的访问接口
Linux 系统中 "一切皆文件".每个设备,在 /dev 目录中都有对一个设备文件(device file),比如 /dev/sda 表示第一个 SCSI/IDE 盘,/dev/vda 表示第一个 virtio 磁盘.应用程序通过访问这些设备文件像操作文件一样来访问这些设备,可以使用的接口包括:
int open(const char *path, int oflag, ...)
int close(int fd);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbyte)
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbyte)
int ioctl(int d, int request, ...)
在 Linux 系统上,设备驱动可以被动态加载和删除
lsmod - 列出当前已经被加载的模块
insmod <module_file> - insert/load 指定的模块文件
modprobe <module> - insert/load 指定的 module,以及所有依赖
rmmod <module> - remove/unload 指定的 module
2. Linux 设备的 major 和 minor number
2.1 用 ls 获取
上文谈到了 major 和 number.简单地,可以从 ls 命令的输出中看出 device 的这两个 numbers:
root@controller: /home/sammy#cd / dev root@controller: /dev# ls -l
total 0
crw------- 1 root root 10, 175 Jul 18 15:24 agpgart
crw------- 1 root root 10, 235 Jul 18 15:24 autofs
brw-rw---- 1 root disk 7, 5 Jul 18 15:24 loop5
brw-rw---- 1 root disk 7, 6 Jul 18 15:24 loop6
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Jul 18 15:24 sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 1 Jul 18 15:24 sda1
brw-rw---- 1 root disk 8, 2 Jul 18 15:24 sda2
brw-rw---- 1 root disk 8, 5 Jul 18 15:24 sda5
crw--w---- 1 root tty 4, 10 Jul 18 15:24 tty10
crw--w---- 1 root tty 4, 11 Jul 18 15:24 tty11/
以 'c' 开头的一行表示该设备是一个字符设备,以'b' 开头的行表示这是一个块设备.
10,175 这两个数字中,前面的 10 表示 major number,后面的 175 表示 minor number.
2.2 major 和 minor 值的设置
历史上,设备的 major number 采用的是注册制,各设备厂家在 中注册他们的设备所使用的 major number.从 中还可以看出来 linux 2.6 内核中所分配的静态 major numbers.
但是,现在,这个注册网站已经没有人维护了,取而代之的是动态分配制度.分配者是 linux 内核的 udev 模块.它将保证在本系统中,<major number>:<minor number> 的组合是唯一的,而在这个范围之外,它不会保证其惟一性.一旦分配好了后,你就可以从 /proc/device 文件中读出所分配的 major numbers,比如:
2 pty 3 ttyp 4 ttyS 6 lp 7 vcs 10 misc 13 input 14 sound 21 sg 180 usbBlock devices: 2 fd 8 sd 11 sr 65 sd 66 sd
3. 根据 major 和 minior numbers 识别磁盘类型
3.1 识别过程
根据以下步骤来识别磁盘类型:
(1)使用 stat 命令获取设备文件的 major 和 minor numbers.注意结果是 16 进制.
root@u1: /dev# stat -c %T /dev / vda#minor number 0 root@u1: /dev# stat -c %T /dev / vdb 10 root@u1: /dev# stat -c %T /dev / sda 0 root@u1: /dev# stat -c %t /dev / vda#major number fd root@u1: /dev# stat -c %t /dev / vdb fd root@u1: /dev# stat -c %t /dev / sda 8
(2)将 16 进制数字转化为 10 进制,并拼接字符串 /sys/dev/block/$decmajor:$minor/device/driver
/sys/dev / block / 253 : 0 / device / driver / sys / dev / block / 253 : 16 / device / driver / sys / dev / block / 8 : 0 / device / driver
(3)调用 readlink -f 命令,获取 device driver
root@u1: /dev# readlink -f /sys / dev / block / 253 : 0 / device / driver / sys / bus / virtio / drivers / virtio_blk
root@u1: /dev# readlink -f /sys / dev / block / 253 : 16 / device / driver / sys / bus / virtio / drivers / virtio_blk
root@u1: /dev# readlink -f /sys / dev / block / 8 : 0 / device / driver / sys / bus / scsi / drivers / sd
从输出可以看出,/dev/vda 和 /dev/vdb 都是 virtio-block 类型的设备,而 /dev/sda 是 sd 即 SCSI 类型的设备.
常见的命名:
fd:软驱
hd:IDE 磁盘
sd:SCSI 磁盘
tty:terminals
vd:virtio 磁盘
3.2 virtio block driver 的实现
virtio-blk 驱动的实现代码在 .从中可以看出 major 和 minor number 分配,以及设备命名的方法.
(1)设备命名方法
if (index < 26) {
sprintf(vblk - >disk - >disk_name, "vd%c", 'a' + index % 26);
} else if (index < (26 + 1) * 26) {
sprintf(vblk - >disk - >disk_name, "vd%c%c", 'a' + index / 26 - 1, 'a' + index % 26);
} else {
const unsigned int m1 = (index / 26 - 1) / 26 - 1;
const unsigned int m2 = (index / 26 - 1) % 26;
const unsigned int m3 = index % 26;
sprintf(vblk - >disk - >disk_name, "vd%c%c%c", 'a' + m1, 'a' + m2, 'a' + m3);
}
可见:
virtio-blk 设备的名称以'vd' 开头.从 'vda' 开始递增,数目在 26 个以内时,增长至'vdz';如果超过 26,则从'vdaa' 一直增长至'vdzz';最高可以增长到'vdzzz'.
名称在设备被加载后被确定,在重新加载或者系统重启后会重新生成,因此对同一个设备其名称可能会发生变化.我的另一篇文章 谈到了这种变化导致的问题.
(2)major number 是通过想内核注册获取的
static int __init init(void) {
major = register_blkdev(0, "virtblk");
if (major < 0) return major;
return register_virtio_driver( & virtio_blk);
}
register_blkdev 这个方法是内核系统调用,用于注册一个块设备,需要指定主设备号.如果指定的设备号为 0,则会由系统自动分配一个.该方法调用之后,就可以在 / proc/devices 文件中看到该块设备以及它的 major number.
(3)minor number 是由设备的 index (索引)转化而来的
vblk - >disk - >first_minor = index_to_minor(index);
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