五、实验步骤-实现设计内容

5.1设计思想

题目要求使用内存模拟设备增加一个驱动程序。而内存模拟设备可以模仿Ram Disk的实现方式。经查阅相关资料可得知：Ram Disk的功能是将一部分内存挂载（mount）为外存空间（磁盘）的分区进行使用。从用户的视角看，Ram Disk分区就像磁盘的分区一样，也能对文件进行读写。

但是，Ram Disk与真正的磁盘仍然存在一定区别。在虚拟机重启后，Ram Disk分区消失，Ram Disk分区内部的数据也将消失。

Ram Disk也存在自己的意义。若有几个文件需要被频繁的读写，则可以将其放到由内存开辟的Ram Disk上，大大提高了读写的速度。

在本题目中，采取的就是模仿Ram Disk的实现。在第六章节中，将展示模仿Ram Disk的实现能得到的类似于Ram Disk的效果。

Linux系统将所有设备都视作文件，/dev/设备名 不是目录，而类似于指针指向该块设备，不能直接对其进行读写而需要先进行mount挂载的操作。要读写设备中的文件时，需要先把设备的分区挂载到系统中的一个目录上，通过访问该目录来访问设备。

5.2 设计实现与源码剖析

在设计属于自己的驱动时，需要实现加载模块时的初始化函数即驱动模块的入口函数。还需要实现卸载模块时的函数，即模块的出口函数。同时，也要实现设备自己的请求处理函数。

首先，对该模块的数据结构进行设计。先定义该块的块设备名、主设备号、大小（25610241024bytes，即256MB）、扇区数为9。

#define SIMP_BLKDEV_DISKNAME "zombotany_blkdev"
#define SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR COMPAQ_SMART2_MAJOR 
#define SIMP_BLKDEV_BYTES (256*1024*1024)
#define SECTOR_SIZE_SHIFT 9

定义gendisk表示一个简单的磁盘设备、定义该块设备的拥有者、定义块设备的请求队列指针、开辟该块设备的存储空间。

static struct gendisk * zombotany_blkdev_disk;
static struct block_device_operations  zombotany_blkdev_fops = { 
    .owner = THIS_MODULE,
};
static struct request_queue * zombotany_blkdev_queue;
unsigned char  zombotany_blkdev_data[SIMP_BLKDEV_BYTES];

入口函数与出口函数这两个函数的方法头如下：

static int __init _init(void)  
static void __exit _exit(void)  

在入口函数中需要实现的功能包括4个步骤。1.申请设备资源。若申请失败，则退出。2.设置设备有关属性。3.初始化请求队列，若失败则退出。4.添加磁盘块设备。

首先，申请设备资源。判断申请是否成功，若失败则退出。

zombotany_blkdev_disk = alloc_disk(1);
if(! zombotany_blkdev_disk){
  ret = -ENOMEM;
  goto err_alloc_disk;
}

接下来，设置设备有关属性。设置设备名、设备号、fops指针、扇区数

strcpy( zombotany_blkdev_disk->disk_name,SIMP_BLKDEV_DISKNAME);
zombotany_blkdev_disk->major = SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR;
zombotany_blkdev_disk->first_minor = 0;
zombotany_blkdev_disk->fops = & zombotany_blkdev_fops;
set_capacity( zombotany_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>9);

初始化请求队列，若失败则退出。

zombotany_blkdev_queue = blk_init_queue( zombotany_blkdev_do_request, NULL);
    if(! zombotany_blkdev_queue){
        ret = -ENOMEM;
        goto err_init_queue;
    }
zombotany_blkdev_disk->queue =  zombotany_blkdev_queue;

最后添加磁盘块设备。

add_disk( zombotany_blkdev_disk);
    return 0;

模块的出口函数较为简单，只需释放磁盘块设备、释放申请的设备资源、清除请求队列。

static void __exit  zombotany_blkdev_exit(void){
    del_gendisk( zombotany_blkdev_disk);
    put_disk( zombotany_blkdev_disk);   
    blk_cleanup_queue( zombotany_blkdev_queue);
}

在实现完入口与出口函数后，需要再声明模块出入口。

module_init(xxxx_init);
module_exit(xxxx_exit);

实现模块的请求处理函数。请求处理函数涉及到的数据结构如下：当前请求、当前请求bio（通用块层用bio来管理一个请求）、当前请求bio的段链表、当前磁盘区域、缓冲区。

struct request *req;
struct bio *req_bio;
struct bio_vec *bvec;
char *disk_mem;     
char *buffer;

对于某个请求，先判断该请求是否合法。判断请求是否合法的办法就是判断其是否出现了地址越界的情况。

if((blk_rq_pos(req)<<SECTOR_SIZE_SHIFT)+blk_rq_bytes(req)>SIMP_BLKDEV_BYTES){
            blk_end_request_all(req, -EIO);
            continue;
        }

若请求合法，则获取当前地址位置。

disk_mem =zombotany_blkdev_data + (blk_rq_pos(req) << SECTOR_SIZE_SHIFT);
req_bio = req->bio;

判断请求类型，处理读请求与写请求的过程大同小异的。在处理读请求时，遍历请求列表，找到缓冲区与bio，将磁盘内容复制到缓冲区。找到磁盘下一区域，然后处理请求队列下一个请求。

while(req_bio != NULL){
  for(i=0; i<req_bio->bi_vcnt; i++){
    bvec = &(req_bio->bi_io_vec[i]);
    buffer = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;
    memcpy(buffer, disk_mem, bvec->bv_len);
    kunmap(bvec->bv_page);
        disk_mem += bvec->bv_len;
        }
    req_bio = req_bio->bi_next;
    }
    __blk_end_request_all(req, 0);
    break;

在处理写请求时，是把缓冲区内容复制到磁盘上。只需在调用memcpy时将两个参数互换即可，其余相同。

memcpy(disk_mem, buffer, bvec->bv_len);

该部分代码如下：

while(req_bio != NULL){
                for(i=0; i<req_bio->bi_vcnt; i++){
                    bvec = &(req_bio->bi_io_vec[i]);
                    buffer = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;
                    memcpy(disk_mem, buffer, bvec->bv_len);
                    kunmap(bvec->bv_page);
                    disk_mem += bvec->bv_len;
                }
                req_bio = req_bio->bi_next;
            }
            __blk_end_request_all(req, 0);
            break;

该模块完整代码见附录，文件名为zombotany_blkdev.c

在编写完模块代码后，还需要编写Makefile文件。Linux的文件系统中，文件没有扩展名。Makefile文件没有扩展名。

首先，在第一次读取执行此Makefile时，KERNELRELEASE没有被定义，所以make只会执行else之后的内容。

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

得到内核源码的路径与当前的工作路径

KDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD := $(shell pwd)

若之前执行过Makefile，则需要清理掉之前编译过的模块。

modules:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
  modules_install:
$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
        rm -rf *.o *.ko .depend *.mod.o *.mod.c Module.* modules.*
.PHONY:modules modules_install clean

生成.o文件

else
    obj-m := simp_blkdev.o
  endif

Makefile完整代码见附录。

5.3 操作流程

将模块源码zombotany_blkdev.c和Makefile文件放在同一目录下，如图18。

在该目录下打开控制台，输入make。则能正确地生成.o文件和.ko文件

该模块编译完成后，对其进行的测试与分析的结果详见第六章节。

六、个人结果测试与分析

模块编译完成后，首先回到该目录，执行语句insmod zombotany_blkdev.ko，将刚编译完成的zombotany_blkdev.ko模块插入。执行完成后，再执行lsmod，查看当前系统中的块设备列表。可以看到，zombotany_blkdev已经存在，已经被插入过了，且大小为256MB。也可以执行lsblk，查看当前块设备。

在根目录下的/dev/ 路径中，可以看到zombotany_blkdev已经被插入了。执行ls /dev/

在插入完成后，需要对该模块进行格式化，建立文件系统。输入mkfs.ext3 /dev/zombotany_blkdev，则在该内存模拟设备上建立了ext3文件系统。

在建立完成文件系统后，就可以将该设备挂载到文件系统的目录下。首先需要创建需要挂载的目录。mkdir -p /mnt/temp1。将块设备挂载到该目录下。mount /dev/zombotany_blkdev /mnt/temp1。再运行mount | grep zombotany_blkdev。即挂载完成。

再次执行lsmod，查看模块被调用的情况。该模块被一个用户调用。

执行ls/mnt/temp1/ 则看到当前块设备有且只有一个文件：lost+found文件。将当前目录所有文件都复制到块设备上，例如当前在该模块的源代码文件夹目录上。执行cp ./* /mnt/temp1/完成复制，再查看当前块设备文件名单。执行ls /mnt/temp1/，则可以看到该块设备被正确地写入了文件，并可以被读取到。

执行df -H，则查看当前各个设备使用情况。新增的设备zombotany_blkdev已用了2.9MB。

执行vi /mnt/temp1/zombotany_blkdev.c，还能读取这个文件。

最后对该模块进行卸载。首先删除该目录内所有文件。rm -rf /mnt/temp1/*。

先取消挂载。执行umount /mnt/temp1后执行lsmod | grep zombotany_blkdev。可以看到，这个256MB大小的设备被0个用户调用。

执行rmmod zombotany_blkdev。该语句的作用是移除该模块。运行完成后，再次执行lsmod grep zombotany_blkdev。可以在控制台上看到系统并没有任何输出。说明：zombotany_blkdev模块已经彻底被移除了。

简而言之，通过测试与分析，本新增模块正确地完成了题目要求：使用模块编译的方式。可以动态加载和卸载新的驱动，如图21与28所示。可以通过命令行使用该驱动，在测试过程中每一步都有所体现。至少能保存256MB数据，并且能读取出来，如图26与27所示。需要重新编译Linux内核，模仿ramdisk实现方式。详见章节四与章节5.1。

七、小组整合

7.1本组分工情况

如表1所示

表1 小组分工