一、设计内容及具体要求
新增Linux驱动程序
增加一个驱动程序（使用内存模拟设备），使用模块编译方式。
要求：
（1）可以动态加载和卸载新的驱动。
（2）通过程序或命令行使用该驱动。
（3）至少能通过该驱动保存256MB的数据，还能将这些数据读取出来。
（4）要重新编译Linux内核，可模仿ramdisk的实现方式。
二、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。在第五章节中，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。
三、 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。
四、操作流程
将模块源码zombotany_blkdev.c和Makefile文件放在同一目录下。
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
五、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。
附录
Makefile
ifeq ($(KERNELRELEASE),) KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd) 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 else obj-m := zombotany_blkdev.o endif
zombotany_blkdev.c
#include <linux/module.h> #include <linux/blkdev.h> #define SIMP_BLKDEV_DISKNAME "zombotany_blkdev"//设备名称 #define SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR COMPAQ_SMART2_MAJOR //主设备号 #define SIMP_BLKDEV_BYTES (256*1024*1024) // 块设备大小为256MB #define SECTOR_SIZE_SHIFT 9//9个扇区 static struct gendisk * zombotany_blkdev_disk;// gendisk结构表示一个简单的磁盘设备 static struct block_device_operations zombotany_blkdev_fops = { .owner = THIS_MODULE,//设备主体 }; static struct request_queue * zombotany_blkdev_queue;//指向块设备请求队列的指针 unsigned char zombotany_blkdev_data[SIMP_BLKDEV_BYTES];// 虚拟磁盘块设备的存储空间 //请求处理函数 static void zombotany_blkdev_do_request(struct request_queue *q){ struct request *req;// 正在处理的请求队列中的请求 struct bio *req_bio;// 当前请求的bio struct bio_vec *bvec;// 当前请求的bio的段(segment)链表 char *disk_mem; // 需要读/写的磁盘区域 char *buffer; // 磁盘块设备的请求在内存中的缓冲区 while((req = blk_fetch_request(q)) != NULL){//得到请求 // 判断当前请求是否合法 if((blk_rq_pos(req)<<SECTOR_SIZE_SHIFT) + blk_rq_bytes(req) > SIMP_BLKDEV_BYTES){//判断地址是否越界访问 printk(KERN_ERR SIMP_BLKDEV_DISKNAME":bad request:block=%llu, count=%u\n",(unsigned long long)blk_rq_pos(req),blk_rq_sectors(req));//越界访问了，则输出 blk_end_request_all(req, -EIO); continue;//获取下一请求 } //获取需要操作的内存位置 disk_mem = zombotany_blkdev_data + (blk_rq_pos(req) << SECTOR_SIZE_SHIFT); req_bio = req->bio;// 获取当前请求的bio switch (rq_data_dir(req)) { //判断请求的类型 case READ: // 遍历req请求的bio链表 while(req_bio != NULL){ // for循环处理bio结构中的bio_vec结构体数组（bio_vec结构体数组代表一个完整的缓冲区） for(int 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);//把内存中数据复制到缓冲区 kunmap(bvec->bv_page); disk_mem += bvec->bv_len; } req_bio = req_bio->bi_next;//请求链表下一个项目 } __blk_end_request_all(req, 0);//被遍历完了 break; case WRITE: while(req_bio != NULL){ for(int 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);//把缓冲区中数据复制到内存 kunmap(bvec->bv_page); disk_mem += bvec->bv_len; } req_bio = req_bio->bi_next;//请求链表下一个项目 } __blk_end_request_all(req, 0);//请求链表遍历结束 break; default: /* No default because rq_data_dir(req) is 1 bit */ break; } } } //模块入口函数 static int __init zombotany_blkdev_init(void){ int ret; //添加设备之前，先申请设备的资源 zombotany_blkdev_disk = alloc_disk(1); if(! zombotany_blkdev_disk){ ret = -ENOMEM; goto err_alloc_disk; } //设置设备的有关属性(设备名，设备号，fops指针 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; //将块设备请求处理函数的地址传入blk_init_queue函数，初始化一个请求队列 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; //初始化扇区数 set_capacity( zombotany_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>9); //入口处添加磁盘块设备 add_disk( zombotany_blkdev_disk); return 0; err_alloc_disk: return ret; err_init_queue: return ret; } //模块的出口函数 static void __exit zombotany_blkdev_exit(void){ // 释放磁盘块设备 del_gendisk( zombotany_blkdev_disk); // 释放申请的设备资源 put_disk( zombotany_blkdev_disk); // 清除请求队列 blk_cleanup_queue( zombotany_blkdev_queue); } module_init( zombotany_blkdev_init);// 声明模块的入口 module_exit( zombotany_blkdev_exit);// 声明模块的出口
