塊裝置請求項隊列及硬碟驅動

linux0.11在讀寫塊裝置的時候，並不直接對塊裝置進行操作，而是藉由低級的ll_rw_block函數通過請求項來與裝置進行聯絡，也即加入了一個中間環節。當然，你也可以直接對塊裝置進行操作，但是直接操作會存在一些問題：

1. 同一個進程在寫的過程中就不能發出讀的請求，反之，在讀的過程中也不能發出寫的請求。

2. 當一個進程正在對硬碟進行寫或者讀的時候，其他進程就不能發出硬碟操作命令，只能進入睡眠狀態，等待硬碟空閑，而不能做其他事情。

所以要解決上面的問題，最好的方法就是定義一個請求隊列，將進程發出的各種請求放在隊列中，至於什麼時候硬碟開始讀寫就不用管了，進程就可以執行其它的操作。定義這個隊列的另一個優點就是可以使用所謂的電梯演算法，在頻繁進行磁碟操作的時候可以非常有效減少磁頭移動的總距離，增加磁碟壽命。

linux0.11定義的請求項的資料結構如下：

struct request {int dev;/* -1 if no request */int cmd;/* READ or WRITE */int errors;unsigned long sector;unsigned long nr_sectors;char * buffer;struct task_struct * waiting;struct buffer_head * bh;struct request * next;};struct request request[NR_REQUEST];

一共定義了32個請求，然後為每個塊裝置又再定義一個結構，用於指定裝置的請求項操作函數do_xx_request。

struct blk_dev_struct {void (*request_fn)(void);struct request * current_request;};struct blk_dev_struct blk_dev[NR_BLK_DEV] = {{ NULL, NULL },/* no_dev */{ NULL, NULL },/* dev mem */{ NULL, NULL },/* dev fd */{ NULL, NULL },/* dev hd */{ NULL, NULL },/* dev ttyx */{ NULL, NULL },/* dev tty */{ NULL, NULL }/* dev lp */};

每種裝置佔用結構體數組中固定的一項，並且與主裝置號序號一致，比如對於硬碟裝置，其主裝置號是0x03。

在硬碟初始化的時候（hd_init()）就已經為硬碟指定了請求項的操作函數do_hd_request，所有進行硬碟讀寫的操作最終都會調用這個函數。當高層執行塊裝置讀寫操作的時候會調用低層ll_rw_block函數擷取主裝置號，然後又調用make_request函數從請求項隊列中擷取一個空的請求項，並將資訊填入該請求項結構體，最後調用add_request函數。在add_request函數中，首先會判斷當前請求項是否正忙，也即判斷current_request指標是否為空白，如果為空白，則表示當前硬碟處於空閑中，因此可以立即對硬碟進行操作，如果current_request指標不為空白，表示硬碟正忙，則將當前請求項插入到請求項隊列中，注意插入之前會對隊列中的請求項以電梯演算法進行排序。

整個調用流程如下圖所示：

由於塊裝置的I/O響應較慢，因此在實際的讀寫過程中需要安排一個緩衝環節，其中高速緩衝區的存在就已經非常好的平衡了檔案系統層與裝置層之間速度不匹配的情況，而這裡在裝置層中安排的請求項隊列其實也算是一個緩衝環節，採用一個隊列資料結構將各種塊裝置的請求以一定的順序依次進行響應，這樣又再一次提升了作業系統的效能。

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從上圖可以看出普通硬碟主要包括3個部分：磁頭，磁軌(也稱柱面)和扇區。因此一個硬碟的容量就與這3方面有關。

磁頭(heads)：一張碟片包含兩個磁頭（正反兩面）。

磁軌(柱面，cylinders)：盤面上一圈一圈的同心圓。

扇區(sectors)：磁軌上的一小塊地區。

注意：儘管越往圓心處磁軌周長越小，但是每個磁軌上的扇區數是相等的。因為越往圓心，每個扇區所佔面積將越小。
硬碟讀寫的最小單位是扇區，想象將硬碟所有磁軌展開，然後首尾相連，所有扇區順序排列，所以要擷取或設定硬碟中一個扇區的資料（定位一個扇區），必須向硬碟提供這3個參數：磁頭號，柱面號以及扇區號。比如硬碟的MBR扇區定位為：0磁頭，0柱面，1扇區。

硬碟的扇區被上層抽象成邏輯塊(block)，一個邏輯塊佔用兩個扇區，硬碟開始表示第1塊，這樣上層程式就可以通過邏輯塊號訪問硬碟。所以上層要訪問硬碟中的某一邏輯塊的內容，首先要將該邏輯號轉換為順序扇區號（sector=block x 2），然後將順序扇區號轉換為磁頭號，柱面號以及扇區號，最後在該扇區處讀寫兩個扇區的內容。

順序扇區號轉換為磁頭號，柱面號以及扇區號的公式如下：

sector / track_secs = 整數是tracks，餘數是sec

tracks / dev_heads = 整數是cyl，餘數是head

其中：

輸入：sector：順序扇區號；dev_heads：磁頭總數；track_secs：每磁軌的扇區數；tracks：當前磁軌總數。

輸出：head, cys, sec

參考文獻：

趙炯，linux核心完全注釋.