程序员经验分享-hwhale

linux的mmc子系统与块设备关联

2023-11-17

1.前言

本文主要block组件的主要流程，在介绍的过程中，将详细说明和block相关的流程，涉及到其它组件的详细流程再在相关文章中说明。

2.主要数据结构和API

2.1 struct mmc_card

Elemete Name struct mmc_card
Path include/linux/mmc/card.h
Responsiblities

 是对mmc device的抽象，由于定义了mmc_bus_type类型的总线，此处mmc_card是与mmc_bus_type配套
Attributions
  • host：struct mmc_host *类型，这个mmc device属于哪个host管理；
  • dev：struct device类型，代表设备驱动模型中的一个 device
  • ocr：当前的操作电压设置
  • rca：device的relative card address
  • type：卡的类型，包括MMC/SD/SDIO/COMBO(SDIO+MEM)
  • state:卡的状态，在线、只读、是否使用block地址、是否是SDXC卡、卡被移除、卡在BKOPS、卡在suspend
  • quirks:卡的一些其它怪癖属性
  • erase_size：单位sectors
  • erase_shift：可以擦除的 sectors是2的多少次方
  • pref_erase：单位sectors
  • eg_boundary
  • erased_byte：擦除的字节数
  • raw_cid：原始的CID值
  • raw_csd：原始的CSD值
  • raw_scr：原始的raw_scr值
  • cid：struct mmc_cid类型，卡identification
  • csd：struct mmc_csd类型，保存从卡的CSD寄存器读取的内容
  • ext_csd：struct mmc_ext_csd类型，卡扩展信息
  • scr:其它的SD信息
  • ssr：更多的SD信息
  • sw_caps：swicth能力
  • sdio_funcs：SDIO功能的个数
  • cccr：struct sdio_cccr类型，卡的通常信息
  • cis：struct sdio_cis
  • sd_bus_speed：bus speed mode
  • mmc_avail_type：host和card都支持的设备类型
  • drive_strength：驱动能力，用于UHS-I, HS200 or HS400
  • debugfs_root：struct dentry *类型，用于debugfs显示根目录
  • part：struct mmc_part类型，物理分区
  • nr_parts：物理分区的个数
Operations

2.2 struct mmc_driver

Elemete Name struct mmc_driver
Path include/linux/mmc/card.h
Responsiblities

mmc driver，由于定义了mmc_bus_type类型的总线，此处mmc_driver是与mmc_bus_type配套
Attributions
  • drv：struct device_driver类型
  • probe，remove，shutdown:mmc driver相关函数
Operations
  •  int mmc_register_driver(struct mmc_driver *drv)

 设置总线类型，并将drv加入到设备驱动模型中

  • void mmc_unregister_driver(struct mmc_driver *drv)

将drv从设备驱动模型中移除

2.3 struct mmc_blk_data

Elemete Name struct mmc_blk_data
Path drivers/mmc/card/block.c
Responsiblities

mmc_blk_data为block的核心结构体，用于存放mmc block的一些数据，与mmc slot对应
Attributions
  • lock：spinlock_t类型
  • disk：struct gendisk *类型，代表一个磁盘设备
  • queue：struct mmc_queue类型，请求队列
  • part：分区链表
  • flags：
  • usage：
  • read_only：
  • part_type：
  • name_idx：
  • reset_done：
  • part_curr：
  • force_ro：
  • power_ro_lock：
  • area_type：
Operations

3. 主要流程

3.1 mmc_blk_init

mmc_blk_init->

　　初始化max_devices

　　register_blkdev

　　mmc_register_driver

module_init(mmc_blk_init)会执行到此函数

  • 初始化max_devices：设定最多支持多少个mmc块设备给max_devices
每类块设备支持256个次设备号，每个块设备有16个次设备号（16个分区），由此得出支持的最大的mmc块设备数max_devices为256/16=16，每个此设备号对应一个分区？
  • register_blkdev:向全局的struct blk_major_name类型的数组major_names注册本块设备的主设备号和设备名

mmc子系统对于上层block子系统来讲是首先抽象为一个普通的块设备。
通过register_blkdev向block子系统注册一个block设备，主设备号为MMC_BLOCK_MAJOR，设备名为“mmc”。
通过分配一个blk_major_name结构体，来保存主设备号和设备名，blk_major_name被保存到全局的blk_major_name数组中。
如果不指定主设备号，将查询全局的blk_major_name结构体找到一个未用的主设备号来使用，并将此主设备号作为返回值返回。
major_names中的信息会出现在/proc/devices中。
因此可以看出，注册做的事情实际上非常少。注册完成后，除了能够在/proce/devices中看到设备之外，不能对设备做任何事情，设备还无法使用，只有当block_device与gendisk建立关联用户空间才可以访问

  • mmc_register_driver(&mmc_driver)
设备驱动模型中通过driver_register将mmc_driver注册到mmc_bus_type上

3.2 mmc_blk_exit

mmc_blk_exit->

　　mmc_unregister_driver

　　unregister_blkdev

在退出的时候会执行mmc_blk_exit，与mmc_blk_init相反的动作，主要包括：

  • mmc_unregister_driver(&mmc_driver)
从mmc_bus_type上将mmc_driver注销
  •  unregister_blkdev(MMC_BLOCK_MAJOR, "mmc");
从全局的struct blk_major_name类型的数组major_names中注销主设备号为MMC_BLOCK_MAJOR名为mmc的blk_major_name结构体
释放对应的blk_major_name结构体

3.3 mmc_blk_probe

mmc_blk_probe->

       mmc_blk_alloc->

              mmc_blk_alloc_req->

　　　　　　　 alloc_disk

                     mmc_init_queue->

　　　　　　　　　　blk_queue_prep_rq

                            kthread_run(mmc_queue_thread, mq);

　　mmc_blk_alloc_parts(card, md))

　　mmc_add_disk->

    　　block_add_disk

初始化时mmc_blk_init中会执行mmc_register_driver，而前文所述执行mmc_attach_mmc时会通过mmc_add_card将mmc_card注册到mmc bus，这样就触发了执行前文所述的mmc_blk_probe函数，后面有详细解释mmc_blk_probe的执行过程

mmc_blk_probe最主要的是初始化了request queue；初始化disk，同时通过mmc_add_disk将磁盘添加到系统中，使之可用

  • mmc_blk_alloc_req

创建并初始化请求队列，启动线程循环抓取请求队列中的request，调用request处理函数进行处理

（1）分配mmc_blk_data结构体md并初始化，同时mmc_queue作为mmc_blk_data的成员也被创建
mmc_blk_data为block的核心结构体，与mmc_card关联，用于存放mmc_card相关数据，每个mmc slot即每个mmc设备对应一个mmc_blk_data结构体。
此处会分配mmc_blk_data结构体md，同时mmc_queue作为mmc_blk_data的成员也被创建。并标识dev_use的bitmap来记录已经分配的mmc device，
也就是说dev_use是与实际的物理设备相对应的，不是跟分区对应的，dev_use的index用dev_idx来记录
注意到此处MMC_BLK_DATA_AREA_MAIN表示主分区的区域(mmc_blk_data与设备对应，此处看又像是与分区对应？？)。
MMC分区类型包括如下几种：
#define MMC_BLK_DATA_AREA_MAIN  (1<<0)
#define MMC_BLK_DATA_AREA_BOOT  (1<<1)
#define MMC_BLK_DATA_AREA_GP    (1<<2)
#define MMC_BLK_DATA_AREA_RPMB  (1<<3)

（2） alloc_disk(perdev_minors)：分配gendisk结构体保存到md中，gendisk与磁盘设备对应

（3）mmc_init_queue(queue_c)：创建并初始化请求队列
通过调用block子系统接口blk_init_queue来初始化请求队列，其中mmc_request_fn为处理请求的回调函数
blk_queue_prep_rq(mq->queue, mmc_prep_request)设定requet_queue的prep回调函数；
mmc_alloc_sg(host->max_segs, &ret)分配max_segs个scatterlist用于request请求（只是分配scatterlist，并未分配存放数据的内存），
返回分配的scatterlist个数
kthread_run(mmc_queue_thread, mq) 起一个kennel thread运行mmc_queue_thread来处理上层发送下来的request，对每个reqeust执行issue_fn回调

注：issue_fn回调在下面指定为mmc_blk_issue_rq
（4）指定issue_fn回调为mmc_blk_issue_rq，mmc_blk_issue_rq是具体的mmc request处理函数

  • mmc_blk_alloc_parts(card, md))

  • mmc_add_disk
为了将一个磁盘添加到系统中，对系统可用，必须初始化磁盘数据结构并调用add_disk方法。
需要特别注意的是一旦调用了add_disk，磁盘就被“激活”了，系统随时都可能会调用该磁盘提供的各种方法，
甚至在该函数返回之前就会调用，因而在完成磁盘结构的初始化之前，不要调用add_disk。

3.4 mmc_add_disk

mmc_add_disk->

　　device_add_disk

device_add_disk的原型为void device_add_disk(struct device *parent, struct gendisk *disk) 它完成的工作主要包括：

(1)根据磁盘的主次设备号信息为磁盘分配设备号；

(2)调用disk_alloc_events初始化磁盘的事件（alloc|add|del|release）处理机制。在最开始磁盘事件会被设置为被阻塞的。

(3)调用bdi_register_dev将磁盘注册到bdi_list，注：bdi用于将page_cache或buffer_cache中的脏数据刷新到磁盘

(4)调用blk_register_region将磁盘添加到bdev_map中（通过设备号可以获取kobject从而得到包含它的父对象进行操作）

(5)调用register_disk将磁盘添加到系统中。

(6)调用blk_register_queue注册磁盘的请求队列。主要是为队列和队列的调度器在设备的sys文件系统目录中创建相应的sys目录/文件，并且发出uevent事件。

(7)调用disk_add_events完成在/sys文件系统的设备目录下创建磁盘的事件属性文件，将磁盘事件添加到全局链表disk_events中，解除对磁盘事件的阻塞。

关于probe函数是如何被调用到的？

一般我们认为mmc_blk_probe的执行一定需要mmc_driver与mmc_device的匹配才可以，实际上没有mmc_device,  而是有mmc_card，mmc_blk_probe的执行经历如下历程：

（1）先来看mmc_register_driver的流程

       mmc_register_driver->

              driver_register->

                     driver_find//bus查看driver是否已经注册，如果已经注册则退出,否则bus add driver

                     bus_add_driver->

                            driver_attach->

                                   bus_for_each_dev//此处由于还没有device注册，因此会退出

显然mmc_blk_probe的执行不是在mmc_register_driver的时候，那么肯定是在device_register的时候,看看我们的假设是否正确，继续往下看

（2）mmc_alloc_card， mmc_add_card

通过浏览代码，我们发现在mmc/core/bus_c中有mmc_alloc_card和mmc_add_card

mmc_alloc_card：mmc_attach_mm->mmc_init_card初始化并分配一个新的mmc_card结构体，实际上是创建device设备；

mmc_add_card：mmc_attach_mmc->mmc_add_card时调用，通过调用device_add(&card->dev)来完成设备的注册，过程如下：

              mmc_add_card->

                            device_add->

                                   bus_probe_device->

                                          device_attach->

                                                 __device_attach->

                                                               driver_match_device->

                                                               mmc_bus_match//此函数的特殊之处在于总是返回值为1

                                                        driver_probe_device->

                                                               really_probe->

                                                                      mmc_bus_probe->

                                                                             mmc_blk_probe

mmc_blk_probe的执行不是靠device和driver的匹配，而是将匹配函数mmc_bus_match总是返回1，如下：

static int mmc_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)

{

       return 1;

}

这样就可以执行到mmc_bus_type的probe函数进而执行到mmc_blk_probe。

3.5 mmc_queue_thread

线程处理函数，用于循环抓取请求队列中的request并交给请求处理函数进行处理

mmc_queue_thread->

     　 blk_fetch_request

         issue_fn(mmc_blk_issue_rq)->

             mmc_blk_issue_rw_rq->

                 mmc_blk_rw_rq_prep

                 mmc_start_req –>

                     mmc_wait_for_data_req_done->

                         mmc_blk_err_check

                         host->ops->request

 mmc_queue_thread是在mmc_init_quene中起的线程，主要作用是完成上层发送的请求进行处理

  •  blk_fetch_request
从请求队列中取出一个request
  • issue_fn
由前面可知issue_fn在mmc_blk_probe->mmc_blk_alloc_req时将issue_rq初始化为mmc_blk_issue_rq,请求有几种包括：discard, flush, 以及rw
  • mmc_blk_issue_rw_rq
首先通过mmc_blk_rw_rq_prep来做一些准备工作，获取命令号、命令参数等，然后通过mmc_start_req发起请求
  • mmc_start_req
通过mmc_wait_for_data_req_done发起真正的请求，并等待请求结束。
mmc_wait_for_data_req_done会回调控制器的request函数发起请求，然后mmc_blk_err_check检查是否有错误发生，
如果有错误发生将尝试recovery进行修复开始新的传输

3.6 mmc_blk_issue_rq

mmc_blk_issue_rq->

　　 mmc_claim_host

　　mmc_blk_part_switch

　　mmc_blk_issue_rw_rq->

　　　　mmc_blk_prep_packed_list

　　　　mmc_blk_rw_rq_prep

　　　　mmc_start_req->

　　　　　　__mmc_start_data_req

　　　　mmc_queue_bounce_post

　　　　检查mmc_start_req返回的状态

mmc_blk_issue_rq对发送的mmc request进行具体的处理。

  • mmc_claim_host
实际上是声明当前进程占有host controller，如果有其它进程占有则需要等待，详细的可参考Linux mmc framework2：基本组件之core
  • mmc_blk_part_switch
通过MMC_SWITCH命令对EXT_CSD寄存器的PARTITION_CONFIG(bit[179])进行设置，主要包括boot是否使能、用哪个分区做boot分区、选择要访问的分区。
如果MMC_SWITCH命令出错，将通过blk_end_request_all终止request
  • mmc_blk_issue_rw_rq
根据req->cmd_flags的命令做不同的事情。REQ_SANITIZE、REQ_DISCARD、REQ_FLUSH分别为
. mmc_blk_issue_secdiscard_rq 和mmc_blk_issue_discard_rq
. mmc_blk_issue_flush
. mmc_blk_issue_rw_rq(这个是我们要分析的读写数据流程

1. mmc_blk_prep_packed_list尝试把当前request和队列中的其他request合并，以增强性能。是否可以合并，要依赖于：
控制器支持packed功能;
device的MAX_PACKED_WRITES 大于0;
只对写request进行packed

2. mmc_blk_rw_rq_prep:正常情况下执行mmc_blk_rw_rq_prep函数，从request构造mmc_request，毕竟下发给host请求，是mmc_request，而不是block层通用的request。
如果支持packed功能，那么就用pack_list来构造mmc_request

3. mmc_start_req：mmc_start_req 启动一个非阻塞的request，这个函数会等待前一个request完成，然后启动当前requeset，并立刻返回
如果mmc_start_req返回的areq不为空，说明完成了上一次的request

  • mmc_start_req
  • mmc_start_req 启动一个非阻塞的request，这个函数会等待前一个request完成，然后启动当前requeset，并立刻返回 如果mmc_start_req返回的areq不为空，说明完成了上一次的request

1. 首先它会执行到mmc_wait_for_data_req_done函数，等待上一次的命令的完成，如果上一次未完成就会将当前进程加入等待队列休眠，等待被唤醒。

   当上一次完成后会立即返回，并将上一次命令执行的状态返回给mmc_blk_issue_rw_rq。

2、if (host->areq) {

  　　err = mmc_wait_for_data_req_done(host, host->areq->mrq, areq);

host->areq不为空，说明有正在处理的reuqest，函数mmc_wait_for_data_req_done用来等待这个host->areq，有两个条件会唤醒该MMC上下文: is_done_rcv和is_new_req

3. if (!err && areq)      

 　　start_err = __mmc_start_data_req(host, areq->mrq);

进入__mmc_start_data_req(host, areq->mrq);

(1)首先会将函数指针mmc_wait_data_done赋给mrq->done.

mmc_wait_data_done会设置context_info->is_done_rcv=true，这正好是唤醒mmc_wait_for_data_req_done的条件之一，然后调wake_up_interruptible(&context_info->wait);唤醒之。

(2)然后会调用mmc_start_request(host, mrq);

 mmc_start_reuqest实际调用host->ops->request方法，进入了平台特定的request函数

进入特定的平台之后，会进入相应的中断对硬件进行读写的命令的执行，当命令执行完毕后，会进行函数回调调到刚才的mmc_wait_data_done唤醒等待的进程进行下一次命令的执行。

  •  mmc_queue_bounce_post
如果使用了bounce buffer，那么需要把传输结果从bounce buffer复制会sg buffer。
所谓bounce buffer是因为某些DMA控制器只能处理连续物理内存，此时需要通过bounce buffer来达到物理内存连续性。
  • 检查mmc_start_req返回的状态
1. 如果是MMC_BLK_SUCCESS或者MMC_BLK_PARTIAL，需要调用blk_end_request通知block设备层，完成了本次读写request。
2. 如果是MMC_BLK_CMD_ERR，那么调用mmc_blk_reset复位host。调用mmc_blk_cmd_err尝试blk_end_request，如果发现reuqest未完成，说明本次操作失败，反之成功start_new_req
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