linux0.11内核完全剖析 - ramdisk.c

声明：

参考《linux内核完全剖析基于linux0.11》--赵炯    节选

1、功能描述

        本文件是内存虚拟盘（ Ram Disk ）驱动程序，由 Theodore Ts'o 编制。虚拟盘设备是一种利用物理内
存来模拟实际磁盘存储数据的方式。其目的主要是为了提高对“磁盘”数据的读写操作速度。除了需要
占用一些宝贵的内存资源外，其主要缺点是一旦系统崩溃或关闭，虚拟盘中的所有数据将全部消失。因
此虚拟盘中通常存放一些系统命令等常用工具程序或临时数据，而非重要的输入文档。
        当在 linux/Makefile 文件中定义了常量 RAMDISK ，内核初始化程序就会在内存中划出一块该常量值
指定大小的内存区域用于存放虚拟盘数据。虚拟盘在物理内存中所处的具体位置是在内核初始化阶段确
定的（ init/main.c ， 123 行），它位于内核高速缓冲区和主内存区之间。若运行的机器含有 16MB 的物理
内存，那么虚拟盘区域会被设置在内存 4MB 开始处，虚拟盘容量即等于 RAMDISK 的值（ KB ）。若
RAMDISK=512 ，则此时内存情况见下图 所示。

     

        对虚拟盘设备的读写访问操作原则上完全按照对普通磁盘的操作进行，也需要按照块设备的访问方
式对其进行读写操作。由于在实现上不牵涉与外部控制器或设备进行同步操作，因此其实现方式比较简
单。对于数据在系统与设备之间的“传送”只需执行内存数据块复制操作即可。
        本程序包含 3 个函数。 rd_init() 会在系统初始化时被 init/main.c 程序调用，用于确定虚拟盘在物理内
存中的具体位置和大小； do_rd_request() 是虚拟盘设备的请求项操作函数，对当前请求项实现虚拟盘数据
的访问操作； rd_load() 是虚拟盘根文件加载函数。在系统初始化阶段，该函数被用于尝试从启动引导盘
上指定的磁盘块位置开始处把一个根文件系统加载到虚拟盘中。在函数中，这个起始磁盘块位置被定为
256 。当然你也可以根据自己的具体要求修改这个值，只要保证这个值所规定的磁盘容量能容纳内核映象
文件即可。这样一个由内核引导映象文件（ Bootimage ）加上根文件系统映象文件（ Rootiamge ）组合而
成的“二合一”磁盘，就可以象启动 DOS 系统盘那样来启动 Linux 系统。关于这种组合盘的制作方式留
给读者自己考虑。
        在进行正常的根文件系统加载之前，系统会首先执行 rd_load() 函数，试图从磁盘的第 257 块中读取
根文件系统超级块。若成功，就把该根文件映象文件读到内存虚拟盘中，并把根文件系统设备标志
ROOT_DEV 设置为虚拟盘设备（ 0x0101 ），否则退出 rd_load() ，系统继续从别的设备上执行根文件加载
操作。

2.代码注释

linux/kernel/blk_drv/ramdisk.c 程序

/*
* linux/kernel/blk_drv/ramdisk.c
*
* Written by Theodore Ts'o, 12/2/91
*/
/* 由 Theodore Ts'o 编制，12/2/91
*/

// Theodore Ts'o (Ted Ts'o)是 linux 社区中的著名人物。Linux 在世界范围内的流行也有他很大的
// 功劳，早在 Linux 操作系统刚问世时，他就怀着极大的热情为 linux 的发展提供了 maillist，并
// 在北美洲地区最早设立了 linux 的 ftp 站点（tsx-11.mit.edu），而且至今仍然为广大 linux 用户
// 提供服务。他对 linux 作出的最大贡献之一是提出并实现了 ext2 文件系统。该文件系统已成为
// linux 世界中事实上的文件系统标准。最近他又推出了 ext3 文件系统，大大提高了文件系统的
// 稳定性和访问效率。作为对他的推崇，第 97 期（2002 年 5 月）的 linuxjournal 期刊将他作为
// 了封面人物，并对他进行了采访。目前，他为 IBM linux 技术中心工作，并从事着有关 LSB
// (Linux Standard Base)等方面的工作。(他的主页：http://thunk.org/tytso/)

#include  // 字符串头文件。主要定义了一些有关字符串操作的嵌入函数。

#include  // 内核配置头文件。定义键盘语言和硬盘类型（HD_TYPE）可选项。
#include  // 调度程序头文件，定义了任务结构 task_struct、初始任务 0 的数据，
// 还有一些有关描述符参数设置和获取的嵌入式汇编函数宏语句。
#include  // 文件系统头文件。定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode 等）。
#include  // 内核头文件。含有一些内核常用函数的原形定义。
#include  // 系统头文件。定义了设置或修改描述符/中断门等的嵌入式汇编宏。
#include  // 段操作头文件。定义了有关段寄存器操作的嵌入式汇编函数。
#include  // 内存拷贝头文件。含有 memcpy()嵌入式汇编宏函数。

#define MAJOR_NR 1 // RAM 盘主设备号是 1。主设备号必须在 blk.h 之前被定义。
#include "blk.h"

char *rd_start; // 虚拟盘在内存中的起始位置。在 52 行初始化函数 rd_init()中
// 确定。参见(init/main.c,124)（缩写 rd_代表 ramdisk_）。
int rd_length = 0; // 虚拟盘所占内存大小（字节）。

// 虚拟盘当前请求项操作函数。程序结构与 do_hd_request()类似(hd.c,294)。
// 在低级块设备接口函数 ll_rw_block()建立了虚拟盘（rd）的请求项并添加到 rd 的链表中之后，
// 就会调用该函数对 rd 当前请求项进行处理。该函数首先计算当前请求项中指定的起始扇区对应
// 虚拟盘所处内存的起始位置 addr 和要求的扇区数对应的字节长度值 len，然后根据请求项中的
// 命令进行操作。若是写命令 WRITE，就把请求项所指缓冲区中的数据直接复制到内存位置 addr
// 处。若是读操作则反之。数据复制完成后即可直接调用 end_request()对本次请求项作结束处理。
// 然后跳转到函数开始处再去处理下一个请求项。
void do_rd_request(void)
{
	int len;
	char *addr;

	// 检测请求项的合法性，若已没有请求项则退出(参见 blk.h,127)。
	INIT_REQUEST;
	// 下面语句取得 ramdisk 的起始扇区对应的内存起始位置和内存长度。
	// 其中 sector << 9 表示 sector * 512，CURRENT 定义为(blk_dev[MAJOR_NR].current_request)。
	addr = rd_start + (CURRENT->sector << 9);
	len = CURRENT->nr_sectors << 9;
	// 如果子设备号不为 1 或者对应内存起始位置>虚拟盘末尾，则结束该请求，并跳转到 repeat 处。
	// 标号 repeat 定义在宏 INIT_REQUEST 内，位于宏的开始处，参见 blk.h，127 行。
	if ((MINOR(CURRENT->dev) != 1) || (addr+len > rd_start+rd_length)) {
		end_request(0);
		goto repeat;
	}
	// 如果是写命令(WRITE)，则将请求项中缓冲区的内容复制到 addr 处，长度为 len 字节。
	if (CURRENT-> cmd == WRITE) {
		(void ) memcpy(addr,
		CURRENT->buffer,
		len);
	// 如果是读命令(READ)，则将 addr 开始的内容复制到请求项中缓冲区中，长度为 len 字节。
	} else if (CURRENT->cmd == READ) {
		(void) memcpy(CURRENT->buffer,
		addr,
		len);
	// 否则显示命令不存在，死机。
	} else
		panic( "unknown ramdisk-command" );
	// 请求项成功后处理，置更新标志。并继续处理本设备的下一请求项。
	end_request(1);
	goto repeat;
}

/*
* Returns amount of memory which needs to be reserved.
*/
/* 返回内存虚拟盘 ramdisk 所需的内存量 */
// 虚拟盘初始化函数。确定虚拟盘在内存中的起始地址，长度。并对整个虚拟盘区清零。
long rd_init(long mem_start, int length)
{
	int i;
	char *cp;

	blk_dev[MAJOR_NR].request_fn = DEVICE_REQUEST; // do_rd_request()。
	rd_start = (char *) mem_start; // 对于 16MB 系统，该值为 4MB。
	rd_length = length;
	cp = rd_start;
	for (i=0; i < length; i++)
		*cp++ =  '\0' ;
	return(length);
}

/*
* If the root device is the ram disk, try to load it.
* In order to do this, the root device is originally set to the
* floppy, and we later change it to be ram disk.
*/
/*
* 如果根文件系统设备(root device)是 ramdisk 的话，则尝试加载它。root device 原先是指向
* 软盘的，我们将它改成指向 ramdisk。
*/
//// 尝试把根文件系统加载到虚拟盘中。
// 该函数将在内核设置函数 setup()（hd.c，156 行）中被调用。另外，1 磁盘块 = 1024 字节。
void rd_load(void)
{
	struct buffer_head *bh; // 高速缓冲块头指针。
	struct super_block s; // 文件超级块结构。
	int block = 256; /* Start at block 256 */
	int i = 1; /* 表示根文件系统映象文件在 boot 盘第 256 磁盘块开始处*/
	int nblocks;
	char *cp; /* Move pointer */

	if (!rd_length) // 如果 ramdisk 的长度为零，则退出。
		return;
	printk( "Ram disk: %d bytes, starting at 0x%x\n" , rd_length,(int) rd_start); 
	// 显示 ramdisk 的大小以及内存起始位置。
	if (MAJOR(ROOT_DEV) != 2) // 如果此时根文件设备不是软盘，则退出。
		return;
	// 读软盘块 256+1,256,256+2。breada()用于读取指定的数据块，并标出还需要读的块，然后返回
	// 含有数据块的缓冲区指针。如果返回 NULL，则表示数据块不可读(fs/buffer.c,322)。
	// 这里 block+1 是指磁盘上的超级块。
	bh = breada(ROOT_DEV,block+1,block,block+2,-1);
	if (!bh) {
		printk( "Disk error while looking for ramdisk!\n" );
		return;
	}
	// 将 s 指向缓冲区中的磁盘超级块。(d_super_block 磁盘中超级块结构)。
	*((struct d_super_block *) &s) = *((struct d_super_block *) bh->b_data);
	brelse(bh);
	if (s.s_magic != SUPER_MAGIC) // 如果超级块中魔数不对，则说明不是 minix 文件系统。
	/* No ram disk image present, assume normal floppy boot */
	/* 磁盘中没有 ramdisk 映像文件，退出去执行通常的软盘引导 */
		return;
	// 块数 = 逻辑块数(区段数) * 2^(每区段块数的次方)。
	// 如果数据块数大于内存中虚拟盘所能容纳的块数，则也不能加载，显示出错信息并返回。否则显示
	// 加载数据块信息。
	nblocks = s.s_nzones << s.s_log_zone_size;
	if (nblocks > (rd_length >> BLOCK_SIZE_BITS)) {
		printk( "Ram disk image too big! (%d blocks, %d avail)\n" ,
		nblocks, rd_length >> BLOCK_SIZE_BITS);
		return;
	}
	printk( "Loading %d bytes into ram disk... 0000k" ,
	nblocks << BLOCK_SIZE_BITS);
	// cp 指向虚拟盘起始处，然后将磁盘上的根文件系统映象文件复制到虚拟盘上。
	cp = rd_start;
	while (nblocks) {
		if (nblocks > 2) // 如果需读取的块数多于 3 快则采用超前预读方式读数据块。
			bh = breada(ROOT_DEV, block, block+1, block+2, -1);
		else // 否则就单块读取。
			bh = bread(ROOT_DEV, block);
		if (!bh) {
			printk( "I/O error on block %d, aborting load\n" ,
			block);
			return;
		}
		(void) memcpy(cp, bh->b_data, BLOCK_SIZE); // 将缓冲区中的数据复制到 cp 处。
		brelse(bh); // 释放缓冲区。
		printk( "\010\010\010\010\010%4dk" ,i); // 打印加载块计数值。
		cp += BLOCK_SIZE; // 虚拟盘指针前移。
		block++;
		nblocks--;
		i++;
	}
	printk( "\010\010\010\010\010done \n" );
	ROOT_DEV=0x0101; // 修改 ROOT_DEV 使其指向虚拟盘 ramdisk。
}