Роберт Лав - Разработка ядра Linux

Наименьший адресуемый элемент блочного устройства называется сектором. Размеры секторов — это числа, которые являются целыми степенями двойки, однако наиболее часто встречающийся размер — 512 байт. Размер сектора — это физическая характеристика устройства, а сектор — фундаментальный элемент блочного устройства. Устройства не могут адресовать или другим образом работать с элементами данных, размер которых меньше, чем один сектор, тем не менее многие блочные устройства могут передавать несколько секторов за один раз. Хотя большинство блочных устройств и имеет размер сектора, равный 512 байт, все же существуют и другие стандартные размеры сектора (например, большинство компакт-дисков CD-ROM имеют размер сектора, равный 2 Кбайт).

У программного обеспечения несколько другие цели, и поэтому там существует другая минимально адресуемая единица, которая называется блок. Блок— это абстракция файловой системы, т.е. все обращения к файловым системам могут выполняться только с данными, кратными размеру блока. Хотя физические устройства сами по себе адресуются на уровне секторов, ядро выполняет все дисковые операции в терминах блоков. Так как наименьший возможный адресуемый элемент —- это сектор, то размер блока не может быть меньше размера одного сектора и должен быть кратен размеру сектора. Более того, для ядра (так же как и для аппаратного обеспечения в случае секторов) необходимо, чтобы размер блока был целой степенью двойки. Ядро также требует, чтобы блок имел размер, не больший, чем размер страницы памяти (см. главу 11, "Управление памятью" и главу 12, "Виртуальная файловая система") [75] Это ограничение является искусственным и в будущем оно может быть отменено. Тем не менее требование, чтобы размер блока был меньше или равен размеру страницы памяти, позволяет значительно упростить ядро. .

Поэтому размер блока равен размеру сектора, умноженному на число, которое является целой степенью двойки. Наиболее часто встречающиеся размеры блока — это 512 байт, один килобайт и четыре килобайта.

Часто сбивает с толку то, что некоторые люди называют секторы и блоки по- разному. Секторы, наименьшие адресуемые элементы устройства, иногда называют "аппаратными секторами" (hardware sector) или "блоками аппаратного устройства" (device block). В то время как блоки, наименьшие адресуемые единицы файловых систем, иногда называются "блоками файловой системы" (filesystem block) или "блоками ввода-вывода" (I/O block). В этой главе будут использованы термины "сектор" (sector) и "блок" (block), однако следует помнить и о других возможных названиях. На рис. 13.1 показана диаграмма соответствия между секторами и блоками.

Рис. 13.1. Связь между секторами и бликами

Существует еще одна часто встречающаяся терминология. По крайней мере в отношении к жестким дискам, используются термины кластеры (clusters), цилиндры (cylinder, дорожка) и головки (head). Такие обозначения являются специфическими только для некоторых типов блочных устройств, они, в основном, невидимы для пользовательских программ и в этой главе рассматриваться не будут. Причина, по которой секторы являются важными для ядра, состоит в том, что все операции ввода-вывода должны выполняться в единицах секторов. Поэтому более высокоуровневые концепции ядра, которые основаны на блоках, являются надстройками над секторами.

Когда блок хранится в памяти (скажем, после считывания или в ожидании записи), то он хранится в структуре данных, называемой буфером ( buffer ). Каждый буфер связан строго с одним блоком. Буфер играет роль объекта, который представляет блок в оперативной памяти. Вспомним, что блок состоит из одного или больше секторов, но по размеру не может быть больше одной страницы памяти. Поэтому одна страница памяти может содержать один или больше блоков. Поскольку для ядра требуется некоторая управляющая информация, связанная с данными (например, какому блочному устройству и какому блоку соответствует буфер), то каждый буфер связан со своим дескриптором. Этот дескриптор называется заголовком буфера ( buffer head ) и представляется с помощью структуры struct buffer_head.

Структура buffer_headсодержит информацию, которая необходима ядру для управления буферами и определена в файле .

Рассмотрим эту структуру с комментариями, которые описывают назначение каждого поля.

struct buffer_head {

unsigned long b_state; /* флаги состояния буфера */

atomic_t b_count; /* счетчик использования буфера */

struct buffer_head *b_this_page; /* список буферов в текущей

странице памяти */

struct page *b_page; /* соответствующая страница памяти */

sector_t b_blocknr; /* логический номер блока */

u32 b_size; /* размер блока (в байтах) */

char *b_data; /* указатель на буфер в странице памяти */

struct block_device *b_bdev; /* соответствующее блочное устройство */

bh_end_io_t *b_end_io; /* метод завершения ввода-вывода */

void *b_private; /* данные метода завершения */

struct list_head b_assoc_buffers; /* список связанных отображений */

};

Поле b_ stateсодержит состояние определенного буфера. Это значение может содержать один или несколько флагов, которые перечислены в табл. 13.1. Возможные значения флагов описаны в виде перечисления bh_state_bits, которое описано в файле .

Таблица 13.1. Значения флагов поля bh_state

Перечисление bh_state_bitsтакже содержит в качестве последнего элемента флаг BH_PrivateStart. Этот флаг не является разрешенным значением флага, а соответствует первому биту, который можно использовать по усмотрению разработчиков кода. Все биты, номер которых больше или равен значению BH_PrivateStart, не используются подсистемой блочного ввода-вывода и безопасно могут использоваться драйверами, которым необходимо хранить информацию в поле b_state.