嵌入式Linux RAMDisk驱动开发

1. 概述

本章将详细介绍嵌入式Linux系统中RAMDisk块设备驱动的开发。RAMDisk是一种基于内存的块设备，它将系统内存模拟成块设备使用。本章以i.MX6ULL开发板为例，详细分析RAMDisk驱动的实现原理和代码结构。

2. RAMDisk驱动原理

2.1 块设备基础

在Linux系统中，设备分为字符设备、块设备和网络设备三大类。块设备的特点是：

以固定大小的数据块为单位进行读写
支持随机访问
数据传输通过请求队列(request queue)进行管理
使用缓冲区缓存机制提高性能

块设备驱动的核心数据结构包括：

struct gendisk: 通用磁盘结构，描述磁盘的基本信息
struct request_queue: 请求队列，管理I/O请求
struct block_device_operations: 块设备操作函数集

2.2 RAMDisk工作原理

RAMDisk驱动的工作原理是将一段内存区域模拟成块设备。当上层应用对RAMDisk进行读写操作时，驱动程序将数据直接从内存中读取或写入内存，从而实现类似磁盘的存储功能。

主要特点：

访问速度快：直接操作内存，无需物理磁盘I/O
断电数据丢失：内存中的数据在系统断电后会丢失
容量有限：受限于系统可用内存大小
可重复使用：可以像普通磁盘一样格式化、分区和挂载

3. 驱动代码分析

3.1 头文件包含

c 复制代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/input.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/input/mt.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/hdreg.h>

这些头文件提供了驱动开发所需的基本功能：

linux/module.h: 模块相关定义
linux/kernel.h: 内核常用宏和函数
linux/init.h: 初始化相关宏
linux/fs.h: 文件系统相关定义
linux/slab.h: 内存分配函数
linux/blkdev.h: 块设备相关定义
linux/hdreg.h: 硬盘寄存器相关定义

3.2 宏定义

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#define RAMDISK_SIZE (2 * 1024 * 1024)
#define RMADISK_NAME "ramdisk"
#define RAMDISK_MINOR 3

RAMDISK_SIZE: 定义RAMDisk的大小为2MB
RMADISK_NAME: 设备名称
RAMDISK_MINOR: 次设备号数量

3.3 设备结构体

c 复制代码

struct ramdisk_dev
{
    int major;
    u8 *ramdiskbuf;
    struct gendisk *gendisk;
    struct request_queue *queue;
    spinlock_t lock;
};
struct ramdisk_dev ramdisk;

ramdisk_dev结构体用于管理RAMDisk设备的各个组件：

major: 主设备号
ramdiskbuf: 指向分配的内存缓冲区
gendisk: 通用磁盘结构指针
queue: 请求队列指针
lock: 自旋锁，用于同步访问

3.4 数据传输函数

c 复制代码

static void ramdisk_transfer(struct request *req)
{
    unsigned long start = blk_rq_pos(req) << 9;
    unsigned long len = blk_rq_cur_bytes(req);

    void *buffer = bio_data(req->bio);
    if (rq_data_dir(req) == READ)
        memcpy(buffer, ramdisk.ramdiskbuf + start, len);
    else
        memcpy(ramdisk.ramdiskbuf + start, buffer, len);
}

ramdisk_transfer函数负责实际的数据传输：

blk_rq_pos(req): 获取请求的起始扇区号
<< 9: 将扇区号转换为字节偏移（512字节/扇区）
blk_rq_cur_bytes(req): 获取当前请求的数据长度
bio_data(req->bio): 获取数据缓冲区地址
根据请求方向（读/写）执行相应的内存拷贝操作

3.5 请求处理函数

c 复制代码

static void ramdisk_request_fn(struct request_queue *q)
{
    int err = 0;
    struct request *req;
    req = blk_fetch_request(q);
    while (req)
    {
        ramdisk_transfer(req);
        if (!__blk_end_request_cur(req, err))
        {
            req = blk_fetch_request(q);
        }
    }
}

ramdisk_request_fn是请求队列的处理函数：

从请求队列中获取一个请求
调用ramdisk_transfer进行数据传输
使用__blk_end_request_cur结束当前请求
如果还有剩余请求，继续处理下一个

3.6 块设备操作函数

c 复制代码

static int ramdisk_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode)
{
    return 0;
}

static void ramdisk_release(struct gendisk *disk, fmode_t mode) {}

static int ramdisk_getgeo(struct block_device *dev, struct hd_geometry *geo)
{
    geo->heads = 2;
    geo->cylinders = 32;
    geo->sectors = RAMDISK_SIZE / (2 * 32 * 512);
    return 0;
}

static const struct block_device_operations ramdisk_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = ramdisk_open,
    .release = ramdisk_release,
    .getgeo = ramdisk_getgeo,
};

块设备操作函数集定义了设备的基本操作：

open: 设备打开函数，返回0表示成功
release: 设备释放函数，空实现
getgeo: 获取设备几何信息，用于兼容传统磁盘操作

3.7 模块初始化函数

c 复制代码

static int __init ramdisk_init(void)
{
    int ret = 0;
    ramdisk.ramdiskbuf = kzalloc(RAMDISK_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (ramdisk.ramdiskbuf == NULL)
    {
        ret = -EINVAL;
        goto fail_kzalloc;
    }

    ramdisk.major = register_blkdev(0, RMADISK_NAME);
    if (ramdisk.major < 0)
    {
        ret = -EINVAL;
        goto fail_register_blkdev;
    }

    printk("Driver: ramdisk major is %#x\r\n", ramdisk.major);

    spin_lock_init(&ramdisk.lock);
    ramdisk.queue = blk_init_queue(ramdisk_request_fn, &ramdisk.lock);
    if (ramdisk.queue == NULL)
    {
        ret = -EINVAL;
        goto fail_blk_init_queue;
    }

    ramdisk.gendisk = alloc_disk(RAMDISK_MINOR);
    if (ramdisk.gendisk == NULL)
    {
        ret = -EINVAL;
        goto fail_alloc_disk;
    }

    ramdisk.gendisk->private_data = &ramdisk;
    ramdisk.gendisk->major = ramdisk.major;
    ramdisk.gendisk->first_minor = 0;
    ramdisk.gendisk->fops = &ramdisk_fops;
    ramdisk.gendisk->queue = ramdisk.queue;
    sprintf(ramdisk.gendisk->disk_name, "ramdisk");
    set_capacity(ramdisk.gendisk, RAMDISK_SIZE / 512);
    add_disk(ramdisk.gendisk);

    return 0;

fail_alloc_disk:
    blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);
    printk("Driver: fail_alloc_disk\r\n");
fail_blk_init_queue:
    unregister_blkdev(ramdisk.major, RMADISK_NAME);
    printk("Driver: fail_blk_init_queue\r\n");
fail_register_blkdev:
    kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
    printk("Driver: fail_register_blkdev\r\n");
fail_kzalloc:
    printk("Driver: fail_kzalloc\r\n");
    return ret;
}

ramdisk_init函数完成了驱动的初始化工作：

分配内存缓冲区
注册块设备，获取主设备号
初始化自旋锁
创建请求队列
分配通用磁盘结构
配置磁盘参数
添加磁盘到系统

错误处理采用goto模式，确保资源正确释放。

3.8 模块退出函数

c 复制代码

static void __exit ramdisk_exit(void)
{
    del_gendisk(ramdisk.gendisk);
    blk_cleanup_queue(ramdisk.queue);
    unregister_blkdev(ramdisk.major, RMADISK_NAME);
    kfree(ramdisk.ramdiskbuf);
}

ramdisk_exit函数负责清理资源：

从系统中删除磁盘
清理请求队列
注销块设备
释放内存缓冲区

4. 编译配置

4.1 Makefile分析

makefile 复制代码

KERNERDIR := /home/ubuntu2004/linux/IMX6ULL/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENTDIR := $(shell pwd)

obj-m := ramdisk.o
build : kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) clean

Makefile关键点：

KERNERDIR: 内核源码路径
CURRENTDIR: 当前目录路径
obj-m: 指定生成ramdisk.ko模块
编译命令使用内核构建系统进行模块编译

5. 驱动加载与测试

5.1 编译驱动

bash 复制代码

make

5.2 加载驱动

bash 复制代码

insmod ramdisk.ko

5.3 查看设备信息

bash 复制代码

dmesg | tail

应该能看到类似输出：

复制代码

Driver: ramdisk major is 0xXX

5.4 格式化和挂载

bash 复制代码

# 格式化为ext4文件系统
mkfs.ext4 /dev/ramdisk

# 创建挂载点
mkdir /mnt/ramdisk

# 挂载设备
mount /dev/ramdisk /mnt/ramdisk

# 测试读写
echo "Hello RAMDisk" > /mnt/ramdisk/test.txt
cat /mnt/ramdisk/test.txt

5.5 卸载和卸载驱动

bash 复制代码

# 卸载文件系统
umount /mnt/ramdisk

# 卸载驱动模块
rmmod ramdisk

6. 性能特点与应用场景

6.1 性能特点

优点:
- 极高的读写速度
- 低延迟
- 无机械磨损
- 支持频繁的读写操作
缺点:
- 断电数据丢失
- 容量受限于内存
- 占用系统内存资源

6.2 应用场景

临时文件存储
高频读写缓存
系统启动临时空间
嵌入式系统中的快速存储需求
测试和调试环境

7. 设备树配置

虽然RAMDisk是纯软件实现的虚拟设备，不需要硬件资源，但可以从设备树中获取一些系统信息。在imx6ull-alientek-emmc.dts中，我们可以看到系统内存配置：

dts 复制代码

memory {
    reg = <0x80000000 0x20000000>;
};

这表示系统内存从0x80000000开始，大小为512MB。RAMDisk分配的内存来自这片区域。

源码仓库位置: https://gitee.com/dream-cometrue/linux_driver_imx6ull