第47回 | 读取硬盘数据的细节
新读者看这里，老读者直接跳过。
本系列会以一个读小说的心态，从开机启动后的代码执行顺序，带着大家阅读和赏析 Linux 0.11 全部核心代码，了解操作系统的技术细节和设计思想。
本系列的 GitHub 地址如下，希望给个 star 以示鼓励（文末阅读原文可直接跳转，也可以将下面的链接复制到浏览器里打开）
https://github.com/sunym1993/flash-linux0.11-talk
本回的内容属于第五部分。
你会跟着我一起，看着一个操作系统从啥都没有开始，一步一步终实现它复杂又精巧的设计，读完这个系列后希望你能发出感叹，原来操作系统源码就是这破玩意。
以下是已发布文章的列表，详细了解本系列可以先从开篇词看起。
开篇词
部分 进入内核前的苦力活
第1回 | 开始的两行代码
第2回 | 自己给自己挪个地儿
第3回 | 做好基础的准备工作
第4回 | 把自己在硬盘里的其他部分也放到内存来
第5回 | 进入保护模式前的后一次折腾内存
第6回 | 先解决段寄存器的历史包袱问题
第7回 | 六行代码就进入了保护模式
第8回 | 烦死了又要重新设置一遍 idt 和 gdt
第9回 | Intel 内存管理两板斧：分段与分页
第10回 | 进入 main 函数前的后一跃！
部分总结与回顾
第二部分 大战前期的初始化工作
第11回 | 整个操作系统就 20 几行代码
第12回 | 管理内存前先划分出三个边界值
第13回 | 主内存初始化 mem_init
第14回 | 中断初始化 trap_init
第15回 | 块设备请求项初始化 blk_dev_init
第16回 | 控制台初始化 tty_init
第17回 | 时间初始化 time_init
第18回 | 进程调度初始化 sched_init
第19回 | 缓冲区初始化 buffer_init
第20回 | 硬盘初始化 hd_init
第二部分总结与回顾
第三部分 一个新进程的诞生
第21回 | 新进程诞生全局概述
第22回 | 从内核态切换到用户态
第23回 | 如果让你来设计进程调度
第24回 | 从一次定时器滴答来看进程调度
第25回 | 通过 fork 看一次系统调用
第26回 | fork 中进程基本信息的复制
第27回 | 透过 fork 来看进程的内存规划
第28回 | 番外篇 - 我居然会认为权威书籍写错了...
第29回 | 番外篇 - 让我们一起来写本书？
第30回 | 番外篇 - 写时复制就这么几行代码
第三部分总结与回顾
第41回 | 番外篇 - 跳票是不可能的
第42回 | 用键盘输入一条命令
第43回 | shell 程序读取你的命令
第44回 | 进程的阻塞与唤醒
第45回 | 解析并执行 shell 命令
第46回 | 读硬盘数据全流程
------- 正文开始 -------
新建一个非常简单的 info.txt 文件。
name:flash
age:28
language:java在命令行输入一条十分简单的命令。
[root@linux0.11] cat info.txt | wc -l
3
这条命令的意思是读取刚刚的 info.txt 文件，输出它的行数。
上一回中，我们讲述了读硬盘数据的全流程。
其中 ll_rw_block 方法负责把硬盘中指定数据块中的数据，复制到 getblk 方法申请到的缓冲块里，上一回没有展开详细讲解。
所以我们这一回，就详细讲讲，ll_rw_block 是如何完成这一任务的。
// buffer.c
struct buffer_head * bread(int dev,int block) {
...
ll_rw_block(READ,bh);
...
}
void ll_rw_block (int rw, struct buffer_head *bh) {
...
make_request(major, rw, bh);
}
struct request request[NR_REQUEST] = {};
static void make_request(int major,int rw, struct buffer_head * bh) {
struct request *req;
...
// 从 request 队列找到一个空位
if (rw == READ)
req = request+NR_REQUEST;
else
req = request+((NR_REQUEST*2)/3);
while (--req >= request)
if (req->dev<)
break;
...
// 构造 request 结构
req->dev = bh->b_dev;
req->cmd = rw;
req->errors=;
req->sector = bh->b_blocknr<<1;
req->nr_sectors = 2;
req->buffer = bh->b_data;
req->waiting = NULL;
req->bh = bh;
req->next = NULL;
add_request(major+blk_dev,req);
}
// ll_rw_blk.c
static void add_request (struct blk_dev_struct *dev, struct request *req) {
struct request * tmp;
req->next = NULL;
cli();
// 清空 dirt 位
if (req->bh)
req->bh->b_dirt = ;
// 当前请求项为空，那么立即执行当前请求项
if (!(tmp = dev->current_request)) {
dev->current_request = req;
sti();
(dev->request_fn)();
return;
}
// 插入到链表中
for ( ; tmp->next ; tmp=tmp->next)
if ((IN_ORDER(tmp,req) ||
!IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
IN_ORDER(req,tmp->next))
break;
req->next=tmp->next;
tmp->next=req;
sti();
}
调用链很长，主线是从 request 数组中找到一个空位，然后作为链表项插入到 request 链表中。没错 request 是一个 32 大小的数组，里面的每一个 request 结构间通过 next 指针相连又形成链表。
如果你熟悉 第15回 | 块设备请求项初始化 blk_dev_init 所讲的内容，就会明白这个说法咯。
request 的具体结构是。
// blk.h
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;
};
表示一个读盘的请求参数。
有了这些参数，底层方法拿到这个结构之后，就知道怎么样访问硬盘了。
那是谁不断从这个 request 队列中取出 request 结构并对硬盘发起读请求操作的呢？这里 Linux 0.11 有个很巧妙的设计，我们看看。
有没有注意到 add_request 方法有如下分支。
// blk.h
struct blk_dev_struct {
void (*request_fn)(void);
struct request * current_request;
};
// ll_rw_blk.c
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 */
};
static void make_request(int major,int rw, struct buffer_head * bh) {
...
add_request(major+blk_dev,req);
}
static void add_request (struct blk_dev_struct *dev, struct request *req) {
...
// 当前请求项为空，那么立即执行当前请求项
if (!(tmp = dev->current_request)) {
...
(dev->request_fn)();
...
}
...
}
就是当设备的当前请求项为空，也就是次收到硬盘操作请求时，会立即执行该设备的 request_fn 方法，这便是整个读盘循环的初推手。
当前设备的设备号是 3，也就是硬盘，会从 blk_dev 数组中取索引下标为 3 的设备结构。
在 第20回 | 硬盘初始化 hd_init 的时候，设备号为 3 的设备结构的 request_fn 被赋值为硬盘请求函数 do_hd_request 了。
// hd.c
void hd_init(void) {
blk_dev[3].request_fn = do_hd_request;
...
}
所以，刚刚的 request_fn 背后的具体执行函数，就是这个 do_hd_request。
#define CURRENT (blk_dev[MAJOR_NR].current_request)
// hd.c
void do_hd_request(void) {
...
unsigned int dev = MINOR(CURRENT->dev);
unsigned int block = CURRENT->sector;
...
nsect = CURRENT->nr_sectors;
...
if (CURRENT->cmd == WRITE) {
hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,&write_intr);
...
} else if (CURRENT->cmd == READ) {
hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_READ,&read_intr);
} else
panic("unknown hd-command");
}
我去掉了一大坨根据起始扇区号计算对应硬盘的磁头 head、柱面 cyl、扇区号 sec 等信息的代码。
可以看到终会根据当前请求是写（WRITE）还是读（READ），在调用 hd_out 时传入不同的参数。
hd_out 就是读硬盘的底层的函数了。
// hd.c
static void hd_out(unsigned int drive,unsigned int nsect,unsigned int sect,
unsigned int head,unsigned int cyl,unsigned int cmd,
void (*intr_addr)(void))
{
...
do_hd = intr_addr;
outb_p(hd_info[drive].ctl,HD_CMD);
port=HD_DATA;
outb_p(hd_info[drive].wpcom>>2,++port);
outb_p(nsect,++port);
outb_p(sect,++port);
outb_p(cyl,++port);
outb_p(cyl>>8,++port);
outb_p(0xA0|(drive<<4)|head,++port);
outb(cmd,++port);
}
可以看到，底层的读盘请求，其实就是向一堆外设端口做读写操作。
这个函数实际上在 第17回 | 时间初始化 time_init 为了讲解与 CMOS 外设交互方式的时候讲过了，简单说硬盘的端口表是这样的。
| 端口 |
读 |
写 |
|---|---|---|
0x1F0 |
数据寄存器 | 数据寄存器 |
0x1F1 |
错误寄存器 | 特征寄存器 |
0x1F2 |
扇区计数寄存器 | 扇区计数寄存器 |
0x1F3 |
扇区号寄存器或 LBA 块地址 0~7 | 扇区号或 LBA 块地址 0~7 |
| 0x1F4 |
磁道数低 8 位或 LBA 块地址 8~15 | 磁道数低 8 位或 LBA 块地址 8~15 |
| 0x1F5 |
磁道数高 8 位或 LBA 块地址 16~23 | 磁道数高 8 位或 LBA 块地址 16~23 |
| 0x1F6 |
驱动器/磁头或 LBA 块地址 24~27 | 驱动器/磁头或 LBA 块地址 24~27 |
| 0x1F7 |
命令寄存器或状态寄存器 | 命令寄存器 |
读硬盘就是，往除了个以外的后面几个端口写数据，告诉要读硬盘的哪个扇区，读多少。然后再从 0x1F0 端口一个字节一个字节的读数据。这就完成了一次硬盘读操作。
当然，从 0x1F0 端口读出硬盘数据，是在硬盘读好数据并放在 0x1F0 后发起的硬盘中断，进而执行硬盘中断处理函数里进行的。
在 第20回 | 硬盘初始化 hd_init 的时候，将 hd_interrupt 设置为了硬盘中断处理函数，中断号是 0x2E，代码如下。
// hd.c
void hd_init(void) {
...
set_intr_gate(0x2E,&hd_interrupt);
...
}
所以，在硬盘读完数据后，发起 0x2E 中断，便会进入到 hd_interrupt 方法里。
// system_call.s
_hd_interrupt:
...
xchgl _do_hd,%edx
...
call *%edx
...
iret
这个方法主要是调用 do_hd 方法，这个方法是一个指针，就是语言里所谓的接口，读操作的时候，将会指向 read_intr 这个具体实现。
// hd.c
void do_hd_request(void) {
...
} else if (CURRENT->cmd == READ) {
hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_READ,&read_intr);
}
...
}
static void hd_out(..., void (*intr_addr)(void)) {
...
do_hd = intr_addr;
...
}
看，一切都有千丝万缕的联系，是不是很精妙。
我们展开 read_intr 方法继续看。
// hd.c
#define port_read(port,buf,nr) \
__asm__("cld;rep;insw"::"d" (port),"D" (buf),"c" (nr):"cx","di")
static void read_intr(void) {
...
// 从数据端口读出数据到内存
port_read(HD_DATA,CURRENT->buffer,256);
CURRENT->errors = ;
CURRENT->buffer += 512;
CURRENT->sector++;
// 还没有读完，则直接返回等待下次
if (--CURRENT->nr_sectors) {
do_hd = &read_intr;
return;
}
// 所有扇区都读完了
// 删除本次都请求项
end_request(1);
// 再次触发硬盘操作
do_hd_request();
}
这里使用了 port_read 宏定义的方法，从端口 HD_DATA 中读 256 次数据，每次读一个字，总共就是 512 字节的数据。
如果没有读完发起读盘请求时所要求的字节数，那么直接返回，等待下次硬盘触发中断并执行到 read_intr 即可。
如果已经读完了，就调用 end_request 方法将请求项清除掉，然后再次调用 do_hd_request 方法循环往复。
那重点就在于，如何结束掉本次请求的 end_request 方法。
// blk.h
#define CURRENT (blk_dev[MAJOR_NR].current_request)
extern inline void end_request(int uptodate) {
DEVICE_OFF(CURRENT->dev);
if (CURRENT->bh) {
CURRENT->bh->b_uptodate = uptodate;
unlock_buffer(CURRENT->bh);
}
...
wake_up(&CURRENT->waiting);
wake_up(&wait_for_request);
CURRENT->dev = -1;
CURRENT = CURRENT->next;
}
两个 wake_up 方法。
个唤醒了该请求项所对应的进程 &CURRENT->waiting，告诉这个进程我这个请求项的读盘操作处理完了，你继续执行吧。
另一个是唤醒了因为 request 队列满了没有将请求项插进来的进程 &wait_for_request。
随后，将当前设备的当前请求项 CURRENT，即 request 数组里的一个请求项 request 的 dev 置空，并将当前请求项指向链表中的下一个请求项。
这样，do_hd_request 方法处理的就是下一个请求项的内容了，直到将所有请求项都处理完毕。
整个流程就这样形成了闭环，通过这样的机制，可以做到好似存在一个额外的进程，在不断处理 request 链表里的读写盘请求一样。
当设备的当前请求项为空时，也就是没有在执行的块设备请求项时，ll_rw_block 就会在执行到 add_request 方法时，直接执行 do_hd_request 方法发起读盘请求。
如果已经有在执行的请求项了，就插入 request 链表中。
do_hd_request 方法执行完毕后，硬盘发起读或写请求，执行完毕后会发起硬盘中断，进而调用 read_intr 中断处理函数。
read_intr 会改变当前请求项指针指向 request 链表的下一个请求项，并再次调用 do_hd_request 方法。
所以 do_hd_request 方法一旦调用，就会不断处理 request 链表中的一项一项的硬盘请求项，这个循环就形成了，是不是很精妙！
OK，通过上一回和这一回的讲解，读盘请求的全部细节终于讲解完毕了！你还好么？
欲知后事如何，且听下回分解。
------- 关于本系列 -------
本系列的开篇词看这，开篇词
本系列的番外故事看这，让我们一起来写本书？也可以直接无脑加入星球，共同参与这场旅行。
后，本系列完全免费，希望大家能多多传播给同样喜欢的人，同时给我的 GitHub 项目点个 star，就在阅读原文处，这些就足够让我坚持写下去了！我们下回见。
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