操作系统存储设备驱动程序实现

1.存储设备驱动程序的加载

文件系统驱动程序加载完毕，IOManager会进一步加载存储设备驱动程序。下面以硬盘驱动程序为例说明存储设备的加载过程。与任何设备驱动程序一样，存储设备驱动程序必须输出一个DriverEntry函数，这个函数被IOManager调用。当然，在调用该函数之前，IOManager首先应该创建一个设备驱动程序对象，然后以该对象为参数，调用硬盘驱动程序的DriverEntry函数。下面是硬盘驱动程序的DriverEntry函数源代码：

在上述代码中，调用了CreateDevice函数，创建了物理磁盘设备对象。在创建这个设备对象时，指定了设备的属性为DEVICE_TYPE_STORAGE和DEVICE_TYPE_HARDDISK。其中第一个属性（DEVICE_TYPE_STORAGE）非常重要，这会导致IOManager调用文件系统设备对象的CheckPartition函数，对这个存储设备进行检查，以确定其是否为对应的文件系统能够识别的文件卷。

InitPartitions函数对磁盘的分区进行分析。这个函数遍历磁盘MBR中的分区表，对每个可识别的分区，创建一个分区设备对象。这个函数比较长，我们只把创建分区设备对象相关的代码看一下，因为这与文件系统关系最密切：

InitPartitions函数依次检查四个分区表项，对任何记录了合法分区的表项，该函数会创建一个分区设备对象（设备对象属性中包含DEVICE_TYPE_PARTITION属性）。当然，在创建设备对象之前，首先创建设备对象的设备扩展，用于记录分区特定的信息。需要注意的是，这个函数支持扩展分区的处理。

至此，硬盘的设备驱动程序加载过程介绍完了。设备驱动程序加载过程中的最关键动作，就是分析硬盘本身以及硬盘分区情况，并分别创建对应的设备对象。在创建设备对象的时候，需要指定对象的属性（DEVICE_TYPE_STORAGE或DEVICE_TYPE_PARTITION）。这非常重要，会直接驱动IOManager做进一步的检查。

为了帮助读者进一步理解这个过程，我们举一个简单例子。假设一个硬盘，上面有两个分区，一个分区为FAT32，另外一个分区类型为NTFS。这样在硬盘驱动程序加载完成之后，会创建下列三个设备对象：

（1）物理硬盘设备对象，名字为“\\.\PHYSICALHARDDISK0”。

（2）第一个分区的设备对象，名字为“\\.\PARTITION0”。

（3）第二个分区的设备对象，名字为“\\.\PARTITION1”。

这三个设备对象，都指向相同的设备驱动程序对象。此时，我们即可调用CreateFile函数，指定上述任何一个名字作为对象，来打开对应的设备进行操作。比如可通过调用ReadFile，直接读取物理硬盘或分区上的内容。这时候的读取，是不考虑文件系统的存在的，只是把整个硬盘或者分区当作顺序存放的字节数组来处理。(www.xing528.com)

在Hello China V1.75的实现中，devlist程序（字符模式下，输入devlist并按Enter键）可显示系统中所有的存储设备对象和分区对象。图12-5显示了系统中所有的物理设备对象。

图12-5 物理设备对象及其属性

其中的“\\.\PHYSICALHARDDISK0”即是硬盘设备对象。这个硬盘只有一个分区，对应于“\\.\PARTITION0”设备对象。

2.存储设备的读/写

上面说过，通过调用ReadFile直接读取磁盘或分区设备是可以的。但是这个函数只能按照顺序对磁盘进行读/写。比如第一次调用ReadFile，读取1KB的内容。当第二次调用的时候，读取的内容是从1KB处开始的。这样显然缺乏灵活性。在文件系统的实现中，需要通过一种灵活的方式，在磁盘或分区上“跳跃”读取或写入，ReadFile/WriteFile是难以胜任的，我们需要另外的途径解决这个需求。

第10章讲到，设备驱动程序的DeviceCtrl函数是一个非常灵活的函数，通过这个函数可以实现常规操作无法胜任的功能。在存储设备驱动程序中，我们也是通过这个函数，实现了磁盘扇区的随机读取和写入功能。我们先通过一段代码，来理解一下如何调用扇区的随机访问功能。下面这个函数，用于从一个分区设备（用分区设备对象标识）上读取一个或几个扇区，这个函数被文件系统实现代码调用（为了解释方便，做了删减）：

上述函数比较简单，首先申请一个DRCB对象，然后初始化这个对象。需要注意的是，把dwCtrlCommand初始化为IOCONTROL_READ_SECTOR，这是一个预定义的常量，表示要调用磁盘驱动程序的扇区随机读取功能。

准备好DRCB对象之后，然后就以分区设备对象、DRCB等为参数，调用对应驱动程序对象的DeviceCtrl函数。函数成功返回之后，pBuffer里面就存放了读取的磁盘数据。

DeviceCtrl是磁盘驱动程序实现的，这个函数分析DRCB对象的参数，然后根据参数进一步调用扇区读取函数__CtrlSectorRead。这是该函数的实现代码：

在当前的实现中，ReadSector函数是通过BIOS调用实现的。这个函数首先切换回实模式，然后调用int 0x13中断调用，完成磁盘读取，然后返回到保护模式。当然，也可以使用直接硬盘控制器读/写的方法来实现ReadSector函数（在最初版本中，就是直接实现的），但是在很多非IDE接口的硬盘上会出问题，所以使用BIOS调用方式更加保险。这个函数的实现非常简单，其代码位于[/kernel/arch/bios.cpp]文件中，读者可自行阅读。

对分区的随机写入功能，实现方法与此类似，在此不作赘述。分区的随机读取和写入功能，是实现文件系统的基础。在文件系统的实现代码中，把这两项功能分别封装为ReadDeviceSector和WriteDeviceSector两个函数，以方便程序编写。