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深入浅出SCSI子系统（一）Linux 内核中的 SCSI 架构

1.Linux 内核中的 SCSI 架构描述

2.SCSI 较高层

3.SCSI 中间层

4.SCSI 较低层

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深入浅出SCSI子系统（一）Linux 内核中的 SCSI 架构

1.Linux 内核中的 SCSI 架构描述

SCSI 子系统在 Linux 内核中的位置：内核的顶部是系统调用接口，处理用户空间调用到内核中合适的目的地的路由（例如 open、read 或 write）。而虚拟文件系统（VFS) 是内核中支持的大多数文件系统的抽象层。它负责将请求路由到合适的文件系统。大多数文件系统都通过缓冲区缓存来相互通信，这种缓存通过缓存最近使用的数据来优化对物理设备的访问。接下来是块设备驱动器层，它包括针对底层设备的各种块驱动器。SCSI 子系统是这种块设备驱动器之一

与 Linux 内核中的其他主流子系统不同，SCSI 子系统是一种分层的架构，共分为三层。顶部的那层叫做较高层，代表的是内核针对 SCSI 和主要设备类型的驱动器的最高接口。接下来的是中间层，也称为公共层或统一层。在这一层包含 SCSI 堆栈的较高层和较低层的一些公共服务。最后是较低层，代表的是适用于 SCSI 的物理接口的实际驱动器

 在 ./linux/drivers/scsi 可以找到 SCSI 子系统（SCSI 较高层、中间层和各种驱动器）的源代码。SCSI 数据结构则位于 SCSI 源目录，在 ./linux/include/scsi 也可以找到。比如sd.c sg.c等文件。

Linux SCSI模型基于传统的并行SCSI。主机适配器连接主机I/O总线（通常是PCI总线）和存储I/O总线（这里是SCSI总线）。一台计算机可以有多个主机适配器，而主机适配器可以控制一个（即所谓的单通道适配器）或多个（即所谓的多通道适配器）SCSI总线，一条总线可以有多个目标节点与之相连，并且一个目标节点可以有多个逻辑单元。

 在Linux语义中，用SCSI设备描述符表示具体的逻辑单元，这和我们通常谈到的SCSI设备（例如SCSI磁盘）是不一样的。就SCSI磁盘整体而言，它应该是目标节点。在SCSI磁盘内可以有多个逻辑单元，统一由磁盘控制器控制，这些逻辑单元才是真正作为I/O终点的存储设备。但是，为简单起见，现在大多数厂商生产的磁盘只做了基本实现，即实现了LUN0。

 

在Linux中，使用四元组<host:channel:id:lun>来唯一定位一个SCSI设备。

其中，host为主机适配器在计算机内部的编号，一般的实现方式是，在系统中定义一个全局变量，每发现一个主机适配器，将这个全局变量值赋值给host编号，同时递增该全局变量；channel则为SCSI通道编号，或者为SCSI总线编号，这是相对主机适配器来说的，应该由主机适配器的固件来维护；id为目标节点标识符；lun为在目标节点内的逻辑单元编号。

对于并行SCSI总线，其所能挂接的设备数目是受物理层，即总线宽度，限制的。

SCSI子系统（包括高层、中间层和低层）的源代码位于目录drivers/scsi/下，头文件在include/scsi/目录下。SCSI子系统的主要功能是：

1.探测SCSI设备，在内存建立可供设备驱动使用的核心结构；

2.在sysfs文件系统中构造SCSI子系统的目录树；

3.SCSI高层驱动绑定SCSI设备，在内存中构建对应的核心结构；

4.提供错误恢复API，在SCSI命令错误和超时后被调用。

2.SCSI 较高层

SCSI 子系统的较高层代表的是内核（设备级）最高级别的接口。它由一组驱动器组成，比如块设备（SCSI 磁盘和 SCSI CD-ROM）和字符设备（SCSI 磁带和 SCSI generic）。较高层接受来自上层（比如 VFS）的请求并将其转换成 SCSI 请求。较高层负责完成 SCSI 命令并将状态信息通知上层。

SCSI 磁盘驱动器在 ./linux/drivers/scsi/sd.c 内实现。SCSI 磁盘驱动器通过调用 register_blkdev（作为块驱动器）进行自初始化并通过 scsi_register_driver 提供一组函数以表示所有 SCSI 设备。其中 sd_probe 和 sd_init_command 这两个函数很重要。只要有新的 SCSI 设备附加到系统， SCSI 中间层就会调用 sd_probe 函数。sd_probe 函数可决定此设备是否由 SCSI 磁盘驱动器管理，如果是，就创建新的 scsi_disk 结构来表示它。sd_init_command 函数将来自文件系统层的请求转变成 SCSI 读或写命令（为完成这个 I/O 请求，sd_rw_intr 会被调用）。

SCSI 磁带驱动器在 ./linux/drivers/scsi/st.c 内实现。磁带驱动器是顺序存取设备，会通过 register_chrdev_region 将自身注册为字符设备。SCSI 磁带驱动器还提供了一个 probe 函数，称为 st_probe。该函数会创建一种新磁带设备并将其添加到称为 scsi_tapes 的向量。SCSI 磁带驱动器的独特之处在于，如果可能，它可以直接从用户空间执行 I/O 传输。否则，数据会通过驱动器缓冲被分段。

SCSI CD-ROM 驱动器在 ./linux/drivers/scsi/sr.c 内实现。CD-ROM 驱动器是另一种块设备并为 SCSI 磁盘驱动器提供类似的函数集。sr_probe 函数可用来创建 scsi_sd 结构以表示 CD-ROM 设备，并用 register_cdrom 注册此 CD-ROM。SCSI 磁带驱动器还会导出 sr_init_command，以将请求转换成 SCSI CD-ROM 读或写请求。

SCSI generic 驱动器在 ./linux/drivers/scsi/sg.c 内实现。该驱动器允许用户应用程序向设备发送 SCSI 命令（比如格式化、模式感知或诊断命令）。通过 sg3utils 包还可以从用户空间利用 SCSI generic 驱动器。这个用户空间包包括多种实用工具，可用来发送 SCSI 命令和解析这些命令的响应。

3.SCSI 中间层

SCSI 中间层是 SCSI 较高层和较低层的公共服务层（可以在 ./linux/drivers/scsi/scsi.c 内部分地实现）。它提供了很多可供较高层和较低层驱动器使用的函数，因而可以充当这两层间的连接层。中间层很重要，原因是它抽象化了较低层驱动器（LLD）的实现，可以在 ./linux/drivers/scsi/hosts.c 中部分地实现。这意味着可以以同样的方式使用带不同接口的 Fibre Channel 主机总线适配器（HBA）。

低层驱动器注册和错误处理都由 SCSI 中间层提供。中间层还提供了较高层和较低层间的 SCSI 命令排队。SCSI 中间层的一个重要功能是将来自较高层的命令请求转换成 SCSI 请求。它也负责管理特定于 SCSI 的错误恢复。

中间层可以连接 SCSI 子系统的较高层和较低层。它接受对 SCSI 事务的请求并对这些请求进行排队以便处理 （如 ./linux/drivers/scsi/scsi_lib.c 中所示）。当这些命令完成后，它接受来自 LLD 的 SCSI 响应并通知较较高层此请求已经完成。

中间层最重要的职责之一是错误和超时处理。如果 SCSI 命令没有在合理的时间内完成或者 SCSI 请求返回错误，中间层就会管理错误或重新发送此请求。中间层还可管理较高层恢复，比如请求 HBA (LLD) 或 SCSI 设备重置。SCSI 错误和超时处理程序在 ./linux/drivers/scsi/scsi_error.c 内实现。

4.SCSI 较低层

在最低层的是一组驱动器，称为 SCSI 低层驱动器。它们是一些可与物理设备（比如 HBA）链接的特定驱动器。LLD 提供了自公共中间层到特定于设备的 HBA 的一种抽象。每个 LLD 都提供了到特定底层硬件的接口，但所使用的到中间层的接口却是一组标准接口。

较低层包含大量代码，原因是它要负责处理各种不同的 SCSI 适配器类型。例如，Fibre Channel 协议包含了针对 Emulex 和 QLogic 的各种适配器的 LLD。面向 Adaptec 和 LSI 的 SAS 适配器的 LLD 也包括在内。