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深入理解 Linux 中磁盘空间驱动的编写：从原理到实践

news 来源：原创 2025/7/19 2:16:56

在编写 Linux 内核中的磁盘空间驱动时，理解不同类型的存储设备及其在内核中的工作模式至关重要。常见的存储设备主要分为两类：采用 MTD（Memory Technology Device）模式的原始闪存设备（如 NAND、NOR Flash），以及使用块设备模式（Block Device Mode）的存储设备（如 eMMC、SD 卡、U 盘、SATA 硬盘等）。

本篇博文将围绕磁盘空间驱动的核心编写逻辑，结合实际设备类型，对比分析 MTD 与块设备的差异，并深入讲解 eMMC 所处的工作模式与其对驱动开发的影响。

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一、磁盘设备的两种主要模式

1.1 MTD 模式（Memory Technology Device）

MTD 模式主要面向原始闪存设备，例如 NAND 和 NOR Flash。这类设备没有自带的 Flash 管理控制器，所有的擦除、写入对齐、坏块处理、磨损均衡等都需要依赖软件层完成。

在内核中，MTD 子系统由 drivers/mtd/ 提供支持，相关设备节点表现为：

/dev/mtdX：字符设备接口，用于直接访问底层 Flash；
/dev/mtdblockX：块设备封装接口，供文件系统挂载使用；

MTD 设备通常使用专门设计的 Flash 文件系统（如 JFFS2、UBIFS），并由用户空间工具（如 flash_erase、nandwrite）进行数据擦写操作。

1.2 块设备模式（Block Device Mode）

块设备模式适用于那些自带控制器并对外屏蔽物理细节的存储设备，例如 eMMC、SD 卡、U 盘、NVMe 和传统机械硬盘等。这类设备对上层操作系统暴露为标准的块设备接口，表现为：

/dev/mmcblk0、/dev/sda、/dev/nvme0n1 等；
可直接格式化为 ext4、f2fs、vfat 等文件系统；
通过标准工具（如 mkfs.ext4、fsck、mount）进行日常管理；

块设备由内核中的不同子系统管理，如：

MMC 设备由 drivers/mmc/ 支持；
NVMe 由 drivers/nvme/ 管理；
USB 存储由 drivers/usb/storage/ 实现。

二、eMMC 所处的模式：标准块设备

eMMC（embedded MultiMediaCard）是一种广泛应用于移动设备、工控平台、嵌入式主板的嵌入式存储器，其本质是一颗集成了 NAND Flash 与 Flash 控制器的单芯片设备。

2.1 eMMC 的硬件特性

内置 Flash Translation Layer (FTL)，自动完成逻辑块与物理页映射、坏块管理、磨损均衡；
对主机（即 SoC/CPU）完全屏蔽 Flash 原始操作的复杂性；
支持标准命令接口（如 JEDEC eMMC 规范定义的命令集）。

2.2 eMMC 在 Linux 中的表现

在 Linux 内核中，eMMC 通过 MMC 子系统进行管理，对系统暴露为标准的块设备节点，例如：

/dev/mmcblk0：代表 eMMC 设备本体；
/dev/mmcblk0p1、/dev/mmcblk0p2：其上划分的分区设备；

eMMC 不属于 MTD 设备，因此：

不会出现在 /proc/mtd 中；
不支持 mtd-utils 提供的低级擦写工具；
可直接格式化为 ext4、f2fs 等标准文件系统进行挂载；

三、MTD 与块设备模式对比分析

特性	MTD 模式	块设备模式（eMMC 所在）
典型设备	原始 NAND Flash、SPI NOR Flash	eMMC、SD 卡、U 盘、SATA 硬盘等
内核驱动子系统	`drivers/mtd/`	`drivers/mmc/` 等
设备节点	`/dev/mtdX`、`/dev/mtdblockX`	`/dev/mmcblk0`、`/dev/sda` 等
是否需软件 FTL 支持	是，需借助文件系统层（如 UBIFS）	否，硬件自带 FTL
支持的文件系统	JFFS2、UBIFS	ext4、f2fs、vfat 等
是否出现在 /proc/mtd	是	否
用户空间工具支持	`mtd-utils`（如 `flash_erase`, `nandwrite`）	标准工具链（如 `mkfs.ext4`, `mount`）

此外，访问粒度与写入机制 是两种模式的核心本质区别：

MTD 模式强调原始字节访问能力，但受限于 Flash 本身的页/块结构，写入前必须擦除，需自行管理坏块与磨损问题。

块设备模式则以标准扇区为单位访问，底层细节由设备控制器屏蔽，使用体验更贴近传统磁盘。

换句话说：

✅ MTD 模式：你必须“管理 Flash”。
✅ Block 模式：你只需“使用存储”。

这也决定了两类设备在驱动编写上的出发点和工作重心完全不同。

四、驱动开发者该如何选择接口？

在开发 Linux 磁盘空间驱动时，关键在于识别目标设备所处的模式：

若为原始 NAND/NOR Flash，则需使用 MTD 接口，支持特定 Flash 文件系统，且要考虑擦除、对齐、坏块等底层细节；
若为 eMMC、U 盘、SD 卡等设备，应使用标准块设备框架，系统已为你屏蔽物理细节，驱动重点转向注册设备、分区识别和文件系统集成。

五、总结与后续方向

eMMC 是一种自带控制器的闪存设备，它不属于 MTD 设备，而是在 Linux 内核中作为标准块设备管理。开发者在处理存储驱动时，应根据设备特性选择对应接口框架。

本篇博文从内核驱动视角出发，梳理了磁盘空间驱动所涉及的两大工作模式，并结合 eMMC 的具体特性进行了深入分析。后续章节将围绕块设备驱动注册流程、分区处理、读写调度及文件系统挂载机制展开更深入的探讨，为驱动开发打下坚实基础。