Linux kernel 绕过I/O调度和linux内核页面缓冲

我想要达到的目标是：

Developing an linux application in C language, that "exclusively" accesses a

PATA/SATA硬盘驱动器（HDD）发送ATA命令（实际上，只有那些 请勿修改访问的HDD上的任何字节-例如读取扇区、识别设备、设置功能， 等等）

所谓“独占”，我的意思是，只要HDD通电（一种自定义硬件，它是一个简单的开关，确保在加载应用程序并希望这样做之前，HDD不会通电），对该HDD的第一个也是唯一的访问就是我的应用程序。IOW除了我的应用程序之外，即使是linux内核（包括SCSI子系统）或任何其他应用程序或进程或人类用户都无法访问该硬盘，除非我的应用程序指示/允许他们这样做

我的申请还有另一项要求： 由于在我们的应用程序中，访问HDD是非常关键的（就控制而言，而不是性能而言），因此不希望应用程序完成的事务中涉及任何I/O调度（此HDD上的性能不是一个约束）。此外，从硬盘读取的数据不需要由内核缓冲区或页面缓冲区进行缓冲。应用程序将读取512字节或其倍数的块大小

现在我面临的问题是：

SCSI子系统位于I/O调度程序和内核缓冲区或页面缓冲区缓存下面（并编写为与之配合使用）

虽然SCSI子系统提供了“sg驱动程序”来直接向硬盘发送命令（-Linux SCSI子系统命令，而不是ATA或SCSI命令-然后由libata转换为实际ATA命令。我在这里吗？），但这是一种I/O方法-您给出I/p并获得O/p，也就是说，您无法控制数据传输协议（如PIO、DMA和ATA状态和错误寄存器等）和设备配置（通过Set Features ATA命令）的过程

此外，错误报告机制必须健全，并且特定于ATA协议，而不仅仅是Linux SCSI子系统错误代码。IOWs我的应用程序需要访问PATA/SATA HDD上的ATA错误寄存器和ATA状态寄存器

我的应用程序要求的是对硬盘的独占控制-例如，必须满足以下要求：发出读扇区ATA命令，然后通过读i/o端口或通过“libata”直接从硬盘检索数据本身

我不能做什么

我不打算编写PATA/SATA HBA设备驱动程序，也不打算编写市场上所有可用的HBA，因为它们已经包含在libata内核中

到现在为止我学到了什么

为了完成所需的任务，我可能（也可能不？）需要编写一个块设备驱动程序，该驱动程序直接与VFS层交互（或者是否有任何方法可以绕过VFS，以便我的应用程序可以直接与该块驱动程序通信），不涉及/干扰内核缓冲区或页面缓冲区以及I/o调度程序。 此块驱动程序将直接与libata通信（绕过SCSI子系统上层），libata然后与PATA/SATA HBA驱动程序通信

是否有可能以独立于cpu体系结构的方式编写这样的驱动程序

这是一个可行的方法吗？如果是，则会影响我的应用程序无法访问的其他连接的HDD的I/O性能。就这样。在这种情况下，我的应用程序是否需要通过VFS编写系统调用（或在可能的情况下绕过它），以便与我的块驱动程序通信？ 请告诉我这个方法

或者我的块设备驱动程序是否可以直接与为libata编写的PATA/SATA HBA驱动程序通信， 但同样，这种方法会影响我的应用程序无法访问的其他连接的硬盘的I/O性能。就这样。我的应用程序如何与这个块设备驱动程序通信

请开导我

此外，我还想了解我的应用程序的相同场景，但有一个不同点——如果我有SCSI硬盘驱动器及其变体，那么我会使用PATA/SATA驱动器，特别是SAS、光纤通道和USB驱动器。当然，这次我不会使用libata和ATA命令，而是使用SCSI协议命令

您是否建议使用live cd发行版作为我的应用程序主机，该发行版包含PATA/SATA HBA libata驱动程序（不适用于IDE子系统，因为我不会使用它，因为它现在已贬值，因此可能不会更新HBA驱动程序）

简而言之，linux应用程序访问PATA/SATA或SCSI/SAS/光纤通道HDD的最直接方式是什么

我希望，我已经就我的问题提供了足够的信息，但如果你想得到更多信息或更多的澄清，请随时提问

更新1（2012年6月27日）：
通过与Chris的有益讨论（见下文）和我的研究，我得出以下结论：

一个现成的USB到PATA/SATA适配器不能解决我的目的，因为它不允许我的应用程序。或者驱动程序在运行中更改数据传输模式（PIO vs DMA），它不允许我的应用程序。或驱动程序读取ATA寄存器

定制的USB-to-PATA/SATA适配器可能会有所帮助，但这需要一个需要实现ATA协议的嵌入式处理器，或者一个实现整个ATA协议的FPGA芯片。 但嵌入式处理器解决方案涉及GPIO，不适合SATA，因为它需要专门的收发器，而I/O性能对于PATA和SATA都是一个问题-对于我的应用程序来说太慢了

这样的适配器将与我的linux内核驱动程序（或通过libusb）和我的应用程序通信。通过有助于与我的应用程序进行通信的自定义协议。以及嵌入式处理器上的ATA协议。 在FPGA芯片解决方案中，我需要在FPGA本身以及ATA协议中实现该协议

但在这一点上，无论是人力、时间还是金钱，我都不可能实现FPGA解决方案和嵌入式处理器解决方案。因此，我坚持使用纯软件解决方案