Устройства и драйверы

Презентация 2-09: устройства в UNIX

Как говорилось в прошлой лекции, процессор взаимодействует с внешними устройствами через шины. Любое устройство, подключенное к системной шине (или к шине PCI, или USB), обладает определённым интерфейсом (заранее известными идентификаторами, номерами портов ввода и вывода и т. п.), через который производится обмен данными и сообщениями с устройством. Таким образом, в первую очередь операционная система должна иметь модули, осуществляющее управление шинами, прерываниями, DMA и т. п. Эти модули обычно загружаются при старте системы.

Сами внешние устройства по типу доступа к ним могут быть классифицированы несолькими способами:

• символьные — чтение и запись данных производится побайтно (например, COM-порт);
• блочные — чтение и запись данных производится блоками (например, секторами в жётском диске);

• последовательного доступа — читать и записывать данные можно только последовательно (например, коммуникационные каналы);
• произвольного доступа — возможно обращение к данным по индексу (диски);

• синхронные — передают данные только по команде (например, принтер);
• асинхронные — могут передавать данные без предварительного указания (например, сетевая карта).

Для работы с каждым из обозначенных видов устройств нужна сответствующая подпрограмма в ядре — только она знает, каким образом пользовательские данные конвертируются в сигналы шины и наоборот. Такая подпрограмма ядра (оформляемая обычно в виде модуля) называется драйвером. В UNIX можно выделить несколько групп устройств (и соответствующих драйверов), основные из них: блочные устройства (блочные, произвольного доступа), символьные устройства (символьные, последовательного доступа), сетевые устройства (блочные, последовательного доступа, асинхронные). Интересная особенность блочных утройств состоит в том, что при обращении к ним может использоваться буфер, в котором кэшируются данные последних запросов. Сетевые устройства представлены в системе в виде сетевых интерфейсов, которые будут рассмотрены в разделе «Сетевой интерфейс в UNIX».

В операционной системе UNIX большинство внешних устройств доступно пользовательским программам в виде специальных файлов. Эти файлы могут быть, соответственно, двух типов — символьные и блочные. Традиционно, все файлы устройств располагаются в каталоге /dev и имеют имена, соответствующие назначению устройства. Например, в операционной системе Linux устройства терминала обозначаются как /dev/tty0, /dev/tty2 и т. д. с увеличением порядкового номера, жёсткий диск — /dev/sda, а порт PS/2 — /dev/psaux. Названия однотипных устройств обычно отличаются целым числом. Программы могут открывать, читать и записывать данные в файлы устройств как в обычные файлы, при этом операционная система транслирует пользовательские запросы драйверу соответствующего устройства.

Рисунок 1.27. Взаимодействие с устройством через файл

Таким образом, файл устройства является одним из интерфейсов взаимодействия процессов с устройствами. Каждый файл устройства имеет два номера — старший и младший. По этим номерам операционная система определяет, какой драйвер должен использоваться при обращении к этому файлу.

В операционной системе UNIX большая часть драйверов устройств выполнена в виде модулей ядра. Однако, некоторые драйверы частично выполняются в пользовательском режиме (например, видеокарты в рамках графической подсистемы X Windows).

Помимо файлов, соответствующих внешним устройствам, в UNIX есть несколько стандартных файлов виртуальных устройств. Эти файлы могут передавать и принимать от пользовательских процессов специальные данные, например, из символьного устройства /dev/zero можно прочитать только нули, сколько бы процесс не читал данные из этого файла. Вот список наиболее распространённых виртуальных устройств:

/dev/console

устройство соответствует активной в данный момент терминальной линии (виртуальной консоли);

/dev/null

«чёрная дыра» — любая информация, записанная в этот файл, пропадает безвозвратно, обычно используется для поглощения ненужного вывода программ;

/dev/random и /dev/urandom

устройства, генерирующие соответственно случайные и псевдослучайные данные;

/dev/stdin, /dev/stdout и /dev/stderr

устройства, соответствующие трём стандартным потокам ввода-вывода для каждого из процессов системы;

/dev/zero

устройство генерирует нули — из этого устройства можно прочитать сколько угодно нулевых байт.

Резюме

Презентация 2-10: резюме

Во второй лекции была рассмотрена архитектура операционной системы UNIX.

Основными принципами операционной системы UNIX являются многозадачность и стандартизация. Пользователю приходиться работать с двумя основными объектами операционной системы: файлами и процессами.

Операционную систему UNIX можно представить в виде трёх уровней: монолитное ядро, системные утилиты и демоны, пользовательские программы. Первые два работают на уровне привилегий системы, третий — на уровне пользователя.

Все файловые системы семейства UNIX обладают схожей структурой. Основным элементом файловой системы является индексный узел, каталог связывает файл с именем. Помимо файлов и каталогов существуют специальные виды файлов: устройства, каналы, символьные ссылки и сокеты.

Для объединения файловых систем нескольких устройств используются виртуальная файловая система и механизм монтирования. Стандарт на файловую систему описывает основные каталоги иерархической файловой системы UNIX.

Работа с внешними устройствами в UNIX производится через специальные модули ядра — драйверы устройств. Пользовательские программы обращаются к большинству устройств через специальные файлы, расположенные в файловой ситсеме.

Ключевые термины: файл, процесс, двухуровневая модель системы, демон, файловая система, каталог, корневой каталог, имя файла, индексный узел, жёсткая ссылка, суперблок, файл устройства, именованный канал, символьная ссылка, сокет, виртуальная файловая система, монтирование, иерархия файловой системы, драйвер