Блочные, символьные устройства
Обремененные знаниями об устройстве современных файловых систем в UNIX, мы можем, наконец, заняться вопросами реализации подсистемы ввода-вывода.
В лекции 13 (раздел "Структура системы ввода-вывода") речь шла о том, что все устройства ввода-вывода можно разделить на относительно небольшое число типов, в зависимости от набора операций, которые могут ими выполняться. Такое деление позволяет организовать "слоистую" структуру подсистемы ввода-вывода, вынеся все аппаратно-зависимые части в драйверы устройств, с которыми взаимодействует базовая подсистема ввода-вывода, осуществляющая стратегическое управление всеми устройствами.
В операционной системе UNIX принята упрощенная классификация устройств (см. лекцию 13, раздел "Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами"): все устройства разделяются по способу передачи данных на символьные и блочные. Символьные устройства осуществляют передачу данных байт за байтом, в то время как блочные устройства передают блок байт как единое целое. Типичным примером символьного устройства является клавиатура, примером блочного устройства – жесткий диск. Непосредственное взаимодействие операционной системы с устройствами ввода-вывода обеспечивают их драйверы. Существует пять основных случаев, когда ядро обращается к драйверам:
- Автоконфигурация. Происходит в процессе инициализации операционной системы, когда ядро определяет наличие доступных устройств.
- Ввод-вывод. Обработка запроса ввода-вывода.
- Обработка прерываний. Ядро вызывает специальные функции драйвера для обработки прерывания, поступившего от устройства, в том числе, возможно, для планирования очередности запросов к нему.
- Специальные запросы. Например, изменение параметров драйвера или устройства.
- Повторная инициализация устройства или останов операционной системы.
Так же как устройства подразделяются на символьные и блочные, драйверы тоже существуют символьные и блочные. Особенностью блочных устройств является возможность организации на них файловой системы, поэтому блочные драйверы обычно используются файловой системой UNIX.
При обращении к блочному устройству, не содержащему файловой системы, применяются специальные драйверы низкого уровня, как правило, представляющие собой интерфейс между ядром операционной системы и блочным драйвером устройства.
Для каждого из этих трех типов драйверов были выделены основные функции, которые базовая подсистема ввода-вывода может совершать над устройствами и драйверами: инициализация устройства или драйвера, временное завершение работы устройства, чтение, запись, обработка прерывания, опрос устройства и т.д. (об этих операциях уже говорилось в лекции 13, раздел "Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами"). Эти функции были систематизированы и представляют собой интерфейс между драйверами и базовой подсистемой ввода-вывода.
Каждый драйвер определенного типа в операционной системе UNIX получает собственный номер, который по сути дела является индексом в массиве специальных структур данных операционной системы – коммутаторе устройств соответствующего типа. Этот индекс принято также называть старшим номером устройства, хотя на самом деле он относится не к устройству, а к драйверу. Несмотря на наличие трех типов драйверов, в операционной системе используется всего два коммутатора: для блочных и символьных драйверов. Драйверы низкого уровня распределяются между ними по преобладающему типу интерфейса (к какому типу ближе – в такой массив и заносятся). Каждый элемент коммутатора устройств обязательно содержит адреса (точки входа в драйвер), соответствующие стандартному набору функций интерфейса, которые и вызываются операционной системой для выполнения тех или иных действий над устройством и/или драйвером.
Помимо старшего номера устройства существует еще и младший номер устройства, который передается драйверу в качестве параметра и смысл которого определяется самим драйвером. Например, это может быть номер раздела на жестком диске (partition), доступ к которому должен обеспечить драйвер (надо отметить, что в операционной системе UNIX различные разделы физического носителя информации рассматриваются как различные устройства).
В некоторых случаях младший номер устройства может не использоваться, но для единообразия он должен присутствовать. Таким образом, пара драйвер-устройство всегда однозначно определяется в операционной системе заданием пары номеров (старшего и младшего номеров устройства) и типа драйвера (символьный или блочный).
Для связи приложений с драйверами устройств операционная система UNIX использует файловый интерфейс. В числе типов файлов на предыдущем семинаре упоминались специальные файлы устройств. Так вот, каждой тройке тип-драйвер-устройство в файловой системе соответствует специальный файл устройства, который не занимает на диске никаких логических блоков, кроме индексного узла. В качестве атрибутов этого файла помимо обычных атрибутов используются соответствующие старший и младший номера устройства и тип драйвера (тип драйвера определяется по типу файла: ибо есть специальные файлы символьных устройств и специальные файлы блочных устройств, а номера устройств занимают место длины файла, скажем, для регулярных файлов). Когда открывается специальный файл устройства, операционная система, в числе прочих действий, заносит в соответствующий элемент таблицы открытых виртуальных узлов указатель на набор функций интерфейса из соответствующего элемента коммутатора устройств. Теперь при попытке чтения из файла устройства или записи в файл устройства виртуальная файловая система будет транслировать запросы на выполнение этих операций в соответствующие вызовы нужного драйвера.
Мы не будем останавливаться на практическом применении файлового интерфейса для работы с устройствами ввода-вывода, поскольку это выходит за пределы нашего курса, а вместо этого приступим к изложению концепции сигналов в UNIX, тесно связанных с понятиями аппаратного прерывания, исключения и программного прерывания.
