Файлы устройств, драйверы

Особенность UNIX- все устройства обслуживаются в системе виде файлов.

С точки зрения внутренней организации системы, как и в подавляющем большинстве других операционных систем, работа с внешними устройствами осуществляется посредством использования иерархии драйверов, которые позволяют организовывать взаимодействие ядра ОС с конкретными устройствами. В системе Unix существует единый интерфейс организации взаимодействия с внешними устройствами, для этих целей используются специальные файлы устройств, размещенные в каталоге /dev. Файл устройства позволяет ассоциировать некоторое имя (имя файла устройства) с драйвером того или иного устройства. Следует отметить, что здесь мы несколько замещаем понятие устройства понятием драйвер устройства, так как несмотря на то, что мы используем термин специальные файлы устройств, на практике, мы используем ассоциированный с данным специальным файлом драйвер устройства, и таких драйверов у одного устройства может быть произвольное число. Возможно, более удачным было бы использовать специальный файл-драйвер устройства.

В системе существуют два типа специальных файлов устройств:

-          файлы байториентированных устройств (драйверы обеспечивают возможность побайтного обмена данными и, обычно, не используют централизованной внутрисистемной кэш-буферизации );

-          файлы блокориентированных устройств (обмен с данными устройствами осуществляется фиксированными блоками данных, обмен осуществляется с использованием специального внутрисистемного буферного кэша).

Следует отметить, файловая система может быть создана только на блокориентированных устройствах.

В общем случае тип файла определяется свойствами конкретного устройства и организацией драйвера. Конкретное физическое устройство может иметь, как байториентированные драйверы драйверы, так и блокориентированные. Например, если рассмотреть физическое устройство Оперативная память , для него можно реализовать, как байториентированный интерфейс обмена (и соответствующий байториентированный драйвер), так и блокориентированный.

Содержимое файлов устройств размещается исключительно в соответствующем индексном дескрипторе, структура которого для фалов данного типа, отличается от структуры индексных дескрипторов других типов файлов.

Итак индексный дескриптор файла устройства содержит:

-          тип файла устройства – байториентированный или блокориентированный;

-          «старший номер» (major number) устройства - номер драйвера в соответствующей таблице драйверов устройств;

-          «младший номер» (minor number) устройства – служебная информация, передающаяся драйверу устройства.

Система поддерживает две таблицы драйверов устройств.

bdevsw – таблица драйверов блокориентированных устройств.

cdevsw - таблица байториентированных устройств. Выбор конкретной таблицы определяется типом файла устройства. Соответственно, поле старший номер определяет строку таблицы с которой ассоциирован драйвер устройства. Драйверу устройства может быть передана дополнительная информация через поле младший номер это может быть, например, номер конкретного однотипного устройства или некоторая информация, определяющая дополнительные функции драйвера

Каждая запись этих таблиц содержит так называемый коммутатор устройства – структуру, в которой размещены указатели на соответствующие точки входа (функции) драйвера. Таким образом, в системе определяется базовый уровень взаимодействия с драйвером устройства (конкретный состав точек входа определяется конкретной версией системы). В случае, если конкретный драйвер устройства не поддерживает работу с той или иной точкой входа, на ее место устанавливается специальная ссылка-заглушка на точку ядра.

В качестве примера, рассмотрим типовой набор точек входа в драйвер (b - префикс точки входа, характеризующий конкретный драйвер):

-          bopen() открытие устройства, обеспечивается инициализация устройства и внутренних структур данных драйвера;

-          bclose() закрытие драйвера устройства, например в том случае, если ни один из процессов не работает с драйвером;

-          bread() чтение данных;

-          bwrite() запись данных;

-          bioctl() управление устройством, задание режимов работы драйвера, определение набора внутренних операций/команд драйвера;

-          bintr() – обработка прерывания, вызывается ядром при возникновении прерывания в устройстве с которым ассоциирован драйвер;

-          bstrategy() управление стратегией организации блокориентированного обмена (некоторые функции оптимизации организации обмена, обработка специальных ситуаций, связанных с функционированием конкретного устройства и т.п.).

Так в некоторых реализациях системы возможно отсутствие точек входа чтения и записи для блокориентированнх устройств. В этом случае блокориентированный обмен реализуются путем передачи управления на точу bstrategy().

В системе возможно обращение к функциям драйвера в следующих ситуациях:

1.      старт системы, определение ядром состава доступных устройств.

2.      обработка запроса ввода/вывода (запрос может быть инициирован, любыми процессами, в том числе и ядром);

3.      обработка прерывания, связанного с данным устройством, в этом случае ядро вызывает специальную функцию драйвера;

4. выполнение специальных команд управления (например, остановка устройства, приведение устройства в некоторое начальное состояние и т.п.).

Существует два, традиционных способа включения драйверов новых устройств в систему:

        путем «жесткого», статического встраивания драйвера в код ядра, требующего перекомпиляцию исходных текстов ядра или пересборку объектных модулей ядра.

        за счет динамического включения драйвера в систему.

Динамическое включение драйверов в систему предполагает выполнение следующей последовательности действий:

-          загрузка и динамическое связывание драйвера с кодом ядра (выполняется специальным загрузчиком);

-      инициализация драйвера и соответствующего ему устройства (создание специальных структур данных драйвера,

формирование данных коммутатора устройства, связывание обработчика прерываний ядра с данным драйвером).

Для обеспечения динамического включения/выключения драйверов предоставляется набор системных вызовов, обеспечивающий установку и удаление драйверов в систему.

На практике, наиболее часто мы имеем дело с обменами, связанными с доступом к содержимому обыкновенных файлов. Рассмотрим обобщенную схему организации обмена данными с файлами, т.е. внутреннюю организацию программ и данных, обеспечивающих доступ к содержимому файловой системы (файловая система может быть создана исключительно на блокориентированных устройствах).

Рассмотрим ряд информационных структур и таблиц, используемых системой для организации интерфейса работы с файлами.

Для организации интерфейса работы с файлами ОС использует информационные структуры и таблицы двух типов:

-          ассоциированные с процессом;

-          ассоциированные с ядром операционной системой.

Таблица индексных дескрипторов открытых файлов.

Для каждого открытого в рамках системы файла формируется запись в таблице ТИДОФ, содержащая:

        копия индексного дескриптора (ИД) открытого файла;

        кратность - счетчик открытых в системе файлов, связанных с данным ИД.

Вся работа с содержимым открытых файлов происходит посредством использования копии ИД, размещенной в таблице ТИДОФ. Данная таблица размещается в памяти ядра ОС. Если один и тот же файл открыт неоднократно, то запись в ТИДОФ создается одна, но каждое дополнительное открытие этого файла увеличивает счетчик на единицу

Таблица файлов.

Таблица файлов содержит сведения о всех файловых дескрипторах открытых в системе файлов. Каждая запись ТФ соответствует открытому в системе файлу или точнее используемому файловому дескриптору (ФД). Каждая запись ТФ содержит указатели чтения/записи из/в файл. Рассмотрим правила установления соответствия между открытыми в процессах файлами и записями ТФ. При каждом новом обращении к функции открытия файла в таблице процессов образуется новая запись, таким образом если неоднократно в одном или нескольких процессах открывается один и тот же файл, то в каждом случае будет определяться свой независимый от других файловый дескриптор, в том числе со своим указателем чтения/записи. Если файловый дескриптор в процессе образуется за счет наследования, то в этом случае новые записи в ТФ не образуются, а происходит увеличение счетчика «наследственности» в записи, соответствующей файлу, открытому в прародителе. Таблица размещается в памяти ОС.

Таблица открытых файлов.

С каждым процессом связана таблица открытых файлов (ТОФ). Номер записи в данной таблице есть номер ФД, который может использоваться в процессе. Каждая строка этой таблицы имеет ссылку на соответствующую строку ТФ. Первые три строки этой таблицы используются для файловых дескрипторов стандартных устройств/файлов ввода вывода.

Для иллюстрации работы с данными таблицами рассмотрим следующий пример.

Пусть в системе сформирован процесс №1, в нем открыт файл с именем name (для простоты будем считать, то это единственное открытие файла с данным именем в данный момент времени), в таблице ТОФ№1 этого процесса будет образована соответствующая запись, которая будет ссылаться на запись в ТФ, которая, в свою очередь, ссылается на таблицу ТИДОФ. Счетчик наследственности ТФ и счетчик кратности ТИДОФ будут равны единице.

Далее, формируется процесс №2, который в свою очередь открывает файл с именем name, в результате чего в ТФ будет образована новая запись, которая будет ссылаться на запись ТИДОФ, соответствующую индексному дескриптору файла name, счетчик кратности этой записи увеличится на единицу.

Процесс №1 выполняет системный вызов fork() в результате чего образуется процесс №3 с открытым (унаследованным) файлом name. В таблице ТОФ№3 будет размещена копия таблицы ТОФ№2, счетчик наследственности соответствующей записи ТФ и счетчик кратности в записи ТИДОФ увеличатся на единицу.

Буферизация при блокориентированном обмене

Особенностью работы с блокориентироваными устройствами является возможность организации буферизации при обмене. Суть заключается в следующем. В RAM организуется пул буферов, где каждый буфер имеет размер в один блок. Каждый из этих блоков может быть ассоциирован с драйвером одного из физических блок-ориентированных устройств.

«+» оптимизация и минимизация обмена с реальными устройствами.

«-» Существенная критичность к несанкционированному выключению машины

«-»проблемы разорванности во времени операции записи (поработал, ушел, а данные еще не записались. )

Рассмотрим, как выполняется последовательность действий при исполнении заказа на чтение блока. Будем считать, что поступил заказ на чтение N-ого блока из устройства с номером M.

1.   Среди буферов буферного пула осуществляется поиск заданного блока, т.е. если обнаружен буфер, содержащий N-ый блок М-ого устройства, то фиксируем номер этого буфера. В этом случае, обращение к реальному физическому устройству не происходит, а операция чтения информации является представлением информации из найденного буфера. Переходим на шаг 4.

2.   Если поиск заданного буфера неудачен, то в буферном пуле осуществляется поиск буфера для чтения и размещения данного блока. Если есть свободный буфер (реально, эта ситуация возможна только при старте системы), то фиксируем его номер и переходим к шагу 3. Если свободного буфера не нашли, то мы выбираем буфер, к которому не было обращений самое долгое время. В случае если в буфере имеется установленный признак произведенной записи информации в буфер, то происходит реальная запись размещенного в буфере блока на физической устройство. Затем фиксируем его номер и также переходим к пункту 3.

3.   Осуществляется чтение N-ого блока устройства М в найденный буфер.

4.   Происходит обнуление счетчика времени в данном буфере и увеличение на единицу счетчиков в других буферах.

5.Передаем в качестве результата чтения содержимое данного буфера.

Вы видите, что здесь есть оптимизация, связанная с минимизацией реальных обращений к физическому устройству. Это достаточно полезно при работе системы. Запись блоков осуществляется по аналогичной схеме. Таким образом, организована буферизация при низкоуровневом вводе/выводе. Преимущества очевидны. Недостатком является то, что система в этом случае является критичной к несанкционированным отключениям питания, т. е. ситуация, когда буфера системы не выгружены, а происходит нештатное прекращение выполнения программ операционной системы, что может привести к потере информации.

Второй недостаток заключается в том, что за счет буферизации разорваны во времени факт обращения к системе за обменом и реальный обмен. Этот недостаток проявляется в случае, если при реальном физическом обмене происходит сбой. Т. е. необходимо, предположим, записать блок, он записывается в буфер, и получен ответ от системы, что обмен закончился успешно, но когда система реально запишет этот блок на ВЗУ, неизвестно. При этом может возникнуть нештатная ситуация, связанная с тем, что запись может не пройти, предположим, из-за дефектов носителя. Получается ситуация, при которой обращение к системе за функцией обмена для процесса прошло успешно (процесс получил ответ, что все записано), а, на самом деле, обмен не прошел.

Таким образом, эта система рассчитана на надежную аппаратуру и на корректные профессиональные условия эксплуатации.

Для борьбы с вероятностью потери информации при появлении нештатных ситуаций, система достаточно «умна», и действует верно.

А именно, в системе имеется некоторый параметр, который может оперативно меняться, который определяет периоды времени, через которые осуществляется сброс системных данных.

Второе - имеется команда, которая может быть доступна пользователю, - команда SYNC. По этой команде осуществляется сброс данных на диск.

И третье - система обладает некоторой избыточностью, позволяющей в случае потери информации, произвести набор действий, которые информацию восстановят или спорные блоки, которые не удалось идентифицировать по принадлежности к файлу, будут записаны в определенное место файловой системы. В этом месте их можно попытаться проанализировать и восстановить вручную, либо что-то потерять.

Наш университет одним из первых в стране начал эксплуатировать операционную систему UNIX, и сейчас уже можно сказать, что проблем ненадежности системы, с точки зрения фатальной потери информации, не было.