Таблица 5.1. Типичные точки входа в драйвер устройства
Точка входа Сим- вольный Блочный Низкого уровня Назначение
xxopen() + + + Вызывается при каждой операции открытии устройства. Обеспечивает необходимую реинициализацию физического устройства и внутренних данных драйвера. Например, для каждого последующего открытия драйвера могут размещаться дополнительные буферы, обеспечивающие возможность независимой работы с устройством нескольким процессам.
xxclose() + + + Вызывается, когда число ссылок на данный драйвер становится равным нулю, т. е. ни один из процессов системы не работает с устройством (не имеет открытым соответствующий файл устройства). Может вызывать отключение физического устройства. Например, драйвер накопителя на магнитной ленте может перемотать ленту в начало.
xxread() + - + Производит чтение данных от устройства.
xxwrite() + - + Производит запись данных на устройство.
xxioctl() + - + Является общим интерфейсом управления устройством. Драйвер может определить набор команд, которые могут быть переданы ему, например с помощью системного вызова
ioctl(2).
xxintr() + + + Вызывается при поступлении прерывания, связанного с данным устройством. Может выполнить копирование данных от устройства в промежуточные буферы, которые затем считываются функцией
xxread() по запросу прикладного процесса.
xxpoll() + - + Производит опрос устройства. Обычно используется для устройств, не поддерживающих прерывания, например, для определения поступления данных для чтения.
xxhalt() + + + Вызывается для останова драйвера при останове системы или при выгрузке драйвера.
xxstrategy() - + + Общая точка входа для операций блочного ввода/вывода. Название функции говорит о том, что устройство может обеспечивать собственную стратегию обработки поступающих запросов, например, изменять их порядок для повышения производительности ввода/вывода. Если устройство занято, функция помещает запросы в очередь. В этом случае фактический ввод/вывод инициирует функция обработки прерывания, которая вызывается, когда устройство закончит предыдущую операцию ввода/вывода. xxprint() - + + Выводит сообщение драйвера на консоль, обычно при запуске системы.
Ядро вызывает те или иные функции драйвера в зависимости от запроса. Например, если процесс выполняет системный вызов read(2) для специального файла символьного устройства, ядро вызовет функцию xxread() для соответствующего символьного драйвера. Если же процесс запрашивает ту же операцию для обычного дискового файла, ядро вызовет процедуру xxstrategy() для блочного драйвера, обслуживающего данную файловую систему.
Вообще говоря, можно выделить пять основных случаев, в которых ядро обращается к функциям драйвера:
□ Автоконфигурация. Обычно происходит в процессе инициализации UNIX, когда ядро определяет, какие устройства доступны в системе.
□ Ввод/вывод. Запрос на операцию ввода/вывода может быть инициирован как прикладным процессом, так и некоторыми подсистемами ядра, например, подсистемой управления памятью.
□ Обработка прерываний. Ядро вызывает соответствующую функцию драйвера для обработки прерывания, поступившего от устройства (если устройство способно генерировать прерывания).
□ Специальные запросы. Ядро вызывает соответствующую функцию драйвера для обработки специальных команд, полученных с помощью системного вызова ioctl(2).
□ Реинициализация/Останов. Некоторые типы аппаратных архитектур могут требовать сброса и реинициализации устройства. Определенные функции драйвера также вызываются при останове операционной системы.
На рис. 5.2 и 5.3 приведены схемы доступа к драйверам символьного и блочного устройств.
Рис. 5.2. Доступ к драйверу символьного устройства
Рис. 5.3. Доступ к драйверу блочного устройства
Как видно из рисунков, схема обработки запроса ядром UNIX различна для символьных и блочных устройств.
При обсуждении точек входа драйверов устройств следует иметь в виду, что большинство функций драйвера, отвечающих за передачу данных, осуществляют копирование информации из адресного пространства ядра, в котором находится сам драйвер, в адресное пространство задачи. Когда ядро вызывает функцию драйвера, все действия выполняются в системном контексте процесса. Однако схема вызова функций может быть различной:
□ Функция может быть вызвана по запросу процесса. Например, если процесс выполняет системный вызов read(2), ядро вызывает соответствующую точку входа драйвера xxread(), обеспечивающего работу с файлом. В этом случае говорят, что функция имеет контекст задачи.
□ Функция может быть вызвана другой подсистемой ядра операционной системы. Например, для блочного драйвера функция xxstrategy() может быть вызвана страничным демоном, для сохранения страниц во вторичной памяти (как правило, на жестком диске). Поскольку страничный демон представляет собой системный процесс, выполняющийся только в контексте ядра, функция xxstrategy() в этом случае имеет системный контекст.
□ Если функция вызывается в процессе обработки прерывания, то она имеет контекст прерывания — специальный вид системного контекста. Функции драйвера, отвечающие за обработку прерывания, например xxintr() имеют этот тип контекста.
Различия в контексте и причинах вызова тех или иных функций драйвера позволяют представить драйвер устройства состоящим из двух частей: верхней части (top half) и нижней части (bottom half). Функции верхней части драйвера имеют синхронный характер, т.е. вызываются по определенным запросам прикладного процесса и выполняются в его контексте. Таким образом, для этих функций доступно адресное пространство и u-area процесса, и при необходимости эти функции могут перевести процесс в состояние сна (вызовом функции sleep() ядра). Функции ввода/вывода и управления принадлежат верхней части драйвера.
Вызов функций нижней части носит асинхронный характер. Например, момент вызова функции обработки прерываний нельзя предугадать, и ядро не может контролировать, когда эта функция будет вызвана. Выполнение таких функций происходит в контексте ядра и обычно не имеет никакого отношения к контексту текущего процесса. Таким образом, функции системного контекста не имеют права адресовать структуры данных текущего процесса, например его u-area, а также не могут перевести процесс в состояние сна, поскольку это заблокирует процесс, не имеющий непосредственного отношения к работе драйвера.
Две части драйвера требуют синхронизации. Например, в случае, когда функции обеих частей используют одну и ту же структуру данных, функция верхней части при выполнении должна заблокировать прерывания на период работы с "разделяемой" областью памяти. В противном случае, прерывание может поступить в тот момент, когда целостность структуры данных нарушена, что приведет к непредсказуемым результатам.
