Операционная система UNIX

Робачевский Андрей Михайлович

Поскольку каждый дисковый блок связан с каким-либо файлом и соответственно с его vnode, а его образ в памяти — с физическими страницами, которые также связаны с vnode (через структуры описания физической памяти —

page

в SVR4,

pfdat

в SVR3), все операции ввода/вывода связаны с подкачкой и сохранением страниц и идентифицируются vnode.

Символьные устройства

Символьные устройства представляют собой значительную часть периферийного оборудования системы, включая терминалы, манипуляторы (например, мышь), клавиатуру и локальные принтеры. Основное отличие этих устройств от блочных заключается в том, что они, как правило, передают небольшие объемы данных.

Обмен данными с символьными устройствами происходит непосредственно через драйвер, минуя буферный кэш. При этом данные обычно

копируются в драйвер из адресного пространства процесса, запросившего операцию ввода/вывода.

Если процесс сделал системный вызов ввода/вывода, например, read(2) или write(2) со специальным файлом символьного устройства, запрос направляется в файловую подсистему. Поскольку доступ к устройству обслуживается файловой системой specfs, рассмотренной ранее, в ответ на выполнение системного вызова процесса ядро выполняет вызов функции

spec_read

или

spec_write

соответственно для read(2) или write(2). Действия функций

spec_read

и

spec_write

похожи. Обе проверяют тип vnode и определяют, что устройство является символьным. После этого с помощью коммутатора ядро выбирает соответствующую точку входа драйвера, используя старший номер, хранящийся в поле

v_rdev

vnode, и вызывает эту функцию (соответственно

xxread

или

xxwrite

), передавая ей в качестве параметров старший и младший номера, ряд дополнительных параметров, зависящих от конкретного вызова, а также явно или неявно адресует область копирования данных в адресном пространстве процесса [54] .

54

Несколько иная схема применяется для драйверов подсистемы STREAMS, которые также имеют символьный интерфейс доступа. Эти драйверы будут рассматриваться в данной главе в разделе "Подсистема STREAMS".

Интерфейс доступа низкого уровня

Символьные драйверы обеспечивают доступ не только к символьным устройствам, например, к адаптеру последовательного или параллельного портов, манипулятору "мышь", монитору или терминалам. Часть символьных драйверов служит в качестве интерфейса доступа низкого уровня к блочным устройствам, таким как диски или накопители на магнитных лентах.

Большинство таких драйверов отличаются от соответствующих им драйверов блочных устройств характером выполнения операций ввода/вывода. В то время как драйверы блочных устройств производят обмен данными с буферным кэшем, драйверы доступа низкого уровня обеспечивают обмен данных непосредственно с адресным пространством процесса. Отсутствие посредника в виде буферного кэша устраняет необходимость в совершении дополнительных операций копирования (драйвер — буферный кэш — буфер процесса), но в то же время лишает процесс услуг кэширования данных, предоставляемых операционной системой.

Интерфейс доступа низкого уровня используется многими системными утилитами обслуживания файловой системы, например, fsck(1M), а также рядом приложений, работающих с накопителями на магнитной ленте, например tar(1) или cpio(1). Этот интерфейс используется некоторыми приложениями, например СУБД, которые самостоятельно обеспечивают оптимизированные механизмы кэширования данных на уровне задачи.

Поскольку драйверы низкого уровня не используют буферный кэш, они самостоятельно обеспечивают необходимые буферы для совершения операции ввода/вывода. На рис. 5.8 показаны отличия в характере выполнения операции ввода/вывода с блочными устройствами в случаях, когда запрос формируется при участии буферного кэша (драйверы блочных устройств), и когда манипуляция буфером производится драйвером самостоятельно (драйверы низкого уровня).

Рис. 5.8. Различные типы доступа к блочным устройствам

Буферизация

Очевидно, что побайтная передача данных между драйвером символьного устройства и прикладным процессом весьма неэффективна. При таком режиме работы байт должен быть сначала

скопирован в адресное пространство драйвера, затем некоторое время должно пройти, прежде чем драйвер сможет передать этот символ физическому устройству. Если при этом устройство оказывается занятым, процесс должен ожидать завершения предыдущей операции, что, скорее всего, вынудит его перейти в состояние сна и приведет к переключению контекста.

Существует несколько способов преодолеть данную ситуацию, но все они предполагают обеспечение некоторой буферизации данных драйвером устройства. Первый способ заключается в использовании прерываний, когда при поступлении на устройство следующего символа, генерируется аппаратное прерывание, которое обрабатывается функцией

xxintr

драйвера независимо от функции

xxwrite

. Функция обработки прерывания записывает данные в буфер, которые затем считываются функцией

xxwrite

.

Если устройство не поддерживает прерываний, их поступление можно сэмулировать с помощью функции

xxpoll

драйвера устройства, которая вызывается ядром через определенные промежутки времени (обычно каждый сигнал таймера). Обычно функция

xxpoll

, в свою очередь, вызывает функцию

xxintr

, скажем, на каждый десятый сигнал таймера, обеспечивая тем самым независимое считывание и буферизацию данных.

Буферизация данных для символьных устройств осуществляется с помощью специальных структур данных, называемых

clist

. Каждая структура

clist

имеет следующие поля:

int c_cc;

struct cblock *с_cf;

struct cblock *c_cl;

Поле с_

cc

содержит число символов в буфере

cblock

. Поля

c_cf

и

c_cl

указывают, соответственно, на первый и последний элементы

cblock

, организованные в виде связанного списка и фактически обеспечивающие буферы хранения данных. Каждая структура

cblock

может хранить несколько символов. Когда буфер хранения заполняется, ядро автоматически выделяет новую структуру

cblock

и помещает ее в связанный список. Поля структуры

cblock

и их использование приведены на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Буферизация данных с помощью clist

Пример буферизации с использованием структуры

clist

в драйвере терминала показан на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Пример использования буферов clist в драйвере терминала

Архитектура терминального доступа

Алфавитно-цифровой терминал — последовательное устройство, и операционная система производит обмен данными с терминалом через последовательный интерфейс, называемый терминальной линией. С каждой терминальной линией в UNIX ассоциирован специальный файл символьного устройства /dev/ttyxx. [55]

55

В зависимости от версии UNIX вместо символов xx в имени файла терминала присутствует идентификатор, позволяющий поставить в соответствии специальному файлу конкретную терминальную линию. Например, в SCO UNIX виртуальные экраны системного монитора имеют имена /dev/tty01, /dev/tty02 и т.д.

Терминальные драйверы выполняют ту же функцию, что и остальные драйверы: управление передачей данных от/на терминалы. Однако терминалы имеют одну особенность, связанную с тем, что они обеспечивают интерфейс пользователя с системой. Обеспечивая интерактивное использование системы UNIX, терминальные драйверы имеют свой внутренний интерфейс с модулями, интерпретирующими ввод и вывод строк. Модуль, отвечающий за такую обработку, называется дисциплиной линии (line discipline).