Программирование для Linux. Профессиональный подход

Самьюэл Алекс

Linux, как и большинство операционных систем, взаимодействует с аппаратными устройствами посредством модульных программных компонентов, называемых драйверами. Драйвер скрывает от операционной системы детали взаимодействия с устройством и предоставляет в распоряжение системы стандартный интерфейс обращения к устройству.

В Linux драйверы устройств являются частью ядра и могут подключаться к ядру статически либо по запросу в виде модулей. Драйверы недоступны напрямую пользовательским процессам. Но в Linux имеется особый механизм — специальные файловые объекты, позволяющие процессам взаимодействовать с драйверами, а через них — с аппаратными

устройствами. Такие объекты являются частью операционной системы, поэтому программы могут открывать их, читать из них данные и осуществлять запись в них точно так же, как если бы это быта обычные файлы. С помощью низкоуровневых вызовов (описаны в приложении Б, "Низкоуровневый ввод-вывод") или стандартных библиотечных функций ввода-вывода программы могут обмениваться данными с устройствами через файловые объекты

В Linux есть также ряд файловых объектов, предназначенных для доступа к ядру, а не к драйверам устройств. Такие объекты не связаны с аппаратными устройствами. Они реализуют специальные функции, используемые приложениями и системными программами.

Будьте осторожны при доступе к устройствам!

Описанные в этой главе методики позволяют непосредственно взаимодействовать с драйверами устройств, работающими в ядра Linux, а через них — с аппаратными устройствами, подключенными к системе. Применить эти методики следует осторожно, чтобы не нарушить работоспособность системы

6.1. Типы устройств

Файлы устройств не являются обычными файлами: с ними не связаны блоки данных на диске. Данные, помещаемые в такой файл или извлекаемые из него, передаются соответствующему драйверу устройства или принимаются от него, а драйвер, в свою очередь, осуществляет обмен данными с обслуживаемым устройством. Устройства классифицируются по двум типам.

■ Символьные (байт-ориентированные) устройства читают и записывают данные в виде потока байтов. Сюда входят последовательные и параллельные порты, накопители на магнитной ленте, терминалы и звуковые платы.

■ Блочные (блок-ориентированные) устройства читают и записывают данные блоками фиксированного размера. В отличие от символьных устройств блочные устройства предоставляют произвольный доступ к своим данным. В качестве примера можно назвать жесткий диск.

Как правило, приложения не работают с блочными устройствами. В каждом разделе жесткого диска содержится файловая система, которая монтируется к дереву корневой файловой системы Linux. Лишь ядро, реализующее функции файловой системы, получает прямой доступ к блочному устройству. Программы обращаются к содержимому диска через обычные файлы и каталоги.

Опасность доступа к блочному устройству

Драйверы блочных устройств имеют прямой доступ к данным, хранящимся на диске. В большинстве Linux-систем прямой доступ к таким устройствам разрешен лишь процессам, выполняющимся от имени пользователя

root

, но и они способны нанести непоправимый ущерб, изменив содержимое диска. Осуществляя запись в блочное устройство, программа может модифицировать или уничтожить не только управляющую информацию, хранящуюся в файловой системе, но и таблицу разделов диска и даже главную загрузочную запись. Вследствие этого жесткий диск или вся система может оказаться разрушенной.

Приложениям иногда приходится иметь дело с символьными устройствами: об этом

пойдет речь в разделе 6.5, "Специальные устройства".

6.2. Номера устройств

ОС Linux идентифицирует устройства двумя числами: старшим номером устройства и младшим номером устройства. Старший номер указывает на то, какой драйвер соответствует устройству. Соответствие между старшими номерами устройств и драйверами жестко зафиксировано в исходных файлах ядра Linux. Двум разным драйверам может соответствовать одинаковый старший номер. Это значит, что один драйвер управляет символьным устройством, а второй — блочным. Младшие номера позволяют различать отдельные устройства или аппаратные компоненты, управляемые одним драйвером. Значение младшего номера зависит от драйвера.

Например, устройству со старшим номером 3 соответствует основной контроллер IDE. К этому контроллеру могут быть подключены два устройства (жесткие диски, накопитель на магнитной лейте или дисковод CD-ROM). "Главному" устройству будет соответствовать младший номер 0, а "подчиненному" устройству — номер 64. Отдельные разделы главного устройства (если он поддерживает разбивку на разделы) будут иметь младшие номера 1, 2, 3 и т.д. Разделы подчиненного устройства представляются младшими номерами 65, 66, 67 и т.д.

Список старших номеров устройств можно узнать в документации к исходным текстам ядра Linux. Во многих дистрибутивах эта информация хранится в файле

/usr/src/Linux/Documentation/devices.txt

. В специальном файле

/proc/devices

перечислены старшие номера устройств, соответствующие загруженным в данный момент драйверам (о файловой системе

/proc

рассказывается в главе 7, "Файловая система

/proc

").

6.3. Файловые ссылки на устройства

Ссылки на устройства напоминают обычные файлы. Их можно перемещать с помощью команды

mv

и удалять командой

rm

. Правда, если попытаться скопировать такую ссылку с помощью команды

cp

, из устройства будут прочитаны данные (при условии что устройство поддерживает операцию чтения) и эти данные перенесутся в указанный файл. При попытке перезаписи ссылки в соответствующее устройство будут записаны данные.

Ссылка на устройство создается с помощью команды

mknod

(документация вызывается так.

man 1 mknod

) или функции

mknod

(документация вызывается так:

man 2 mknod

). Создание ссылки не означает, что драйвер устройства или само устройство автоматически станут доступными. Ссылка является лишь своего рода порталом, через который происходит взаимодействие с драйвером. Создавать такие ссылки разрешается только процессам суперпользователя.

Первый аргумент команды

mknod

задает путь, под которым ссылка появится в файловой системе. Второй аргумент равен

b

для блочного устройства и

с

для символьного устройства. Старший и младший номера устройства задаются в третьем и четвертом аргументах соответственно. Например, следующая команда создает в текущем каталоге ссылку на символьное устройство

lp0

. Старший номер устройства — 6, младший — 0. Эти номера соответствуют первому параллельному порту Linux.