Внутреннее устройство Linux

Уорд Брайан

В следующих главах вы будете работать как с системными компонентами ядра, так и с компонентами пространства пользователя, используя только что изученные инструменты командной строки.

1 В оригинале игра слов, основанная на сходстве произношения фамилии Bourne и слова born («рожденный»). — Примеч. пер.

3. Устройства

В этой главе представлены основные сведения об инфраструктуре устройств, которая обеспечивается ядром в работающей системе Linux. На протяжении истории этой системы многое изменилось в том, как ядро представляет устройства пользователю. Мы начнем с рассмотрения традиционной системы файлов устройств, чтобы понять, каким образом ядро обеспечивает конфигурацию устройства с помощью

пути sysfs. Наша цель — научиться извлекать информацию об устройствах в системе, чтобы понимать некоторые элементарные операции. В следующих главах будет подробно рассмотрено взаимодействие с особыми типами устройств.

Важно понимать, как ядро взаимодействует с пространством пользователя, когда ему предъявляются новые устройства. Менеджер устройств udev позволяет программам из пространства пользователя автоматически конфигурировать и использовать новые устройства. Вы увидите основные моменты того, как ядро отправляет сообщение процессу в пространстве пользователя с помощью менеджера udev и какой процесс при этом задействован.

3.1. Файлы устройств

В системе Unix большинством устройств легко управлять, поскольку ядро представляет процессам в виде файлов многие интерфейсы ввода-вывода устройств. Такие файлы устройств иногда называют узлами устройств. Не только программист может применять обычные файловые операции для работы с каким-либо устройством: некоторые устройства доступны также стандартным командам вроде cat. Вам не обязательно быть программистом, чтобы использовать устройство, однако есть ограничения на то, что вы можете сделать с помощью файлового интерфейса, так что не все устройства или их возможности доступны в стандартном файловом вводе-выводе.

Система Linux применяет ту же схему файлов устройств, какая используется в других вариантах системы Unix. Файлы устройств расположены в каталоге /dev, и при запуске команды ls /dev обнаружится достаточное количество файлов в этом каталоге. При работе с устройствами для начала попробуйте такую команду:

$ echo blah blah > /dev/null

Как и положено любой команде с перенаправлением вывода, данная команда отправляет нечто из стандартного вывода в файл. Однако файл /dev/null является устройством, и ядро решает, что делать с данными, записываемыми в это устройство. В случае с /dev/null ядро просто игнорирует ввод и не использует данные.

Чтобы идентифицировать устройство и просмотреть его права доступа, применяйте команду ls -l:

Пример 3.1. Файлы устройств

$ ls -l

brw-rw—— 1 root disk 8, 1 Sep 6 08:37 sda1

crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Sep 6 08:37 null

prw-r—r— 1 root root 0 Mar 3 19:17 fdata

srw-rw-rw- 1 root root 0 Dec 18 07:43 log

Обратите внимание на первый символ в каждой строке (первый символ режима файла) в примере 3.1. Если это символ b, c, p или s, такой файл является устрой­ством. Эти буквы обозначают соответственно блочное устройство, символьное устройство, канал и сокет, что подробно объяснено ниже.

• Блочное устройство. Программы получают доступ к данным на блочном устройстве в виде фиксированных порций. В приведенном примере sda1 является дисковым устройством — одним из типов блочных устройств. Диски можно легко разделить на блоки данных. Поскольку общий объем блочного устройства фиксирован и легко поддается индексации, процессы с помощью ядра получают случайный доступ к любому блоку устройства.

• Символьное устройство. Символьные устройства работают с потоками данных. Вы можете лишь считывать символы с таких устройств или записывать символы на них, как было показано в примере с /dev/null. Символьные устройства не обладают размером. Когда

выполняется чтение или запись, ядро обычно осуществляет операцию чтения или записи на устройство. Принтеры, напрямую подключенные к компьютеру, представлены символьными устройствами. Важно отметить следующее: при взаимодействии с символьным устройством ядро не может выполнить откат данных и повторную их проверку после того, как данные переданы устройству или процессу.

• Канал. Именованные каналы подобны символьным устройствам, но у них на другом конце потока ввода-вывода располагается другой процесс, а не драйвер ядра.

• Сокет. Сокеты являются специализированными интерфейсами, которые часто используются для взаимодействия между процессами. Часто они располагаются вне каталога /dev. Файлы сокетов представляют сокеты домена Unix (о них вы узнаете из главы 10).

Числа перед датами в первых двух строках примера 3.1 являются старшим и младшим номерами устройств, помогая ядру при идентификации устройств. Сходные устройства, как правило, снабжены одинаковым старшим номером, например sda3 и sdb1 (оба являются разделами жесткого диска).

примечание

Не все устройства обладают файлами устройств, поскольку интерфейсы ввода-вывода для блочных и символьных устройств подходят не для всех случаев. Например, у сетевых интерфейсов нет файлов устройств. Теоретически возможно взаимодействие с сетевым интерфейсом с помощью одного символьного устройства, но, поскольку это оказалось бы исключительно сложным, ядро использует другие интерфейсы ввода-вывода.

3.2. Путь устройств sysfs

Традиционный каталог /dev в системе Unix является удобным способом, с помощью которого пользовательские процессы могут обращаться к устройствам, поддерживаемым ядром, а также предоставлять интерфейс для них. Однако такая схема также и слишком упрощена. Название устройства в каталоге /dev даст вам некоторую информацию об устройстве, но далеко не всю. Кроме того, ядро назначает устройства в порядке их обнаружения, поэтому они могут получать различные имена после перезагрузки.

Чтобы обеспечить унифицированный обзор присоединенных устройств, взяв за основу их действительные аппаратные характеристики, ядро системы Linux предлагает интерфейс sysfs для обозначения файлов и каталогов. Основным путем для устройств является /sys/devices. Например, жесткий диск SATA в файле /dev/sda мог бы получить следующий путь в интерфейсе sysfs:

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda

Как видите, такой путь достаточно длинный по сравнению с именем файла /dev/sda, который является также каталогом. Однако в действительности нельзя сравнивать эти пути, поскольку у них разное назначение. Файл /dev расположен здесь для того, чтобы пользовательский процесс мог применять устройство, в то время как путь /sys/devices использован для просмотра информации об устрой­стве и для управления им. Если вы составите список содержимого пути устройств, подобного приведенному выше, вы увидите что-либо подобное.

alignment_offset

discard_alignment

holders

removable

size

uevent

bdi

events

inflight

ro

slaves

capability

events_async

power

sda1

stat

dev

events_poll_msecs

queue

sda2

subsystem

device

ext_range

range

sda5

trace

Названия файлов и подкаталогов предназначены в первую очередь для чтения программами, а не людьми, однако вы сможете понять, что они содержат и представляют, посмотрев какой-либо пример, скажем файл /dev. После запуска в этом каталоге команды cat dev отобразятся числа 8:0, которые являются старшим и младшим номерами устройств в файле /dev/sda.