Операционная система UNIX - Андрей Робачевский

Блочные устройства можно разделить на два типа в зависимости от того, используются ли они для хранения файловой системы или нет. Соответственно различается и схема доступа к этим устройствам. В последнем случае доступ к устройству осуществляется только через специальный файл устройства, представляющий интерфейс низкого уровня. Хотя обращение к устройствам, содержащим файловые системы, может также осуществляться через интерфейс низкого уровня, доступ к таким устройствам, как правило, осуществляется процессом косвенно, через запросы к файловой системе. Например, чтение или запись обычного файла вызывает операции с драйвером блочного устройства (жесткого диска), на котором расположена файловая система, хранящая данный файл. В этом случае обмен данными происходит при активном участии буферного кэша, позволяющего минимизировать число обращений непосредственно к физическому устройству.

Вообще говоря, операции ввода/вывода для блочного устройства могут быть вызваны рядом событий:

□ Чтением или записью в обычный файл.

□ Чтением или записью непосредственно в специальный файл устройства.

□ Операциями подсистемы управления памятью: страничным замещением или свопингом.

Доступ к блочным устройствам осуществляется с помощью трех основных точек входа: xxopen(), xxclose() и xxstrategy(). При этом за фактическое выполнение ввода/вывода отвечает xxstrategy(). Единственным аргументом, передаваемым этой функции, является указатель на структуру buf, представляющую собой заголовок буфера обмена, с которой мы уже встречались в предыдущей главе при разговоре о буферном кэше. Структура buf содержит всю необходимую для операций ввода/вывода информацию. Основные поля структуры buf:

b_flags Флаги. Определяют состояние буфера (например, B_BUSY или B_DONE) и направление передачи данных (B_READ, B_WRITE, B_PHYS) av_back, av_forw Указатели двухсвязного рабочего списка буферов, ожидающих обработки драйвером b_bufsize Размер буфера b_un.b_addr Виртуальный адрес буфера b_blkno Номер блока начала данных на устройстве b_bcount Число байтов, которые требуется передать b_dev Старший и младший номера устройства

Использование заголовка buf при передачи блока данных показано на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Обмен данными с блочным устройством (диском)

Ядро адресует дисковый блок, указывая vnode и смещение. Если доступ осуществляется к специальному файлу устройства, то смещение является физическим, отсчитываемым от начала устройства. Например, если специальный файл устройства /dev/dsk/c0t0d0s1 обеспечивает доступ ко второму разделу жесткого диска, то смещение будет отсчитываться от начала этого раздела. Если vnode представляет обычный файл, то смещение является логическим, отсчитываемым от начала файла.

Таким образом, блок устройства, содержащего файловую систему, может быть адресован двумя способами — либо через обычный файл и логическое смещение, либо через специальный файл устройства и физическое смещение на этом устройстве. Это, в свою очередь, может привести к различной идентификации одного и того же блока и, как следствие, двум различным копиям блока в памяти. Результатом такого несоответствия может стать потеря или нарушение целостности данных. Поэтому непосредственный доступ к специальному файлу такого устройства возможен только при размонтированной файловой системе.

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].

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().