Операционная система UNIX - Робачевский Андрей Михайлович

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 <i>xx</i>intr() драйвера независимо от функции <i>xx</i>write(). Функция обработки прерывания записывает данные в буфер, которые затем считываются функцией <i>xx</i>write().

Если устройство не поддерживает прерываний, их поступление можно сэмулировать с помощью функции <i>xx</i>poll() драйвера устройства, которая вызывается ядром через определенные промежутки времени (обычно каждый сигнал таймера). Обычно функция <i>xx</i>poll(), в свою очередь, вызывает функцию <i>xx</i>intr(), 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]

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).

Существует два режима терминального ввода/вывода:

1. Канонический режим. В этом режиме ввод с терминала обрабатывается в виде законченных строк.

2. Неканонический режим, при котором ввод не интерпретируется.

В каноническом режиме интерпретаторы строк преобразуют неструктурированные последовательности данных, введенные с клавиатуры, в каноническую форму (то есть в форму, соответствующую тому, что пользователь имел в виду на самом деле) прежде, чем послать эти данные принимающему процессу. Например, программисты работают на клавиатуре терминала довольно быстро, но иногда допускают ошибки. На этот случай имеется клавиша стирания, и пользователь имеет возможность удалять часть введенной строки и вводить коррективы. Драйвер терминала получает всю введенную последовательность, включая и символы стирания. В каноническом режиме модуль дисциплины линии буферизует информацию в строку (набор символов, заканчивающийся символом возврата каретки) и стирает символы в буфере, прежде чем переслать исправленную последовательность считывающему процессу. В таком режиме, например, работает командный интерпретатор shell.

В режиме без обработки строковый интерфейс передает данные между процессами и терминалом без каких-либо преобразований. Например, текстовый редактор работает с драйвером в неканоническом режиме, благодаря чему любой символ, введенный пользователем интерпретируется самим процессом.

В функции модуля дисциплины линии входят:

1. Построчный разбор введенных последовательностей.