Реализация ввода-вывода в системе UNIX

Ввод-вывод в операционной системе UNIX реализуется набором драйверов уст­ройств, по одному для каждого типа устройств. Функция драйвера заключается в изолировании остальной части системы от индивидуальных отличительных осо­бенностей аппаратного обеспечения. При помощи стандартных интерфейсов меж­ду драйверами и остальной операционной системой большая часть системы вво­да-вывода может быть помещена в машинно-независимую часть ядра.

Когда пользователь получает доступ к специальному файлу, файловая система определяет номера старшего и младшего устройств, а также выясняет, является ли файл блочным специальным файлом или символьным специальным файлом. Но­мер старшего устройства используется в качестве индекса для одного из двух внут­ренних массивов структур – bdevsw для блочных специальных файлов или cdevsw для символьных специальных файлов. Найденная таким образом структура содер­жит указатели на процедуры открытия устройства, чтения из устройства, записи на устройство и т. д. Номер младшего устройства передается в виде параметра. Добавление нового типа устройства к системе UNIX означает добавление нового элемента к одной из этих таблиц, а также предоставление соответствующих про­цедур выполнения различных операций с устройством.

Каждый драйвер разделен на несколько частей. Верхняя часть драйвера работа­ет в режиме вызывающего процесса и служит интерфейсом с остальной системой UNIX. Нижняя часть работает в контексте ядра и взаимодействует с устройством. Драйверам разрешается обращаться к процедурам ядра для выделения памяти, управления таймером, управления DMA и т. д.

Система ввода-вывода разделена на два основных компонента: обработку блоч­ных специальных файлов и обработку символьных специальных файлов. Цель той части системы, которая занимается операциями ввода-вывода с блоч­ными специальными файлами (например, дисковым вводом-выводом), заключа­ется в минимизации количества операций переноса данных. Для достижения дан­ной цели в системах UNIX между дисковыми драйверами и файловой системой помещается буферный кэш. Буферный кэш представляет собой таб­лицу в ядре, в которой хранятся тысячи недавно использованных блоков. Когда файловой системе требуется блок диска (например, блок i-узла, каталога или дан­ных), сначала проверяется буферный кэш. Если нужный блок есть в кэше, он по­лучается оттуда, при этом обращения к диску удается избежать. Буферный кэш значительно улучшает производительность системы. Если же блока нет в буферном кэше, он считывается с диска в кэш, а оттуда копируется туда, куда нужно. Поскольку в буферном кэше есть место только для фиксированного количества блоков, требуется некий алгоритм управления кэшем. Обычно блоки в кэше организуются в связный список. При каждом обращении к блоку он перемещается в начало списка. Если в кэше не хватает места для нового блока, то из него удаляется самый старый блок, находящийся в конце списка. Буферный кэш поддерживает не только операцию чтения с диска, но также и запись на диск. Когда программа пишет блок, этот блок не попадает напрямую на диск, а отправляется в кэш. Только когда кэш наполняется, модифицированные блоки кэша сохраняются на диске. Чтобы модифицированные блоки не хранились в кэше слишком дол-го, их принудительная выгрузка на диск про­изводится каждые 30 с.

В течение десятилетий драйверы устройств системы UNIX статически компоно­вались вместе с ядром, так что все они постоянно находились в памяти при каждой загрузке системы. Такая схема хорошо работала в условиях мало меняющихся кон­фигураций вычислительных машин. Все изменилось с появлением системы Linux, ориентированной в первую очередь на поддержку персональных компьютеров. Количество всевозможных устройств ввода-вывода на персональных компьютерах значительно больше, чем у классических вычислительных машин. Кроме того, хотя у пользователей системы Linux есть возможность иметь полный набор исходных текстов операционной систе­мы, подавляющее большинство пользователей будет испытывать существенные трудности с добавлением нового драйвера, обновлением файлов cdevsw или bdevsw, компоновкой ядра и установкой его как загружаемой системы. В операционной системе Linux подобные проблемы были решены при помощи концепции подгружаемых модулей. Это куски кода, которые могут быть загру­жены в ядро во время работы операционной системы. Как правило, это драйверы символьных или блочных устройств, но подгружаемым модулем также могут быть целая файловая система, сетевые протоколы, программы для отслеживания про­изводительности системы и т. д.

При загрузке модуля должно выполняться несколько определенных действий. Во-первых, модуль должен быть «на лету» перенастроен на новые адреса. Во-вторых, система должна проверить, доступны ли ресурсы, необходимые драйверу (напри­мер, определенные уровни запроса прерывания), и если они доступны, то поме­тить их как используемые. В-третьих, должны быть настроены все необходимые векторы прерываний. В-четвертых, для поддержки нового типа старшего устрой­ства следует обновить таблицу переключения драйверов. Наконец, драйверу по­зволяется выполнить любую специфическую для данного устройства процедуру инициализации. Когда все эти этапы выполнены, драйвер является полностью ус­тановленным, как и драйвер, установленный статически. Некоторые современные системы UNIX также поддерживают подгружаемые модули.