Драйверы устройств. Часть 1: Драйверы устройств Linux для вашей знакомой

Цель этой серии статей о драйверах Linux - рассказать об обычной технической теме так, чтобы она была интересна более широкому кругу читателей.

"После недели напряженной работы, мы, наконец, добились, что теперь наш driver (драйвер / водитель) работает" - были первые слова Пагса, когда он встретил свою знакомую Светлану.

"Почему? Какой твой driver (драйвер / водитель)? Что, он был болен? И что за тяжелую работу ты сделал?", - спросила Светлана. Растерявшись, Пагс, в свою очередь, спросил: "О чем ты говоришь?"

Теперь настала очередь Светланы быть озадаченной и она ответила: "Почему ты меня спрашиваешь? Ты сказал мне - о каком из твоих driver (драйверов / водителей) ты говоришь? "

Когда Пагс понял, о чем идет речь, он застонал: "Ах, да! Это не driver (драйвер / водитель) моей машины - я говорю о driver (драйвере / водителе) устройства на моем компьютере ".

"Я знаю о driver (драйверах / водителах) машин и автобусов, о летчиках и даже об отвертках; но что это за "driver (драйвер / водитель) устройства" - озадаченно спросила Светлана.

Этого было достаточно, чтобы Пагс погрузился в страстное объяснение драйверов устройств для новичка - в частности, драйверов устройств для Linux, с которыми он работал на протяжении многих лет.

Прим.переводчика:

Этот диалог мог в англоязычной среде вызвать непонимание между собеседниками. Дело в том, что в обыденной речи в англоязычной среде слово driver означает - водитель, например, водитель машины, тогда как если слово driver употребляется при обсуждении оборудования и программного обеспечения компьютеров, то оно почти наверняка означает - драйвер, т. е. специальный модуль, с помощью которого происходит управление некоторым устройством, для которого написан конкретный драйвер. Т.е., в некотором смысле это тоже "водитель" устройства, с помощью которого происходит управление, но в русскоязычной среде для этого используется прямая калька с английского driver - драйвер.

Аналогичное смешение понятий может вызвать английское слово bus, которое в обыденной речи переводится как "автобус", например, school-bus - школьный автобус или автобус для школьников. Но при обсуждении компьютерного оборудования термином bus называют шину, которая обычно представляет собой некоторое количество соединительных линий, к которым подключаются отдельные устройства.

О драйверах / водителях (drivers) и шинах / автобусах (buses)

Драйвер управляет, контролирует, ведет, следит за работой объекта, который подчиняется командам драйвера. Драйвер шины управляет работой шины, драйвер устройства управляет работой устройства (частью оборудования, подключенного к компьютеру), например, мышью, клавиатурой, монитором, жестким диском, веб-камерой, часами и многим другим.

Кроме того, "водителем" может быть человек или даже автоматическая система, управление которой возложено на человека (например, система автопилота в самолете). Аналогичным образом управление определенной частью аппаратных средств может осуществляться некоторой частью программного обеспечения (драйвером устройства), или может осуществляться другим устройством, управление которым, в свою очередь, может выполняться программой - драйвером устройства. В последнем случае, такое управляющее устройство обычно называется контроллером устройств. Для него, поскольку оно само является устройством, необходим драйвер, который обычно называют bus driver или драйвер шины ( термин bus driver, если он используется в контексте обычного разговора, можно перевести и как "водитель автобуса" - прим.пер. ).

К числу обычных примеров контроллеров устройств относятся контроллеры жестких дисков, контроллеры дисплеев и контроллеры аудиоустройств, с помощью которых осуществляется управление устройствами, подключаемыми к контроллерам. В качестве более подробных технических примеров можно рассмотреть контроллер IDE, контроллер PCI, USB-контроллер, контроллер SPI, контроллер I2C и т.д. Графически, вся эта концепция может быть изображена так, как показано на рис.1.

Рис.1: Взаимодействие устройств и драйверов

Контроллеры устройств, как правило, подключаются к процессору через шины, имеюшие определенное название (набор физичсеких линий подключения) - например, шина PCI, шина IDE, и т.д. В современном мире встроенных технологий мы чаще сталкиваемся с микроконтроллерами, а не процессорами; это те же самые процессоры и плюс контроллеры различных устройств, реализованные на одном чипе. Такая встроенная реализация контроллеров устройств в первую очередь снижает стоимость и уменьшает занимаемое пространство, что делает микроконтроллер удобным для использования во встраиваемых системах. В таких случаях шины интегрированы в сам чип. Меняет ли это что-либо для драйверов или, в более общем случае, в используемом программном обеспечении?

Ответ на этот вопрос не так уж сложен - разве что драйверы шин для контроллеров соответствующих встроенных устройств будут теперь разрабатываться под зонтиком конкретной архитектуры.

Драйверы состоят из двух частей

В драйверах шин предоставляются специальные аппаратные интерфейсы для соответствующих аппаратных протоколов оборудования и эти драйверы являются самыми нижними горизонтальными программно реализуемыми слоями операционной системы (ОС). Над ними расположены драйверы конкретных устройств. Они работают с лежащими ниже устройствами через горизонтальный слой интерефейсов и разрабатываются для каждого конкретного устройства. Тем не менее, сама идея написания таких драйверов позволяет предоставить пользователю абстрагированный доступ и, тем самым, реализовать на другом "конце" интерфейс (который будет варьироваться в зависимости от ОС). Короче говоря, драйвер устройства состоит из двух частей, одна из которых а) является специфической для конкретного устройства, а другая б) является специфической для ОС. Смотрите рис.2.

Рис.2: Отдельные части драйвера Linux

Часть драйвера устройства, характерная для конкретного устройства, будет одной и той же во всех операционных системах и в большей мере она связана с анализом и пониманием спецификаций устройства, а не с программированием. Спецификации устройства представляют собой документ, в котором описываются технические особенности устройства, в том числе его функционирование, пропускную способность, программирование и т.д. - в общем, это - руководство пользователя устройства.

Позже я также приведу несколько примеров расшифровки спецификации. Тем не менее, та часть драйвера, которая зависит от ОС, тесно взаимодействует с механизмами ОС, реализующими пользовательский интерфейс, и, поэтому, она будет отличаться в драйверах устройств для Linux, в драйверах устройств для Windows и в драйверах устройств для MacOS.

Вертикали

В Linux драйвер устройства предоставляет пользователю интерфейс "системного вызова"; в Linux это граница между так называемым пространством ядра и пользовательским пространством, что и показано на рис.2. На рис.3 представлена более подробная классификации.

Рис.3: Общая схема ядра Linux Если рассматривать интерфейс драйвера с учетом специфики использования драйверов в ОС, то в системе Linux драйверы можно по вертикали грубо разделить на три группы:

• Пакетно-ориентированная или сетевая вертикаль
• Блочно-ориентированная вертикаль или вертикаль хранения данных
• Байт-ориентированная вертикаль или вертикаль работы с символами

Вертикаль процессора и вертикаль памяти, рассматриваемые вместе с этим тремя вертикалями, дают полное представление о ядре Linux, соответствующее определению ОС, которое есть в любом учебнике: "В операционной системе реализуется 5 основных функций управления: управление процессором / процессом, памятью, сетью, средствами хранения данных, устройствами ввода / вывода". Хотя эти вертикали процессора и памяти можно классифицировать как драйверы устройств, где процессор и память будут соответствующими устройствами, их, по ряду причин, трактуют по-другому.

Таковы основные функциональные возможности любой ОС, будь то микроядро или монолитное ядро. Чаще всего добавление кода именно в эти области представляет собой основную часть работы по портированию Linux, что обычно делается для нового процессора и архитектуры. Более того, код в этих двух вертикалях нельзя, в отличие от трех других вертикалей, загружать или выгружать "на лету". Так что когда мы теперь будем говорить о драйверах устройств в Linux, мы будем говорить только о тех трех вертикалях, которые расположены на рис.3 справа.

Давайте заглянем немного глубже внутрь этих трех вертикалей. Сетевая вертикаль состоит из двух частей: а) стек сетевых протоколов и б) драйверы устройств карт сетевых интерфейсов (NIC) или просто драйверы сетевых устройств, которые могут предназначаться для Ethernet, Wi-Fi или любой другой сетевой горизонтали. Вертикаль хранения данных, опять же, состоит из двух частей: а) драйверов файловых систем, предназначенных для декодирования разнообразных форматов данных в различных разделах файловых систем, и б) драйверов блочных устройств для различных (аппаратных) протоколов хранения данных, т.е. горизонталей, таких как IDE, SCSI, MTD и т.д.

При этом, вы можете задать вопрос, действительно ли это только набор устройств, для которых нужны драйвера (или, для которых в Linux драйвера уже есть). Имейте терпение, вам, конечно, нужны драйверы для всей этой массы устройств, которые взаимодействуют с системой, и в Linux действительно есть для них драйверы. Однако из-за их байт-ориентированного доступа все они попадают в вертикаль работы с символами - их, на самом деле, огромное количество. В действительности из-за огромного количества драйверов в этой вертикали, для драйверов, предназначенных для работы с символьными устройствами, используется дополнительная подклассификация - так что у вас есть драйверы терминалов, драйверы ввода/вывода, драйверы консоли, драйверы фрейм-буфера, звуковые драйверы и т.д. Типичными горизонталями здесь будут RS232, PS/2, VGA, I2C, I2S, SPI и т.д.

Драйверы со множественными вертикалями

Последнее замечание относительно полной картины (размещения всех драйверов в экосистеме драйверов Linux): такие горизонтали, как USB, PCI и т.д., расширяются ниже на несколько вертикалей. Почему это происходит?

Очень просто - вы уже знаете, что у вас может быть флешка-ключ USB Wi-Fi, флешка USB и преобразователь USB-последовательный порт, но все эти три устройства USB попадают в три различные вертикали!

В Linux драйвера шин или горизонтали часто подразделяются на две части, или даже на два драйвера: а) контроллер конкретного устройства и б) абстрактный слой, находящийся над ним и используемый в качестве интерфейсам к вертикалям, обычно называемыми ядрами. Классическим примером могут быть драйвера USB-контроллера ohci, ehci и т.д. и USB-абстракция - usbcore.

Подведем итог

Итак, в заключение, драйвер устройства представляет собой часть программного обеспечения, с помощью которого осуществляется управление устройством (хотя есть очень много других классификаций). В случае, если с его помощью осуществляется управление только другой частью программного обеспечения, мы называем его просто драйвером. Примерами являются драйверы файловой системы, драйвер usbcore и т.д. Таким образом, все драйверы устройств являются драйверами, но не все драйверы являются драйверами устройств.

"Эй, Пагс, остановись; мы опаздываем на занятия, и ты знаешь, какие из-за этого могут возникнуть проблемы. Давай позже продолжим с этого места" - воскликнула Светлана.

Вскочив, Пагс закончил свое объяснение: "Хорошо. Это основа теории о драйверах устройств. Если тебе интересно, я позже могу показать тебе код, и все, что мы делали для различных драйверов". И они поспешили к своей аудитории.

Ссылки по теме

• Каталог программ Microsoft: Операционные системы
• Каталог программ IBM Lotus Software
• Каталог программ IBM Rational Software