На уровне архитектуры системы контроллер диска представлен несколькими регистрами, доступными через порты компьютера. В эти порты перед выполнением операций заносятся такие данные, как номер диска, количество секторов, участвующих в операции и физический адрес начального сектора, записываемые данные. Один из портов служит для посылки команды на выполнение операции (чтение, запись, запись с проверкой, поиск цилиндра, форматирование дорожки и др.). Когда операция завершена, контроллер посылает сигнал прерывания.
Прикладные программы могут работать с дисками либо средствами BIOS (программное прерывание int 13h), либо средствами DOS (программные прерывания int 25h – чтение и int 26h – запись). При этом BIOS работает только с физическими дисками, используя физическую нумерацию секторов, в то время как MS-DOS работает только с логическими томами, а секторы при этом нумеруются числами от 0 (что соответствует BOOT-сектору) до максимального номера сектора на томе. На практике то и другое используется достаточно редко. Большинство прикладных программ не работают с дисками как с устройствами, вместо этого работа ведется на уровне файлового ввода/вывода, а отображение файлов на секторы диска является обязанностью ОС.
Для повышения эффективности работы с дисками в MS-DOS используются кэширование дисков и опережающее чтение, описанные в пп. 2.6.6 и 2.6.7. Дисковый кэш в MS-DOS устроен проще, чем в UNIX. Во-первых, в однозадачной системе нет необходимости в списке свободных блоков (когда процесс обращается к диску, нет других процессов, которые могли бы в это время работать с буферами). Во-вторых, размер кэша редко превышает 30 – 40 буферов, поэтому не нужны и хеш-цепочки, все буфера объединены в едином LRU-списке.
Почему в MS-DOS не нужен такой большой кэш, как в UNIX?
Поскольку Windows – многозадачная система, она исключает для прикладных программ такие вольности, как прямое обращение к портам ввода/вывода или обработка аппаратных прерываний. Взаимодействие с аппаратурой на низком уровне может выполняться только системными программами, работающими в привилегированном режиме. Основную роль здесь играют драйверы устройств.
В Windows используется многоуровневая структура драйверов, в которой высокоуровневые драйверы могут играть роль фильтров, выполняющих специальную обработку данных, полученных от драйвера низкого уровня или передаваемых такому драйверу. В качестве примера можно привести отделение драйвера, управляющего шиной, от драйверов конкретных устройств, подключенных к шине. Еще один пример – драйвер, выполняющий шифрацию/дешифрацию данных при работе с файловой системой NTFS. Структура драйверов всех уровней подчинена единым стандартам, известным как WDM (WindowsDiverModel), однако высокоуровневые драйверы, в отличие от низкоуровневых, не занимаются обработкой аппаратных прерываний.
Как ни странно, в WindowsNT низкоуровневые драйверы – это еще не самый нижний уровень управления устройствами. Еще ближе к аппаратуре лежит так называемый уровень HAL (HardwareAbstractionsLevel, уровень аппаратных абстракций). Его роль – скрыть от остальных модулей ОС, в том числе и от драйверов, некоторые детали работы с аппаратурой, зависящие от конкретных шин, типа материнской платы, способа подключения. Например, HAL предоставляет драйверам возможность обращаться к регистрам устройств по их логическим номерам, не зная при этом, подключен ли регистр к порту процессора или отображен на память.
Несмотря на стандартизацию структуры, можно выделить несколько специальных типов драйверов, отличающихся функциональным назначением.
· Драйверы GDI (GraphicDeviceInterface) представляют собой высокоуровневые драйверы графических устройств (мониторов, принтеров, плоттеров). Эти драйверы выполняют трансляцию графических вызовов Windows (таких, как «провести линию», «залить область», «выдать текст», «выбрать текущий шрифт, текущее перо, текущую заливку») в команды, выполняющие соответствующие действия на конкретном устройстве. Выдача этих команд на устройство выполняется уже другим, низкоуровневым драйвером. Благодаря наличию драйверов GDI одна и та же программа может выдавать графическое изображение на разные устройства. Яркий пример этого – имеющийся в различных редакторах режим предварительного просмотра, который отображает страницы на экране точно в том виде, как они будут напечатаны.
· Драйверы клавиатуры и мыши, помимо стандартных для драйвера операций, выполняют дополнительную нагрузку. Они генерируют сообщения о событиях на соответствующем устройстве (нажатие и отпускание клавиши, перемещение мыши, нажатие и отпускание кнопок мыши) и помещают их в системную очередь сообщений. Затем система переправляет каждое сообщение процессу, которому оно было предназначено, для дальнейшей обработки.
· Драйверы виртуализации устройств (VxD-драйверы) служат для того, чтобы разделять устройства между процессами, создавая иллюзию, что процесс монопольно владеет устройством. На самом деле драйвер организует очередь заявок от процессов, переключает устройство в нужный для очередного процесса режим и т.п. Примером может служить драйвер виртуализации монитора. Консольное приложение (например, программа MS-DOS) работает со всем экраном в текстовом режиме. Но если такое приложение запущено в окне Windows, то VxD-драйвер имитирует текстовый режим в графике. Для этого драйвер должен перехватывать попытки программы обратиться напрямую к адресам видеопамяти и преобразовывать координаты знакомест текстового режима в координаты соответствующих позиций в окне.
В большинстве случаев программы не работают непосредственно с устройствами. Вместо этого для выполнения требуемых операций используются API-функции более высокого уровня, а обращения к устройствам выполняются системой по мере надобности. Например, файловые функции обращаются в конечном счете к дисковым устройствам, а функции GDI работают с монитором или с принтером, в зависимости от указанного контекста устройства.
В ряде случаев программист все же может предпочесть непосредственную работу с устройством. Чтобы получить доступ к устройству, программа должна открыть это устройство вызовом той же API-функции CreateFile, которая используется и для открытия файлов. В данном случае вместо имени файла следует указать имя драйвера открываемого устройства. Для дисковых устройств можно вместо имени драйвера указать имя самого устройства. Например, имя «\.\C:» означает логический диск C, а имя «\.\PHYSICALDRIVE0» – первый физический диск компьютера.
Открыв устройство, программа может либо читать или записывать данные, используя функции файлового ввода/вывода, либо выдавать команды управления устройством с помощью функции DeviceIoControl. С помощью этих команд можно, например, отформатировать диск и разбить его на разделы, загрузить или извлечь CD-ROM диск, изменить некоторые параметры работы модема и т.п..
2.10.1. Драйверы устройств в UNIX
Драйверы в ОС UNIX довольно точно соответствуют стандартной схеме драйвера, приведенной в п. 2.7. Тем не менее, ввиду существенных различий в работе с символьными и с блочными устройствами, в UNIX различаются два основных типа драйверов: символьные и блочные.
Для символьных устройств используются только символьные драйверы. Для каждого блочного устройства обычно имеется два разных драйвера: блочный и символьный. Блочный драйвер позволяет выполнять операции только с целым числом блоков, как и положено работать с блочными устройствами. Символьный драйвер блочного устройства является более высокоуровневой программой, которая имитирует выполнение операций чтения и записи произвольного количества байт, на самом деле используя обращения к блочному драйверу.
Помимо драйверов реальных физических устройств, система может включать драйверы «псевдоустройств». Примером может служить драйвер, обеспечивающий обращение программ к содержимому системной памяти.
При загрузке системы формируются две таблицы, для символьных и для блочных драйверов. Строки таблицы соответствуют конкретным драйверам, а столбцы – функциям, которые должен уметь выполнять драйвер, так что в ячейках таблицы содержатся адреса, по которым вызываются функции драйвера. Набор функций для символьных и для блочных драйверов слегка разнится, поэтому используются две разных таблицы.
К наиболее важным функциям драйвера относятся следующие.
· Открытие устройства. Как минимум, при этом увеличивается счетчик текущих обращений к устройству, что позволяет ставить обращения в очередь, если устройство занято. Некоторые устройства при открытии могут выполнять еще какие-то начальные действия.
· Закрытие устройства – операция, противоположная открытию.
· Обработка прерывания – выполняет ввод или вывод очередной порции данных, когда устройство переходит в состояние готовности.
· Опрос устройства – эта функция выполняется для тех устройств, которые не генерируют прерываний, или если при разработке драйвера почему-либо решено не использовать прерывания от устройств. Опрос выполняется не постоянно, а с некоторым периодом, по прерыванию от таймера.