Страница:
4. Если стек ядра находится внутри адресного пространства процесса, почему процесс не может выгружать себя сам? Какой на Ваш взгляд должна быть системная программа выгрузки процессов, как она должна запускаться?
5. *Предположим, что ядро пытается выгрузить процесс, чтобы освободить место в памяти для других процессов, загружаемых с устройства выгрузки. Если ни на одном из устройств выгрузки для данного процесса нет места, процесс подкачки приостанавливает свою работу до тех пор, пока место не появится. Возможна ли ситуация, при которой все процессы, находящиеся в памяти, приостановлены, а все готовые к выполнению процессы находятся на устройстве выгрузки? Что нужно предпринять ядру для того, чтобы исправить это положение?
6. Рассмотрите еще раз пример, приведенный на Рисунке 9.10, при условии, что в памяти есть место только для 1 процесса.
7. Обратимся к примеру, приведенному на Рисунке 9.11. Составьте подобный пример, в котором процессу постоянно требуется для работы центральный процессор. Существует ли какой-нибудь способ снятия подобной напряженности?
main() {
f();
g();
}
f() {
vfork();
}
g() {
int blast[100], i;
for (i = 0; i ‹ 100; i++)
blast[i] = i;
}
Рисунок 9.29
8. Что произойдет в результате выполнения программы, приведенной на Рисунке 9.29, в системе BSD 4.2? Каким будет стек процесса-родителя?
9. Почему после выполнения функции fork процесса-потомка предпочтительнее запускать впереди процесса-родителя, если на разделяемых страницах биты копирования при записи установлены? Каким образом ядро может заставить потомка запуститься первым?
10. *Алгоритм обработки отказа из-за недоступности данных, изложенный в тексте, загружает страницы поодиночке. Его эффективность можно повысить, если подготовить к загрузке помимо страницы, вызвавшей отказ, и все соседние с ней страницы. Переработайте исходный алгоритм с учетом указанной операции.
11. В алгоритмах работы "сборщика" страниц и программы обработки отказов из-за недоступности данных предполагается, что размер страницы равен размеру дискового блока. Что нужно изменить в этих алгоритмах для того, чтобы они работали и в тех случаях, когда указанное равенство не соблюдается?
12. *Когда процесс вызывает функцию fork (ветвится), значение счетчика ссылок на каждую разделяемую страницу (в таблице pfdata) увеличивается. Предположим, что "сборщик" страниц выгружает разделяемую страницу на устройство выгрузки, и один из процессов (скажем, родитель) впоследствии получает отказ при обращении к ней. Содержимое виртуальной страницы теперь располагается на физической странице. Объясните, почему процесс-потомок всегда имеет возможность получить верную копию страницы, даже после того, как процесс-родитель что-то запишет на нее. Почему, когда процесс-родитель ведет запись на страницу, он должен немедленно порвать связь с ее дисковой копией?
13. Что следует предпринять программе обработки отказов в том случае, если в системе исчерпаны страницы памяти?
14. *Составьте алгоритм выгрузки редко используемых компонент ядра. Какие из компонент нельзя выгружать и как их в таком случае следует обозначить?
15. Придумайте алгоритм, отслеживающий выделение пространства на устройстве выгрузки, используя вместо карт памяти, описанных в настоящей главе, битовый массив. Сравните эффективность обоих методов.
16. Предположим, что в машине нет аппаратно-устанавливаемого бита доступности, но есть код защиты, устанавливающий права доступа на чтение, запись и "исполнение" содержимого страницы. Смоделируйте работу с помощью программно-устанавливаемого бита доступности.
17. В машине VAX-11 перед проверкой наличия отказов из-за недоступности данных выполняется аппаратная проверка наличия отказов системы защиты. Как это отражается на алгоритмах обработки отказов?
18. Системная функция plock дает суперпользователю возможность устанавливать и снимать блокировку (в памяти) на областях команд и данных вызывающего процесса. Процесс подкачки и "сборщик" страниц не могут выгружать заблокированные страницы из памяти. Процессам, использующим эту системную функцию, не приходится дожидаться загрузки страниц, поэтому им гарантирован более быстрый ответ по сравнению с другими процессами. Следует ли иметь также возможность блокировки в памяти и области стека? Что произойдет в том случае, если суммарный объем заблокированных областей превысит размер доступной памяти в машине?
19. Что делает программа, приведенная на Рисунке 9.30? Подумайте над альтернативной стратегией замещения страниц, в соответствии с которой в рабочее множество каждого процесса включается максимально-возможное число страниц.
struct fourmeg {
int page[512]; /* пусть int занимает 4 байта */
} fourmeg[2048];
main() {
for (;;) {
switch(fork()) {
case -1: /* процесс-родитель не может выполнить fork — слишком много потомков */
case 0: /* потомок */
func();
default:
continue;
}
}
}
func() {
int i;
for (;;) {
printf("процесс %d повторяет цикл\n", getpid());
for (i = 0; i ‹ 2048; i++) fourmeg[i].page[0] = i;
}
}
Рис. 9.30
ГЛАВА 10. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ
10.1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДРАЙВЕРОВ С ПРОГРАММНОЙ И АППАРАТНОЙ СРЕДОЙ
10.1.1 Конфигурация системы
10.1.2 Системные функции и взаимодействие с драйверами
10.1.2.1 Open
10.1.2.2 Closе
5. *Предположим, что ядро пытается выгрузить процесс, чтобы освободить место в памяти для других процессов, загружаемых с устройства выгрузки. Если ни на одном из устройств выгрузки для данного процесса нет места, процесс подкачки приостанавливает свою работу до тех пор, пока место не появится. Возможна ли ситуация, при которой все процессы, находящиеся в памяти, приостановлены, а все готовые к выполнению процессы находятся на устройстве выгрузки? Что нужно предпринять ядру для того, чтобы исправить это положение?
6. Рассмотрите еще раз пример, приведенный на Рисунке 9.10, при условии, что в памяти есть место только для 1 процесса.
7. Обратимся к примеру, приведенному на Рисунке 9.11. Составьте подобный пример, в котором процессу постоянно требуется для работы центральный процессор. Существует ли какой-нибудь способ снятия подобной напряженности?
main() {
f();
g();
}
f() {
vfork();
}
g() {
int blast[100], i;
for (i = 0; i ‹ 100; i++)
blast[i] = i;
}
Рисунок 9.29
8. Что произойдет в результате выполнения программы, приведенной на Рисунке 9.29, в системе BSD 4.2? Каким будет стек процесса-родителя?
9. Почему после выполнения функции fork процесса-потомка предпочтительнее запускать впереди процесса-родителя, если на разделяемых страницах биты копирования при записи установлены? Каким образом ядро может заставить потомка запуститься первым?
10. *Алгоритм обработки отказа из-за недоступности данных, изложенный в тексте, загружает страницы поодиночке. Его эффективность можно повысить, если подготовить к загрузке помимо страницы, вызвавшей отказ, и все соседние с ней страницы. Переработайте исходный алгоритм с учетом указанной операции.
11. В алгоритмах работы "сборщика" страниц и программы обработки отказов из-за недоступности данных предполагается, что размер страницы равен размеру дискового блока. Что нужно изменить в этих алгоритмах для того, чтобы они работали и в тех случаях, когда указанное равенство не соблюдается?
12. *Когда процесс вызывает функцию fork (ветвится), значение счетчика ссылок на каждую разделяемую страницу (в таблице pfdata) увеличивается. Предположим, что "сборщик" страниц выгружает разделяемую страницу на устройство выгрузки, и один из процессов (скажем, родитель) впоследствии получает отказ при обращении к ней. Содержимое виртуальной страницы теперь располагается на физической странице. Объясните, почему процесс-потомок всегда имеет возможность получить верную копию страницы, даже после того, как процесс-родитель что-то запишет на нее. Почему, когда процесс-родитель ведет запись на страницу, он должен немедленно порвать связь с ее дисковой копией?
13. Что следует предпринять программе обработки отказов в том случае, если в системе исчерпаны страницы памяти?
14. *Составьте алгоритм выгрузки редко используемых компонент ядра. Какие из компонент нельзя выгружать и как их в таком случае следует обозначить?
15. Придумайте алгоритм, отслеживающий выделение пространства на устройстве выгрузки, используя вместо карт памяти, описанных в настоящей главе, битовый массив. Сравните эффективность обоих методов.
16. Предположим, что в машине нет аппаратно-устанавливаемого бита доступности, но есть код защиты, устанавливающий права доступа на чтение, запись и "исполнение" содержимого страницы. Смоделируйте работу с помощью программно-устанавливаемого бита доступности.
17. В машине VAX-11 перед проверкой наличия отказов из-за недоступности данных выполняется аппаратная проверка наличия отказов системы защиты. Как это отражается на алгоритмах обработки отказов?
18. Системная функция plock дает суперпользователю возможность устанавливать и снимать блокировку (в памяти) на областях команд и данных вызывающего процесса. Процесс подкачки и "сборщик" страниц не могут выгружать заблокированные страницы из памяти. Процессам, использующим эту системную функцию, не приходится дожидаться загрузки страниц, поэтому им гарантирован более быстрый ответ по сравнению с другими процессами. Следует ли иметь также возможность блокировки в памяти и области стека? Что произойдет в том случае, если суммарный объем заблокированных областей превысит размер доступной памяти в машине?
19. Что делает программа, приведенная на Рисунке 9.30? Подумайте над альтернативной стратегией замещения страниц, в соответствии с которой в рабочее множество каждого процесса включается максимально-возможное число страниц.
struct fourmeg {
int page[512]; /* пусть int занимает 4 байта */
} fourmeg[2048];
main() {
for (;;) {
switch(fork()) {
case -1: /* процесс-родитель не может выполнить fork — слишком много потомков */
case 0: /* потомок */
func();
default:
continue;
}
}
}
func() {
int i;
for (;;) {
printf("процесс %d повторяет цикл\n", getpid());
for (i = 0; i ‹ 2048; i++) fourmeg[i].page[0] = i;
}
}
Рис. 9.30
ГЛАВА 10. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ
Подсистема управления вводом-выводом позволяет процессам поддерживать связь с периферийными устройствами, такими как накопители на магнитных дисках и лентах, терминалы, принтеры и сети, с одной стороны, и с модулями ядра, которые управляют устройствами и именуются драйверами устройств, с другой. Между драйверами устройств и типами устройств обычно существует однозначное соответствие: в системе может быть один дисковый драйвер для управления всеми дисководами, один терминальный драйвер для управления всеми терминалами и один ленточный драйвер для управления всеми ленточными накопителями. Если в системе имеются однотипные устройства, полученные от разных изготовителей — например, две марки ленточных накопителей, — в этом случае можно трактовать однотипные устройства как устройства двух различных типов и иметь для них два отдельных драйвера, поскольку таким устройствам для выполнения одних и тех же операций могут потребоваться разные последовательности команд. Один драйвер управляет множеством физических устройств данного типа. Например, один терминальный драйвер может управлять всеми терминалами, подключенными к системе. Драйвер различает устройства, которыми управляет: выходные данные, предназначенные для одного терминала, не должны быть посланы на другой.
Система поддерживает "программные устройства", с каждым из которых не связано ни одно конкретное физическое устройство. Например, как устройство трактуется физическая память, чтобы позволить процессу обращаться к ней извне, пусть даже память не является периферийным устройством. Команда ps обращается к информационным структурам ядра в физической памяти, чтобы сообщить статистику процессов. Еще один пример: драйверы могут вести трассировку записей в удобном для отладки виде, а драйвер трассировки дает возможность пользователям читать эти записи. Наконец, профиль ядра, рассмотренный в главе 8, выполнен как драйвер: процесс записывает адреса программ ядра, обнаруженных в таблице идентификаторов ядра, и читает результаты профилирования.
В этой главе рассматривается взаимодействие между процессами и подсистемой управления вводом-выводом, а также между машиной и драйверами устройств. Исследуется общая структура и функционирование драйверов и в качестве примеров общего взаимодействия рассматриваются дисковые и терминальные драйверы. Завершает главу описание нового метода реализации драйверов потоковых устройств.
Система поддерживает "программные устройства", с каждым из которых не связано ни одно конкретное физическое устройство. Например, как устройство трактуется физическая память, чтобы позволить процессу обращаться к ней извне, пусть даже память не является периферийным устройством. Команда ps обращается к информационным структурам ядра в физической памяти, чтобы сообщить статистику процессов. Еще один пример: драйверы могут вести трассировку записей в удобном для отладки виде, а драйвер трассировки дает возможность пользователям читать эти записи. Наконец, профиль ядра, рассмотренный в главе 8, выполнен как драйвер: процесс записывает адреса программ ядра, обнаруженных в таблице идентификаторов ядра, и читает результаты профилирования.
В этой главе рассматривается взаимодействие между процессами и подсистемой управления вводом-выводом, а также между машиной и драйверами устройств. Исследуется общая структура и функционирование драйверов и в качестве примеров общего взаимодействия рассматриваются дисковые и терминальные драйверы. Завершает главу описание нового метода реализации драйверов потоковых устройств.
10.1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДРАЙВЕРОВ С ПРОГРАММНОЙ И АППАРАТНОЙ СРЕДОЙ
В системе UNIX имеется два типа устройств — устройства ввода/вывода блоками и устройства неструктурированного или посимвольного ввода-вывода. Как уже говорилось в главе 2, устройства ввода-вывода блоками, такие как диски и ленты, для остальной части системы выглядят как запоминающие устройства с произвольной выборкой; к устройствам посимвольного ввода-вывода относятся все другие устройства, в том числе терминалы и сетевое оборудование. Устройства ввода-вывода блоками могут иметь интерфейс и с устройствами посимвольного ввода-вывода.
Пользователь взаимодействует с устройствами через посредничество файловой системы (см. Рисунок 2.1). Каждое устройство имеет имя, похожее на имя файла, и пользователь обращается к нему как к файлу. Специальный файл устройства имеет индекс и занимает место в иерархии каталогов файловой системы. Файл устройства отличается от других файлов типом файла, хранящимся в его индексе, либо "блочный", либо "символьный специальный", в зависимости от устройства, которое этот файл представляет. Если устройство имеет как блочный, так и символьный интерфейс, его представляют два файла: специальный файл устройства ввода-вывода блоками и специальный файл устройства посимвольного ввода-вывода. Системные функции для обычных файлов, такие как open, close, read и write, имеют то же значение и для устройств, в чем мы убедимся позже. Системная функция ioctl предоставляет процессам возможность управлять устройствами посимвольного ввода-вывода, но не применима в отношении к файлам обычного типа [29]. Тем не менее, драйверам устройств нет необходимости поддерживать полный набор системных функций. Например, вышеупомянутый драйвер трассировки дает процессам возможность читать записи, созданные другими драйверами, но не позволяет создавать их.
Пользователь взаимодействует с устройствами через посредничество файловой системы (см. Рисунок 2.1). Каждое устройство имеет имя, похожее на имя файла, и пользователь обращается к нему как к файлу. Специальный файл устройства имеет индекс и занимает место в иерархии каталогов файловой системы. Файл устройства отличается от других файлов типом файла, хранящимся в его индексе, либо "блочный", либо "символьный специальный", в зависимости от устройства, которое этот файл представляет. Если устройство имеет как блочный, так и символьный интерфейс, его представляют два файла: специальный файл устройства ввода-вывода блоками и специальный файл устройства посимвольного ввода-вывода. Системные функции для обычных файлов, такие как open, close, read и write, имеют то же значение и для устройств, в чем мы убедимся позже. Системная функция ioctl предоставляет процессам возможность управлять устройствами посимвольного ввода-вывода, но не применима в отношении к файлам обычного типа [29]. Тем не менее, драйверам устройств нет необходимости поддерживать полный набор системных функций. Например, вышеупомянутый драйвер трассировки дает процессам возможность читать записи, созданные другими драйверами, но не позволяет создавать их.
10.1.1 Конфигурация системы
Задание конфигурации системы это процедура указания администраторами значений параметров, с помощью которых производится настройка системы. Некоторые из параметров указывают размеры таблиц ядра, таких как таблица процессов, таблица индексов и таблица файлов, а также сколько буферов помещается в буферном пуле. С помощью других параметров указывается конфигурация устройств, то есть производятся конкретные указания ядру, какие устройства включаются в данную системную реализацию и их "адрес". Например, в конфигурации может быть указано, что терминальная плата вставлена в соответствующий разъем на аппаратной панели.
Существует три стадии, на которых может быть указана конфигурация устройств. Во-первых, администраторы могут кодировать информацию о конфигурации в файлах, которые транслируются и компонуются во время построения ядра. Информация о конфигурации обычно указывается в простом формате, и программа конфигурации преобразует ее в файл, готовый для трансляции. Во-вторых, администраторы могут указывать информацию о конфигурации после того, как система уже запущена; ядро динамически корректирует внутренние таблицы конфигурации. Наконец, самоидентифицирующиеся устройства дают ядру возможность узнать, какие из устройств включены. Ядро считывает аппаратные ключи для самонастройки. Подробности задания системной конфигурации выходят за пределы этой книги, однако во всех случаях результатом процедуры задания конфигурации является генерация или заполнение таблиц, составляющих основу программ ядра.
Интерфейс "ядро — драйвер" описывается в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками и в таблице ключей устройств посимвольного ввода-вывода (Рисунок 10.1). Каждый тип устройства имеет в таблице точки входа, которые при выполнении системных функций адресуют ядро к соответствующему драйверу. Функции open и close, вызываемые файлом устройства, "пропускаются" через таблицы ключей устройств в соответствии с типом файла. Функции mount и umount так же вызывают выполнение процедур открытия и закрытия устройств, но для устройств ввода-вывода блоками. Функции read и write, вызываемые устройствами ввода-вывода блоками и файлами в смонтированных файловых системах, запускают алгоритмы работы с буферным кешем, инициирующие реализацию стратегической процедуры работы с устройствами. Некоторые из драйверов запускают эту процедуру изнутри из процедур чтения и записи. Более подробно взаимодействие с каждым драйвером рассматривается в следующем разделе.
Интерфейс "аппаратура — драйвер" состоит из машинно-зависимых управляющих регистров или команд ввода-вывода для управления устройствами и векторами прерываний: когда происходит прерывание от устройства, система идентифицирует устройство, вызвавшее прерывание, и запускает программу обработки соответствующего прерывания. Очевидно, что "программные устройства", такие как драйвер системы построения профиля ядра (глава 8) не имеют аппаратного интерфейса, однако программы обработки других прерываний могут обращаться к "обработчику программного прерывания" непосредственно. Например, программа обработки прерывания по таймеру обращается к программе обработки прерывания системы построения профиля ядра.
Администраторы устанавливают специальные файлы устройств командой mknod, в которой указывается тип файла (блочный или символьный), старший и младший номера устройства. Команда mknod запускает выполнение системной функции с тем же именем, создающей файл устройства. Например, в командной строке
mknod /dev/tty13 c 2 13
"/dev/tty13" — имя файла устройства, "c" указывает, что тип файла — "символьный специальный" ("b", соответственно, блочный), "2" — старший номер устройства, "13" — младший номер устройства. Старший номер устройства показывает его тип, которому соответствует точка входа в таблице ключей устройств, младший номер устройства — это порядковый номер единицы устройства данного типа. Если процесс открывает специальный блочный файл с именем "/dev/dsk1" и кодом 0, ядро запускает программу gdopen в точке 0 таблицы ключей устройств блочного ввода-вывода (Рисунок 10.2); если процесс читает специальный символьный файл с именем "/dev/mem" и кодом 3, ядро запускает программу mmread в точке 3 таблицы ключей устройств посимвольного ввода-вывода. Программа nulldev — это "пустая" программа, используемая в тех случаях, когда отсутствует необходимость в конкретной функции драйвера. С одним старшим номером устройства может быть связано множество периферийных устройств; младший номер устройства позволяет отличить их одно от другого. Не нужно создавать специальные файлы устройств при каждой загрузке системы; их только нужно корректировать, если изменилась конфигурация системы, например, если к установленной конфигурации были добавлены устройства.
Рисунок 10.1. Точки входа для драйверов
Существует три стадии, на которых может быть указана конфигурация устройств. Во-первых, администраторы могут кодировать информацию о конфигурации в файлах, которые транслируются и компонуются во время построения ядра. Информация о конфигурации обычно указывается в простом формате, и программа конфигурации преобразует ее в файл, готовый для трансляции. Во-вторых, администраторы могут указывать информацию о конфигурации после того, как система уже запущена; ядро динамически корректирует внутренние таблицы конфигурации. Наконец, самоидентифицирующиеся устройства дают ядру возможность узнать, какие из устройств включены. Ядро считывает аппаратные ключи для самонастройки. Подробности задания системной конфигурации выходят за пределы этой книги, однако во всех случаях результатом процедуры задания конфигурации является генерация или заполнение таблиц, составляющих основу программ ядра.
Интерфейс "ядро — драйвер" описывается в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками и в таблице ключей устройств посимвольного ввода-вывода (Рисунок 10.1). Каждый тип устройства имеет в таблице точки входа, которые при выполнении системных функций адресуют ядро к соответствующему драйверу. Функции open и close, вызываемые файлом устройства, "пропускаются" через таблицы ключей устройств в соответствии с типом файла. Функции mount и umount так же вызывают выполнение процедур открытия и закрытия устройств, но для устройств ввода-вывода блоками. Функции read и write, вызываемые устройствами ввода-вывода блоками и файлами в смонтированных файловых системах, запускают алгоритмы работы с буферным кешем, инициирующие реализацию стратегической процедуры работы с устройствами. Некоторые из драйверов запускают эту процедуру изнутри из процедур чтения и записи. Более подробно взаимодействие с каждым драйвером рассматривается в следующем разделе.
Интерфейс "аппаратура — драйвер" состоит из машинно-зависимых управляющих регистров или команд ввода-вывода для управления устройствами и векторами прерываний: когда происходит прерывание от устройства, система идентифицирует устройство, вызвавшее прерывание, и запускает программу обработки соответствующего прерывания. Очевидно, что "программные устройства", такие как драйвер системы построения профиля ядра (глава 8) не имеют аппаратного интерфейса, однако программы обработки других прерываний могут обращаться к "обработчику программного прерывания" непосредственно. Например, программа обработки прерывания по таймеру обращается к программе обработки прерывания системы построения профиля ядра.
Администраторы устанавливают специальные файлы устройств командой mknod, в которой указывается тип файла (блочный или символьный), старший и младший номера устройства. Команда mknod запускает выполнение системной функции с тем же именем, создающей файл устройства. Например, в командной строке
mknod /dev/tty13 c 2 13
"/dev/tty13" — имя файла устройства, "c" указывает, что тип файла — "символьный специальный" ("b", соответственно, блочный), "2" — старший номер устройства, "13" — младший номер устройства. Старший номер устройства показывает его тип, которому соответствует точка входа в таблице ключей устройств, младший номер устройства — это порядковый номер единицы устройства данного типа. Если процесс открывает специальный блочный файл с именем "/dev/dsk1" и кодом 0, ядро запускает программу gdopen в точке 0 таблицы ключей устройств блочного ввода-вывода (Рисунок 10.2); если процесс читает специальный символьный файл с именем "/dev/mem" и кодом 3, ядро запускает программу mmread в точке 3 таблицы ключей устройств посимвольного ввода-вывода. Программа nulldev — это "пустая" программа, используемая в тех случаях, когда отсутствует необходимость в конкретной функции драйвера. С одним старшим номером устройства может быть связано множество периферийных устройств; младший номер устройства позволяет отличить их одно от другого. Не нужно создавать специальные файлы устройств при каждой загрузке системы; их только нужно корректировать, если изменилась конфигурация системы, например, если к установленной конфигурации были добавлены устройства.
10.1.2 Системные функции и взаимодействие с драйверами
В этом разделе рассматривается взаимодействие ядра с драйверами устройств. При выполнении тех системных функций, которые используют дескрипторы файлов, ядро, следуя за указателями, хранящимися в пользовательском дескрипторе файла, обращается к таблице файлов ядра и к индексу, где оно проверяет тип файла, и переходит к таблице ключей устройств ввода-вывода блоками или символами. Ядро извлекает из индекса старший и младший номера устройства, использует старший номер в качестве указателя на точку входа в соответствующей таблице и вызывает выполнение функции драйвера в соответствии с выполняемой системной функцией, передавая младший номер в качестве параметра. Важным различием в реализации системных функций для файлов устройств и для файлов обычного типа является то, что индекс специального файла не блокируется в то время, когда ядро выполняет программу драйвера. Драйверы часто приостанавливают свою работу, ожидая связи с аппаратными средствами или поступления данных, поэтому ядро не в состоянии определить, на какое время процесс будет приостановлен. Если индекс заблокирован, другие процессы, обратившиеся к индексу (например, посредством системной функции stat), приостановятся на неопределенное время, поскольку один процесс приостановил драйвер.
Рисунок 10.2. Пример заполнения таблиц ключей устройств ввода-вывода блоками и символами
Драйвер устройства интерпретирует параметры вызова системной функции в отношении устройства. Драйвер поддерживает структуры данных, описывающие состояние каждой контролируемой единицы данного типа устройства; функции драйвера и программы обработки прерываний реализуются в соответствии с состоянием драйвера и с тем, какое действие выполняется в этот момент (например, данные вводятся или выводятся). Теперь рассмотрим каждый интерфейс более подробно.
Драйвер устройства интерпретирует параметры вызова системной функции в отношении устройства. Драйвер поддерживает структуры данных, описывающие состояние каждой контролируемой единицы данного типа устройства; функции драйвера и программы обработки прерываний реализуются в соответствии с состоянием драйвера и с тем, какое действие выполняется в этот момент (например, данные вводятся или выводятся). Теперь рассмотрим каждый интерфейс более подробно.
10.1.2.1 Open
При открытии устройства ядро следует той же процедуре, что и при открытии файлов обычного типа (см. раздел 5.1), выделяя в памяти индексы, увеличивая значение счетчика ссылок и присваивая значение точки входа в таблицу файлов и пользовательского дескриптора файла. Наконец, ядро возвращает значение пользовательского дескриптора файла вызывающему процессу, так что открытие устройства выглядит так же, как и открытие файла обычного типа. Однако, перед тем, как вернуться в режим задачи, ядро запускает зависящую от устройства процедуру open (Рисунок 10.3). Для устройства ввода-вывода блоками запускается процедура open, закодированная в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками, для устройств посимвольного ввода-вывода — процедура open, закодированная в соответствующей таблице. Если устройство имеет как блочный, так и символьный тип, ядро запускает процедуру open, соответствующую типу файла устройства, открытого пользователем: обе процедуры могут даже быть идентичны, в зависимости от конкретного драйвера.
алгоритм open /* для драйверов устройств */
входная информация:
имя пути поиска
режим открытия
выходная информация:
дескриптор файла
{
преобразовать имя пути поиска в индекс, увеличить значение счетчика ссылок в индексе;
выделить в таблице файлов место для пользовательского дескриптора файла, как при открытии обычного файла;
выбрать из индекса старший и младший номера устройства;
сохранить контекст (алгоритм setjmp) в случае передачи управления от драйвера;
if (устройство блочного типа) {
использовать старший номер устройства в качестве указателя в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками;
вызвать процедуру открытия драйвера по данному индексу: передать младший номер устройства, режимы открытия;
}
else {
использовать старший номер устройства в качестве указателя в таблице ключей устройств посимвольного ввода-вывода;
вызвать процедуру открытия драйвера по данному индексу: передать младший номер устройства, режимы открытия;
}
if (открытие в драйвере не выполнилось)
привести таблицу файлов к первоначальному виду, уменьшить значение счетчика в индексе;
}
Рисунок 10.3. Алгоритм открытия устройства
Зависящая от типа устройства процедура open устанавливает связь между вызывающим процессом и открываемым устройством и инициализирует информационные структуры драйвера. Например, процедура open для терминала может приостановить процесс до тех пор, пока в машину не поступит сигнал (аппаратный) о том, что пользователь предпринял попытку зарегистрироваться. После этого инициализируются информационные структуры драйвера в соответствии с принятыми установками терминала (например, скоростью передачи информации в бодах). Для "программных устройств", таких как память системы, процедура open может не включать в себя инициализацию.
Если во время открытия устройства процессу пришлось приостановиться по какой-либо из внешних причин, может так случиться, что событие, которое должно было бы вызвать возобновление выполнения процесса, так никогда и не произойдет. Например, если на данном терминале еще не зарегистрировался ни один из пользователей, процесс getty, "открывший" терминал (раздел 7.9), приостанавливается до тех пор, пока пользователем не будет предпринята попытка регистрации, при этом может пройти достаточно большой промежуток времени. Ядро должно иметь возможность возобновить выполнение процесса и отменить вызов функции open по получении сигнала: ему следует сбросить индекс, отменить точку входа в таблице файлов и пользовательский дескриптор файла, которые были выделены перед входом в драйвер, поскольку открытие не произошло. Ядро сохраняет контекст процесса, используя алгоритм setjmp (раздел 6.4.4), прежде чем запустить процедуру open; если процесс возобновляется по сигналу, ядро восстанавливает контекст процесса в том состоянии, которое он имел перед обращением к драйверу, используя алгоритм longjmp (раздел 6.4.4), и возвращает системе все выделенные процедуре open структуры данных. Точно так же и драйвер может уловить сигнал и очистить доступные ему структуры данных, если это необходимо. Ядро также переустанавливает структуры данных файловой системы, когда драйвер сталкивается с исключительными ситуациями, такими, как попытка пользователя обратиться к устройству, отсутствующему в данной конфигурации. В подобных случаях функция open не выполняется.
Процессы могут указывать значения различных параметров, характеризующие особенности выполнения процедуры открытия. Из них наиболее часто используется "no delay" (без задержки), означающее, что процесс не будет приостановлен во время выполнения процедуры open, если устройство не готово. Системная функция open возвращает управление немедленно и пользовательский процесс не узнает, произошло ли аппаратное соединение или нет. Открытие устройства с параметром "no delay", кроме всего прочего, затронет семантику вызова функции read, что мы увидим далее (раздел 10.3.4).
Если устройство открывается многократно, ядро обрабатывает пользовательские дескрипторы файлов, индекс и записи в таблице файлов так, как это описано в главе 5, запуская определяемую типом устройства процедуру open при каждом вызове системной функции open. Таким образом, драйвер устройства может подсчитать, сколько раз устройство было "открыто", и прервать выполнение функции open, если количество открытий приняло недопустимое значение. Например, имеет смысл разрешить процессам многократно "открывать" терминал на запись для того, чтобы пользователи могли обмениваться сообщениями. Но при этом не следует допускать многократного "открытия" печатающего устройства для одновременной записи, так как процессы могут затереть друг другу информацию. Эти различия имеют смысл скорее на практике, нежели на стадии разработки: разрешение одновременной записи на терминалы способствует установлению взаимодействия между пользователями; запрещение одновременной записи на принтеры служит повышению читабельности машинограмм [30].
алгоритм open /* для драйверов устройств */
входная информация:
имя пути поиска
режим открытия
выходная информация:
дескриптор файла
{
преобразовать имя пути поиска в индекс, увеличить значение счетчика ссылок в индексе;
выделить в таблице файлов место для пользовательского дескриптора файла, как при открытии обычного файла;
выбрать из индекса старший и младший номера устройства;
сохранить контекст (алгоритм setjmp) в случае передачи управления от драйвера;
if (устройство блочного типа) {
использовать старший номер устройства в качестве указателя в таблице ключей устройств ввода-вывода блоками;
вызвать процедуру открытия драйвера по данному индексу: передать младший номер устройства, режимы открытия;
}
else {
использовать старший номер устройства в качестве указателя в таблице ключей устройств посимвольного ввода-вывода;
вызвать процедуру открытия драйвера по данному индексу: передать младший номер устройства, режимы открытия;
}
if (открытие в драйвере не выполнилось)
привести таблицу файлов к первоначальному виду, уменьшить значение счетчика в индексе;
}
Рисунок 10.3. Алгоритм открытия устройства
Зависящая от типа устройства процедура open устанавливает связь между вызывающим процессом и открываемым устройством и инициализирует информационные структуры драйвера. Например, процедура open для терминала может приостановить процесс до тех пор, пока в машину не поступит сигнал (аппаратный) о том, что пользователь предпринял попытку зарегистрироваться. После этого инициализируются информационные структуры драйвера в соответствии с принятыми установками терминала (например, скоростью передачи информации в бодах). Для "программных устройств", таких как память системы, процедура open может не включать в себя инициализацию.
Если во время открытия устройства процессу пришлось приостановиться по какой-либо из внешних причин, может так случиться, что событие, которое должно было бы вызвать возобновление выполнения процесса, так никогда и не произойдет. Например, если на данном терминале еще не зарегистрировался ни один из пользователей, процесс getty, "открывший" терминал (раздел 7.9), приостанавливается до тех пор, пока пользователем не будет предпринята попытка регистрации, при этом может пройти достаточно большой промежуток времени. Ядро должно иметь возможность возобновить выполнение процесса и отменить вызов функции open по получении сигнала: ему следует сбросить индекс, отменить точку входа в таблице файлов и пользовательский дескриптор файла, которые были выделены перед входом в драйвер, поскольку открытие не произошло. Ядро сохраняет контекст процесса, используя алгоритм setjmp (раздел 6.4.4), прежде чем запустить процедуру open; если процесс возобновляется по сигналу, ядро восстанавливает контекст процесса в том состоянии, которое он имел перед обращением к драйверу, используя алгоритм longjmp (раздел 6.4.4), и возвращает системе все выделенные процедуре open структуры данных. Точно так же и драйвер может уловить сигнал и очистить доступные ему структуры данных, если это необходимо. Ядро также переустанавливает структуры данных файловой системы, когда драйвер сталкивается с исключительными ситуациями, такими, как попытка пользователя обратиться к устройству, отсутствующему в данной конфигурации. В подобных случаях функция open не выполняется.
Процессы могут указывать значения различных параметров, характеризующие особенности выполнения процедуры открытия. Из них наиболее часто используется "no delay" (без задержки), означающее, что процесс не будет приостановлен во время выполнения процедуры open, если устройство не готово. Системная функция open возвращает управление немедленно и пользовательский процесс не узнает, произошло ли аппаратное соединение или нет. Открытие устройства с параметром "no delay", кроме всего прочего, затронет семантику вызова функции read, что мы увидим далее (раздел 10.3.4).
Если устройство открывается многократно, ядро обрабатывает пользовательские дескрипторы файлов, индекс и записи в таблице файлов так, как это описано в главе 5, запуская определяемую типом устройства процедуру open при каждом вызове системной функции open. Таким образом, драйвер устройства может подсчитать, сколько раз устройство было "открыто", и прервать выполнение функции open, если количество открытий приняло недопустимое значение. Например, имеет смысл разрешить процессам многократно "открывать" терминал на запись для того, чтобы пользователи могли обмениваться сообщениями. Но при этом не следует допускать многократного "открытия" печатающего устройства для одновременной записи, так как процессы могут затереть друг другу информацию. Эти различия имеют смысл скорее на практике, нежели на стадии разработки: разрешение одновременной записи на терминалы способствует установлению взаимодействия между пользователями; запрещение одновременной записи на принтеры служит повышению читабельности машинограмм [30].
10.1.2.2 Closе
Процесс разрывает связь с открытым устройством, закрывая его. Однако, ядро запускает определяемую типом устройства процедуру close только в последнем вызове функции close для этого устройства, и то только если не осталось процессов, которым устройство необходимо открытым, поскольку процедура закрытия устройства завершается разрывом аппаратного соединения; отсюда ясно, что ядру следует подождать, пока не останется ни одного процесса, обращающегося к устройству. Поскольку ядро запускает процедуру открытия устройства при каждом вызове системной функции open, а процедуру закрытия только один раз, драйверу устройства неведомо, сколько процессов используют устройство в данный момент. Драйверы могут легко выйти из строя, если при их написании не соблюдалась осторожность: когда при выполнении процедуры close они приостанавливают свою работу и какой-нибудь процесс открывает устройство до того, как завершится процедура закрытия, устройство может стать недоступным для работы, если в результате комбинации вызовов open и close сложилась нераспознаваемая ситуация.
алгоритм close /* для устройств */
входная информация: дескриптор файла
выходная информация: отсутствует
{
выполнить алгоритм стандартного закрытия (глава 5ххх);
if (значение счетчика ссылок в таблице файлов не 0) goto finish;
if (существует еще один открытый файл, старший и младший номера которого совпадают с номерами закрываемого устройства)
goto finish; /* не последнее закрытие */
if (устройство символьного типа) {
использовать старший номер в качестве указателя в таблице ключей устройства посимвольного ввода-вывода;
вызвать процедуру закрытия, определяемую типом драйвера и передать ей в качестве параметра младший номер устройства;
}
if (устройство блочного типа) {
if (устройство монтировано) goto finish;
переписать блоки устройства из буферного кеша на устройство;
использовать старший номер в качестве указателя в таблице ключей устройства ввода-вывода блоками;
вызвать процедуру закрытия, определяемую типом драйвера и передать ей в качестве параметра младший номер устройства;
сделать недействительными блоки устройства, оставшиеся в буферном кеше;
}
finish:
освободить индекс;
}
Рисунок 10.4. Алгоритм закрытия устройства
Алгоритм закрытия устройства похож на алгоритм закрытия файла обычного типа (Рисунок 10.4). Однако, до того, как ядро освобождает индекс, в нем выполняются действия, специфичные для файлов устройств.
алгоритм close /* для устройств */
входная информация: дескриптор файла
выходная информация: отсутствует
{
выполнить алгоритм стандартного закрытия (глава 5ххх);
if (значение счетчика ссылок в таблице файлов не 0) goto finish;
if (существует еще один открытый файл, старший и младший номера которого совпадают с номерами закрываемого устройства)
goto finish; /* не последнее закрытие */
if (устройство символьного типа) {
использовать старший номер в качестве указателя в таблице ключей устройства посимвольного ввода-вывода;
вызвать процедуру закрытия, определяемую типом драйвера и передать ей в качестве параметра младший номер устройства;
}
if (устройство блочного типа) {
if (устройство монтировано) goto finish;
переписать блоки устройства из буферного кеша на устройство;
использовать старший номер в качестве указателя в таблице ключей устройства ввода-вывода блоками;
вызвать процедуру закрытия, определяемую типом драйвера и передать ей в качестве параметра младший номер устройства;
сделать недействительными блоки устройства, оставшиеся в буферном кеше;
}
finish:
освободить индекс;
}
Рисунок 10.4. Алгоритм закрытия устройства
Алгоритм закрытия устройства похож на алгоритм закрытия файла обычного типа (Рисунок 10.4). Однако, до того, как ядро освобождает индекс, в нем выполняются действия, специфичные для файлов устройств.