Классы устройств и модулей

Способ видения устройств в Linux разделяется на три фундаментальных типа. Каждый модуль обычно реализован как один из этих типов и таким образом классифицируется как символьный модуль, блочный модуль, или сетевой модуль. Такое разделение модулей на разные типы или классы не является жёстким; программист может при желании создавать большие модули, содержащие разные драйверы в одном куске кода. Хорошие программисты, тем не менее, обычно создают разные модули для каждой новой функциональности, потому что декомпозиция является ключом к масштабируемости и расширяемости.

Этими тремя классами являются:

Символьные устройства

Символьное устройство - это такое устройств, к которому можно обращаться как к потоку байтов (так же как к файлу); драйвер символьного устройства отвечает за реализацию такого поведения. Такой драйвер обычно, по крайней мере, поддерживает системные вызовы open, close, read и write. Текстовый экран (/dev/console) и последовательные порты (/dev/ttyS0 и подобные) являются примерами символьных устройств, так как они хорошо представлены абстракцией потока. Для обращения к символьным устройствам используют узлы (node) файловой системы, такие как /dev/tty1 и /dev/lp0. Единственное важное отличие между символьными устройствами и обычными файлами - вы всегда можете двигаться вперед и назад в обычном файле, в то время как большинство символьных устройств - это только каналы данных, к которым вы можете обращаться только последовательно. Существуют, однако, символьные устройства, которые выглядят как области данных, и вы можете двигаться по ним назад и вперёд; к примеру, это обычно используется в грабберах экрана, где приложения могут получать доступ ко всему полученному изображению используя mmap или lseek.

Блочные устройства

Так же как символьные устройства, блочные устройства доступны через узлы файловой системы в директории /dev. Блочное устройство - это устройство (например, диск) который может содержать файловую систему. В большинстве систем Unix блочное устройство может поддерживать только операции ввода-вывода, которые передают один или более целых блоков, обычно равных 512 байт (или большей степени числа два). Linux, однако, разрешает приложению читать и писать в блочное устройство, так же как и в символьное устройство - это позволяет передавать любое число байт за раз. В результате, блочные и символьные устройства отличаются только способом управления данными внутри ядра и, соответственно, программным интерфейсом в ядре/драйвере. Как и символьное устройство, каждое блочное устройство доступно через узел файловой системы, так что различия между ними не видны пользователю. Блочные драйверы имеют интерфейс для ядра полностью отличный от символьных устройств.

Сетевые интерфейсы

Любой сетевой обмен данными делается через интерфейс, то есть устройство, которое в состоянии обменяться данными с другими узлами сети. Обычно, интерфейс - это аппаратное устройство, но также он может быть чисто программным устройством, наподобие интерфейса loopback (локальное петлевое устройство). Сетевой интерфейс отвечает за отсылку и приём пакетов данных, управляемых подсистемой сети в ядре, без знания кому предназначены передаваемые пакеты.

Многие сетевые соединения (особенно использующие TCP) являются поточно-ориентированными, но сетевые устройства обычно разработаны для передачи и приёма пакетов. Сетевой драйвер ничего не знает об отдельных соединениях; он только обрабатывает пакеты. Не будучи поточно-ориентированным устройством, сетевой интерфейс нелегко представить как узел в файловой системе наподобие /dev/tty1. Unix всё же обеспечивает доступ к интерфейсам через назначение им уникальных имён (таких как eth0), но это имя не имеет соответствующего элемента в файловой системе. Обмен между ядром и сетевым устройством сильно отличается от используемого в символьных и блочных драйверах. Вместо read и write ядро вызывает функции, относящиеся к передаче пакетов.

Есть другие пути классификации модулей драйверов, которые по-другому подразделяют устройства. Вообще, некоторые типы драйверов работают с дополнительными наборами функций ядра для данного типа устройств. К примеру, можно говорить о модулях универсальной последовательной шины (USB), последовательных модулях, модулях SCSI, и так далее. Каждое USB устройство управляется модулем USB, который работает с подсистемой USB, но само устройство представлено в системе или как символьное устройство (последовательный порт USB, к примеру), или как блочное устройство (USB устройство чтения карт памяти), или как сетевой интерфейс (например, сетевой USB интерфейс).

В последнее время в ядро были добавлены другие классы драйверов устройств, включающие драйверы FireWire и I2C. Таким же образом, как они добавили поддержку драйверов USB и SCSI, разработчики ядра собрали особенности всего класса и передали их разработчикам драйверов, чтобы избежать двойной работы и ошибок, упростив и стабилизировав таким образом процесс написания этих драйверов.

В дополнение к драйверам устройств в ядре в виде модулей реализованы и другие функциональные возможности, включающие и аппаратные средства и программное обеспечение. Общий пример - файловые системы. Тип файловой системы определяет, как организована информация на блочном устройстве, чтобы показать дерево файлов и директорий. Это не драйвер устройства, здесь нет какого-либо устройства, связанного со способом размещения информации; вместо этого, тип файловой системы - это программный драйвер, потому что он отображает структуры данных нижнего уровня на структуры данных верхнего уровня. Он и является файловой системой, которая определяет, какой длины может быть имя файла и какая информация о каждом файле хранится в записи каталога. Модуль файловой системы должен осуществить самый низкий уровень системных вызовов, которые обращаются к каталогам и файлам, отображая имена файла и пути (так же как другую информацию, такую как режимы доступа) к структурам данных, сохранённым в блоках данных. Такой интерфейс полностью независим от фактической передачи данных на и от диска (или другого носителя), что достигнуто с помощью драйвера блочного устройства.

Если вы подумаете о том, как сильно система Unix зависит от нижележащей файловой системы, то вы поймете, что такое программное понятие жизненно важно для функционирования системы. Способность декодировать информацию файловой системы остаётся на самом низком уровне иерархии ядра и имеет предельно важное значение; даже если вы напишете блочный драйвер для своего нового CD-ROM, это будет бесполезно, если вы не в состоянии выполнить команды ls или cp для данных этого устройства. Linux поддерживает понятие модуля файловой системы, программный интерфейс которого декларирует различные операции, которые могут быть выполнены с индексом файловой системы (inode), каталогом, файлом и суперблоком. Вряд ли в действительности программисту потребуется написать модуль файловой системы, потому что официальное ядро уже включает код для самых важных типов файловых систем.