Что такое драйвер операционной системы
Что такое драйвер?
Очень сложно получить одно точное определение для этого драйвера. В основном смысле драйвер — это программный компонент, который позволяет операционной системе и устройству взаимодействовать друг с другом.
Например, предположим, что приложению требуется считать некоторые данные с устройства. Приложение вызывает функцию, реализованную операционной системой, а операционная система вызывает функцию, реализованную драйвером. Драйвер, написанный той же компанией, которая разрабатывалась и изготовлена с устройством, знает, как взаимодействовать с оборудованием устройства для получения данных. После того как драйвер получит данные с устройства, он вернет данные в операционную систему, которая вернет их в приложение.
Расширение определения
Наше объяснение слишком сильно упрощено несколькими способами:
Не все драйверы должны быть написаны компанией, в которой разрабатывается устройство.
Во многих случаях устройство разработано в соответствии с опубликованным стандартом оборудования. Это означает, что драйвер может быть написан корпорацией Майкрософт, и конструктору устройств не требуется предоставлять драйвер.
Не все драйверы напрямую взаимодействуют с устройством.
Для данного запроса ввода-вывода (например, считывания данных с устройства) часто существует несколько драйверов, расположенных в стеке драйверов, которые участвуют в запросе. Обычным способом визуализации стека является первый участник в верхней части и последний участник в нижней части, как показано на этой диаграмме. Некоторые драйверы в стеке могут принимать участие в преобразовании запроса из одного формата в другой. Эти драйверы не взаимодействуют напрямую с устройством. они просто обрабатывают запрос и передают его драйверам, которые находятся ниже в стеке.
Драйвер функции. один драйвер в стеке, который взаимодействует с устройством напрямую, называется драйвером функции.
Драйвер фильтра. драйверы, которые выполняют вспомогательную обработку, называются драйверами фильтра.
Дополнительные сведения о стеках см. в разделе стеки драйверов.
Некоторые драйверы фильтров проводят и записывают сведения о запросах ввода-вывода, но не участвуют в них активно. Например, некоторые драйверы фильтра выполняют функции проверки, чтобы убедиться, что другие драйверы в стеке правильно обрабатывают запрос ввода-вывода.
Драйверы программного обеспечения
Наше расширенное определение является достаточно точным, но по-прежнему неполным, так как некоторые драйверы не связаны ни с одним аппаратным устройством.
Например, предположим, что необходимо написать средство, имеющее доступ к основным структурам данных операционной системы, доступ к которым возможен только в коде, работающем в режиме ядра. Это можно сделать, разделив инструмент на два компонента. Первый компонент работает в пользовательском режиме и представляет пользовательский интерфейс. Второй компонент работает в режиме ядра и имеет доступ к основным данным операционной системы. Компонент, работающий в пользовательском режиме, называется приложением, а компонент, работающий в режиме ядра, называется драйвером программного обеспечения. Драйвер программного обеспечения не связан с аппаратным устройством.
На этой схеме показано приложение пользовательского режима, взаимодействующее с драйвером программного обеспечения в режиме ядра.
Драйверы программного обеспечения всегда выполняются в режиме ядра. Основная причина написания драйвера программного обеспечения — получить доступ к защищенным данным, доступным только в режиме ядра. Однако драйверам устройств не всегда требуется доступ к данным и ресурсам режима ядра. Поэтому некоторые драйверы устройств работают в пользовательском режиме.
Дополнительные сведения о режимах процессора см. в разделе режим пользователя и режим ядра.
Драйверы шины
Существует категория драйвера, которую мы еще не упоминали, драйвер шины. Для понимания драйверов шины необходимо понимать узлы устройств и дерево устройств.
Сведения о деревьях устройств, узлах устройств и драйверах шины см. в разделе узлы устройств и стеки устройств.
Дополнительные сведения о драйверах функций
Наше объяснение на данный момент намного упрощает определение драйвера функции. Мы сказали, что драйвер функции для устройства — это один из драйверов в стеке, который напрямую взаимодействует с устройством. Это справедливо для устройства, которое подключается напрямую к шине PCI. Драйвер функции для устройства PCI получает адреса, сопоставленные с ресурсами порта и памяти на устройстве. Драйвер функции взаимодействует с устройством напрямую, написав по этим адресам.
Однако во многих случаях устройство не подключается напрямую к шине PCI. Вместо этого устройство подключается к адаптеру шины узла, подключенному к шине PCI. Например, USB-тостер подключается к адаптеру шины узла (называемому USB хост-контроллером), подключенному к шине PCI. USB-тостер имеет драйвер функции, а контроллер узла USB также имеет драйвер функции. Драйвер функции для тостер взаимодействует косвенно с тостер, отправив запрос драйверу функции для контроллера узла USB. Затем драйвер функции для контроллера узла USB напрямую взаимодействует с оборудованием хост-контроллера USB, который взаимодействует с тостер.
Драйвер устройства и с чем его едят
Что такое «драйвер»
Как уважаемый хабрапользователь наверняка знает, «драйвер устройства» — это компьютерная программа управляющая строго определенным типом устройства, подключенным к или входящим в состав любого настольного или переносного компьютера.
Основная задача любого драйвера – это предоставление софтового интерфейса для управления устройством, с помощью которого операционная система и другие компьютерные программы получают доступ к функциям данного устройства, «не зная» как конкретно оно используется и работает.
Обычно драйвер общается с устройством через шину или коммуникационную подсистему, к которой подключено непосредственное устройство. Когда программа вызывает процедуру (очередность операций) драйвера – он направляет команды на само устройство. Как только устройство выполнило процедуру («рутину»), данные посылаются обратно в драйвер и уже оттуда в ОС.
Любой драйвер является зависимым от самого устройства и специфичен для каждой операционной системы. Обычно драйверы предоставляют схему прерывания для обработки асинхронных процедур в интерфейсе, зависимом от времени ее исполнения.
Любая операционная система обладает «картой устройств» (которую мы видим в диспетчере устройств), для каждого из которых необходим специфический драйвер. Исключения составляют лишь центральный процессор и оперативная память, которой управляет непосредственно ОС. Для всего остального нужен драйвер, который переводит команды операционной системы в последовательность прерываний – пресловутый «двоичный код».
Как работает драйвер и для чего он нужен?
Основное назначение драйвера – это упрощение процесса программирования работы с устройством.
Он служит «переводчиком» между хардовым (железным) интерфейсом и приложениями или операционными системами, которые их используют. Разработчики могут писать, с помощью драйверов, высокоуровневые приложения и программы не вдаваясь в подробности низкоуровневого функционала каждого из необходимых устройств в отдельности.
Как уже упоминалось, драйвер специфичен для каждого устройства. Он «понимает» все операции, которые устройство может выполнять, а также протокол, с помощью которого происходит взаимодействие между софтовой и железной частью. И, естественно, управляется операционной системой, в которой выполняет конкретной приложение либо отдельная функция самой ОС («печать с помощью принтера»).
Если вы хотите отформатировать жесткий диск, то, упрощенно, этот процесс выглядит следующим образом и имеет определенную последовательность: (1) сначала ОС отправляет команду в драйвер устройства используя команду, которую понимает и драйвер, и операционная система. (2) После этого драйвер конкретного устройства переводит команду в формат, который понимает уже только устройство. (3) Жесткий диск форматирует себя, возвращает результат драйверу, который уже впоследствии переводит эту команду на «язык» операционной системы и выдает результат её пользователю (4).
Как создается драйвер устройства
Для каждого устройства существует свой строгий порядок выполнения команд, называемой «инструкцией». Не зная инструкцию к устройству, невозможно написать для него драйвер, так как низкоуровневые машинные команды являются двоичным кодом (прерываниями) которые на выходе отправляют в драйвер результат, полученный в ходе выполнения этой самой инструкции.
При создании драйвера для Линукса, вам необходимо знать не только тип шины и ее адрес, но и схематику самого устройства, а также весь набор электрических прерываний, в ходе исполнения которых устройство отдает результат драйверу.
Написание любого драйвера начинается с его «скелета» — то есть самых основных команд вроде «включения/выключения» и заканчивая специфическими для данного устройства параметрами.
И чем драйвер не является
Часто драйвер устройства сравнивается с другими программами, выполняющими роль «посредника» между софтом и/или железом. Для того, чтобы расставить точки над «i», уточняем:
Ну и на правах рекламы – вы всегда знаете, где скачать новейшие драйвера для любых устройств под ОС Windows.
Драйвера для windows и их влияние на производительность ПК
Друзья, сегодня мы поговорим об одних из самых важных элементах любой компьютерной системы – это драйвера для Windows (xp, 7, 8, 10). Наверное, каждый из Вас хотя бы раз в жизни самостоятельно устанавливал драйвер на свой компьютер. Чтобы решить какую-либо проблему, необходимо в первую очередь разобраться с предметной областью. В этой статье, я Вам предлагаю определиться с тем, что же такое драйвера для Windows, для чего они нужны и какие же у них функции.
Что такое драйвера для windows?
Драйвер (от англ. driver – водитель, управляющий чем-либо) – это программное обеспечение, которое позволяет организовать связь операционной системы и подключенного к компьютеру аппаратного обеспечения. При подключении любой “железяки” к ПК система требует соответствующий драйвер. Даже к одному и тому же устройству при работе в различных операционных системах требуются разные драйвера.
Хотя производители оборудования и разработчики ОС и не работают в одной команде, однако их объединяем мы – покупатели и пользователи компьютерной техникой. А значит им жизненно необходимо “дружить”, т.е. искать решения по совместимости новых устройств и операционных систем.
Так,например, в Windows имеется своя база драйверов “по умолчанию”. Купив новую видеокарту и подключив ее, операционная система попытается наладить с ней контакт и установит стандартный VGA-драйвер. Система загрузится и Вы сможете продолжить пользоваться ПК.
Это говорит о том, что ОС нашла подходящий драйвер в своей базе. Базовые функции устройства будут доступны – изображение на экране будет. Но все возможности видео адаптера, такие как например 3D-функции, будут недоступны. Для полноценной работы с новым устройством Вам необходимо будет установить “родной” драйвер от производителя оборудования.
Предназначение драйвера для Windows
Основное предназначение драйверов – это налаживание взаимодействия между аппаратными устройствами и операционной системой. Но это не все. Кроме выполнения своих основных функций драйвера имеют ряд настроек, которые оказывают существенное влияние на производительность системы в целом.
Изменить параметры функционирования устройством можно в окне управления драйвером. Нажимаем “Пуск” –> правой кнопкой щелкаем по пункту “Компьютер” –> выбираем в открывшемся меню пункт “Управление” –> в правой части появившегося окошка выбираем ”Диспетчер устройств”(или находим поиском виндовс) –> в списке находим необходимое устройство и два раза кликаем по нему –> переходим на вкладку “дополнительно” и проводим необходимы настройки.
Здесь же можно и обновить их, выполнив поиск на компьютере (заранее скачав) или в интернете.
Внимание! Введу особой важности драйверов для работы ОС и их влияния на общую производительность Вашего компьютера, советую всем регулярно обновлять драйвера. Производители оборудования регулярно выкладывают на своем сайте свежие обновления, которые содержат исправления ошибок и дополнительные функции.
Три типа драйверов
Драйвера для всех устройств можно разделить на три типа.
Без этой группы драйверов функционирование ПК невозможно. Насколько они важны для Вашего компьютера, уверен, Вы понимаете, отсюда и вывод, что-либо настраивать в этих программах мы не будем. Внесение неправильных настроек может привести к краху всей системы.
Многие из этих устройств устанавливаются автоматически. В системе имеется драйвер по-умолчанию, т.е. функционировать эти устройства смогут. Для некоторых система потребует найти драйвер самостоятельно и указать источник для установки и настройки оборудования.
Это наиболее важная для нас группа программ, так как именно здесь разработчики предоставляют массу возможностей по тонкой индивидуальной настройки соответствующих адаптеров. внося изменения в значения соответствующих параметров возможно повысить скорость и качество работы оборудования. Не забывайте их обновлять.
Альтернативные драйвера для Windows (xp, 7, 8, 10)
В Интернете существует немало людей, которые занимаются разработкой “своих” драйверов для устройств или доработкой “родных”. Есть сообщества, которые выкладывают в общий доступ неплохие решения, конкурируя с производителем устройства, а иногда и существенно превосходя его.
Единственное “НО” – это отсутствие какой-либо гарантии на качество альтернативных драйверов. Пользователь подбирает и устанавливает их на свой страх и риск.
Альтернативные драйвера, как правило, разрабатываются в основном для расширения функционала таких устройств, как видео и звуковые адаптеры:
Что такое драйвер и зачем он нужен
Это виртуальная инструкция к любому «железу» в компьютере
«Слетели драйвера», «У меня нет драйверов на принтер», «Видеокарте нужны драйвера» — если вам непонятно, что это значит и на что влияют драйверы, то эта статья для вас.
Что такое драйвер
Драйвер — это программа, которая работает как инструкция для операционной системы. Драйвер объясняет операционке, как пользоваться каким-то устройством.
Устройство — это то, что физически подключается к компьютеру:
Драйвер рассказывает компьютеру, как этим железом пользоваться, что оно умеет, какие команды понимает и как это железо могут использовать другие программы.
👉 Технически драйвер — это программа, которая висит в памяти компьютера всё время, пока компьютеру нужно это устройство.
Известное и неизвестное железо
Операционная система в компьютере знает и умеет многое, в том числе и работать со стандартным оборудованием. Стандартным — это значит тем, которое предоставляет стандартные возможности.
Например, клавиатура, мышь или веб-камера — это стандартное оборудование, потому что независимо от производителя они делают примерно одно и то же.
Разработчики операционной системы знают про такое оборудование, поэтому могут написать стандартные драйверы, которые подойдут к большинству устройств. Именно поэтому мы можем купить в магазине новую мышь и просто подключить её к компьютеру без установки дополнительных программ — операционная система сама разберётся, что делать.
Но бывает так, что разработчики добавили в устройство нестандартные возможности: переназначение сочетаний клавиш, сделали мышь с несколькими колёсиками или встроенный лазерный дальномер в видеокамеру. В этом случае компьютер не разберётся, как этим всем пользоваться, потому что в стандартных драйверах про это ничего нет.
В таких случаях разработчики устройств пишут свой драйвер, который объяснит компьютеру, как пользоваться всеми возможностями устройства. Этот драйвер нужно будет установить.
Сложное оборудование
Ещё бывает так, что оборудование хоть и стандартное, но сложное, например, видеокарта или принтер. Каждый производитель добавляет свои функции и технологии, которые считает нужными, и чаще всего они не совпадают с другими. Если подключить такое устройство к компьютеру, то компьютер, скорее всего, разберётся, что именно в него воткнули, то как с этим работать — неизвестно.
Здесь тоже нужны драйверы — они идут или в комплекте с устройством на компакт-диске или их качают с официального сайта производителя. Чем сложнее устройство, тем больше вероятность, что без установки дополнительных драйверов оно работать не будет.
Например, если у вас навороченная видеокарта, вы вставляете её в компьютер и сначала видите странную огромную картинку с низким разрешением. Это значит, что компьютер пока не нашёл драйверов на эту карточку и запустил её в «режиме совместимости» — то есть в том режиме, в котором он точно сможет ей управлять. Но возможности видеокарты будут сильно порезаны, пока мы не установим нужные нам драйверы.
Что значит «слетели драйвера»?
Это значит, что компьютер не может найти файлы с инструкциями от какого-то устройства. Так бывает при обновлениях системы, заражении вирусом или просто кто-то случайно мог удалить нужные файлы или папку целиком.
Решение простое: берёте заново драйвер с официального сайта или тот, который шёл в комплекте с устройством, и запускаете программу-установщик заново. А она уже сама разберётся, каких файлов не хватает, и настроит всё заново.
Драйверы нужны только на Windows?
Драйверы нужны на всех компьютерах и для всех операционных систем. Но некоторые операционки идут с кучей драйверов в комплекте, а у других этот набор более скромный.
Общее правило для 2021 года такое: большая часть оборудования, которое нужно для обычной офисной работы, подключится к любому компьютеру без необходимости что-то устанавливать. Операционка сама поймёт, что это за устройство, и, скорее всего, у неё уже будут драйверы.
А вот какое-то более сложное оборудование (например, профессиональная аудиокарта или видеокамера) потребуют установки драйверов от производителя.
В чём проблема с драйверами
Проблема в том, что часто производители не делают новые драйверы для старого оборудования. Например:
Есть диджейский контроллер Numark NS7 — это профессиональное оборудование для диджеев и артистов, оно стоит дорого и нужно примерно 100 тысячам человек на всей планете.
Когда контроллер только вышел, компания Numark выпускала драйвера на все свежие операционные системы, проблем с совместимостью не было.
Потом аппарат сняли с производства, поддержку прекратили. Последняя версия драйверов, которую выпустил Numark, — для Windows 10 и MacOS 10.12 (Sierra). С тех пор у Windows вышло большое обновление до 11, а MacOS обновился раз пять. Причём последние две версии сделаны для процессоров Apple, и уже нет надежды, что Numark обновит драйверы для этой архитектуры.
Так что, если вам достался этот редкий профессиональный прибор, вы вынуждены сидеть на древней MacOS Sierra, которая стремительно перестаёт поддерживаться современным софтом.
Что с этим делать? А ничего ты с этим не сделаешь. Такова жизнь.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Драйвер
Драйвер – компьютерное программное обеспечение, используемое для управления каждым подключенным к компьютеру устройством ввода-вывода, учитывая его особенности. Оно создается производителем устройства и поставляется вместе с этим устройством. Поскольку для каждой операционной системы нужны собственные драйверы, производитель устройства обычно поставляет драйверы для нескольких наиболее популярных операционных систем.
В большинстве случаев драйвер устройства управляет одним типом устройства или как максимум одним классом родственных устройств. Тем не менее технически вполне возможно создание одного драйвера устройства, управляющего несколькими разнородными устройствами. Однако, в большинстве случаев это является не самой лучшей идеей.
Содержание
Драйвер и операционная система
Чтобы получить доступ к аппаратной части устройства, то есть к регистрам контроллера, драйвер устройства, как правило, должен быть частью ядра операционной системы, по крайней мере в существующих на сегодняшний день архитектурах. Но вообще-то можно создавать и драйверы, работающие в пространстве пользователя, используя при этом системные вызовы для чтения и записи регистров устройств. Такое решение позволит изолировать ядро от драйверов и драйверы друг от друга, устранив при этом основной источник системных сбоев — «сырые» драйверы, тем или иным образом мешающие работе ядра. Несомненно, это хороший выход из положения при создании высоконадежных систем.
Так как разработчики любых операционных систем знают, что драйверы, созданные другими разработчиками, будут устанавливаться в их систему, им нужна такая архитектура, которая позволит подобную установку. А это значит, что должна быть вполне определенная модель того, чем занимается драйвер и как он взаимодействует со всей операционной системой. Как показано на рис. 1, драйверы устройств обычно размещаются ниже остальных компонентов операционной системы.
Обычно операционная система относит драйверы к одной из немногочисленных категорий. Самые распространенные категории — это драйверы блочных устройств, к ним относятся драйверы дисков, содержащих множество блоков данных, к которым можно обращаться независимо от всех остальных блоков, и драйверы символьных устройств, к которым относятся драйверы клавиатур и принтеров — устройств, которые генерируют или воспринимают поток символов.
В некоторых системах операционная система представляет собой единую программу в двоичных кодах, в которой содержатся все необходимые ей скомпилированные драйверы. Такая схема долгие годы была нормой для систем семейства UNIX, поскольку они работали в компьютерных центрах, где устройства ввода-вывода менялись очень редко. При добавлении нового устройства системный администратор просто перекомпилировал ядро с новым драйвером для создания нового двоичного кода.
С наступлением эры персональных компьютеров с несметным количеством устройств ввода-вывода эта модель уже не работает. Лишь немногие пользователи способны перекомпилировать или перекомпоновать ядро, даже если у них будут исходные коды или объектные модули, что случается довольно редко. Вместо этого операционные системы, начиная с MS-DOS, перешли к модели, в которой драйверы стали динамически загружаться в систему в процессе работы. Управление загрузкой драйверов ведется в разных системах по-разному.
Алгоритм работы
Типичный драйвер начинает свою работу с проверки приемлемости входных параметров. Если они неприемлемы, возвращается сообщение об ошибке. Если с параметрами все в порядке, может понадобиться перевод абстрактных понятий в конкретные. Для драйвера диска это может означать преобразование обычного номера блока в номера головки, дорожки, сектора и цилиндра, относящихся к геометрии диска.
Затем драйвер может проверить, используется ли устройство в данный момент. Если оно используется, запрос будет поставлен в очередь для последующей обработки. Если устройство простаивает, проверяется состояние аппаратуры, чтобы определить, может ли запрос быть обработан. Перед началом передачи данных может понадобиться включить устройство или запустить его двигатель. Как только устройство включится и будет готово к работе, им можно будет управлять.
Управление устройством означает выдачу в его адрес последовательности команд. Именно драйвер определяет последовательность команд в зависимости от того, что должно быть сделано. После того как драйвер поймет, какие команды он собирается выдать, он начнет записывать их в регистры контроллера устройства. После записи каждой команды в контроллер может потребоваться проверка того, принял ли контроллер команду и готов ли к приему следующей команды. Эта последовательность повторяется до тех пор, пока не будут выданы все команды. Некоторым контроллерам можно указывать на связанный список команд (в памяти) и предписывать самостоятельное чтение и обработку этих команд без дальнейшей помощи со стороны операционной системы.
После того как команды были выданы, может сложиться одна из двух ситуаций. В большинстве случаев драйвер должен ждать, пока контроллер не сделает в его интересах какую-нибудь работу, поэтому он самоблокируется до тех пор, пока не поступит прерывание на его разблокировку. Но в других случаях операция завершается без задержки и драйверу не нужно блокироваться. В качестве примера последней ситуации можно привести прокрутку экрана в символьном режиме, требующую лишь записи нескольких байтов в регистры контроллера. Для этого не нужно никаких механических перемещений, поэтому вся операция может быть завершена за несколько наносекунд.
В первом случае заблокированный драйвер будет активизирован прерыванием. Во втором случае он никогда не будет переходить в неактивное состояние. В любом случае по завершении операции драйвер должен провести проверку на отсутствие ошибок. Если все в порядке, драйвер может получить данные для передачи программному обеспечению, не зависящему от применяемого устройства. И наконец, он возвращает вызывавшей его программе определенную информацию о состоянии устройства, наличии или отсутствии ошибок. Если в очереди были какие-нибудь другие запросы, то теперь один из них может быть выбран и запущен на выполнение. Если запросов в очереди не было, драйвер блокируется в ожидании следующего запроса.
Функции программного обеспечения, не зависящего от конкретных устройств
Основная роль программного обеспечения, не зависящего от конкретного устройства, состоит в выполнении общих для всех устройств функций ввода-вывода и предоставлении унифицированного интерфейса для программного обеспечения на уровне пользователя. Далее перечисленные задачи будут рассмотрены более подробно.
Предоставление унифицированного интерфейса для драйверов устройств
Одной из острых проблем при создании операционных систем является придание всем устройствам и драйверам ввода-вывода более или менее однообразного вида.
Один из аспектов этой проблемы — интерфейс между драйверами устройств и остальной операционной системой. На рис. 2 (а) показана ситуация, в которой у каждого драйвера устройства имеется собственный интерфейс с операционной системой. Это означает, что функции драйвера, доступные для вызова системой, различаются от драйвера к драйверу. Это может означать, что и функции ядра, в которых нуждается драйвер, различаются от драйвера к драйверу. Все вместе взятое это означает, что обеспечение интерфейса с каждым новым драйвером требует множества новых усилий по созданию программного кода.
В противоположность этому на рис. 2 (б) показана другая конструкция, в которой у всех драйверов имеется одинаковый интерфейс. Теперь стало намного проще подключить новый драйвер, обеспечив его соответствие интерфейсу драйверов. Также это означает, что создатели драйверов знают, чего от них ожидают. Фактически не все устройства абсолютно одинаковы, но обычно приходится иметь дело лишь с небольшим количеством типов устройств, и даже они в целом практически одинаковы.
Все это работает следующим образом. Для каждого класса устройств, таких как диски или принтеры, операционной системой определяется набор функций, которые драйвер должен поддерживать. Для диска в этот набор будут входить не только чтение и запись, но и включение и выключение электропитания, форматирование и другие присущие диску операции. Зачастую драйвер содержит таблицу с указателями на эти функции. При загрузке драйвера операционная система записывает адрес таблицы указателей на функции, чтобы, когда потребуется вызвать одну из этих функций, она могла выполнить опосредованный вызов через таблицу. Таблица указателей на функции определяет интерфейс между драйвером и всей остальной операционной системой. Все устройства определенного класса должны соответствовать этому условию.
Буферизация
Буферизация по многим причинам также является актуальным вопросом как для блочных, так и для символьных устройств. Чтобы понять, в чем состоит одна из таких причин, рассмотрим процесс, которому необходимо прочитать данные, получаемые от ADSL-модема, который многие используют дома для связи с Интернетом. По одной из возможных стратегий работы с поступающими символами нужно заставить пользовательский процесс осуществить системный вызов READ и заблокироваться в ожидании одного символа. При этом прерывание возникает по случаю поступления каждого символа. Процедура обработки прерывания передает символ пользовательскому процессу и снимает с него блокировку. Поместив куда-нибудь символ, процесс переходит к чтению следующего символа и снова блокируется.
Проблема реализации такого способа заключается в том, что пользовательский процесс должен возобновляться для каждого поступающего символа. Из-за низкой эффективности многократных краткосрочных запусков процесса это далеко не самая лучшая модель.
В улучшенном варианте пользовательский процесс предоставляет буфер объемом N символов и выполняет чтение такого же количества символов. Процедура обработки прерывания помещает поступающие символы в этот буфер до тех пор, пока он не заполнится. Затем она возобновляет работу пользовательского процесса. Эта схема работает намного эффективнее предыдущей, но у нее есть один недостаток. Что получится, если буфер выйдет за границу страницы при поступлении очередного символа? Буфер будет зафиксирован в памяти, но если множество процессов начнет фиксировать страницы в памяти, то запас доступных страниц сократится и производительность резко снизится.
Другой широко распространенной формой буферизации является использование кольцевого буфера. Он состоит из области памяти и двух указателей, один из которых указывает на следующее свободное слово, в которое можно поместить новые данные, а другой — на первое слово тех данных в буфере, которые еще не были из него выведены. Во многих случаях аппаратура по мере добавления данных (например, только что поступивших из сети) передвигает вперед первый указатель; операционная система, по мере того как она выводит из буфера и обрабатывает данные, перемещает вперед второй указатель. Оба указателя ходят по кругу, переходя обратно к нижним адресам буфера, как только достигнут его верхних адресов.
Буферизация является широко используемой технологией, но у нее имеются и недостатки. Если данные будут подвергаться буферизации слишком часто, упадет производительность. Рассмотрим, к примеру, сеть, показанную на рис. 4. Здесь пользовательский процесс осуществляет системный вызов для записи данных по сети. Ядро копирует пакет данных в буфер ядра, позволяя пользовательскому процессу немедленно возобновить работу (шаг 1). Теперь пользовательская программа может использовать буфер повторно.
Когда вызывается драйвер, он копирует пакет в контроллер для его последующего вывода (шаг 2). Причина, по которой он не осуществляет вывод в сеть непосредственно из памяти ядра, состоит в том, что как только будет запущена передача пакета, она должна продолжаться на постоянной скорости. Драйвер не может гарантировать, что он будет получать доступ к памяти на постоянной скорости, поскольку множество циклов обращения к шине могут отвлекать на себя каналы DMA и другие устройства ввода-вывода. Неудача при своевременном получении слова приведет к порче пакета. Эту проблему можно устранить за счет буферизации пакета внутри контроллера.
После того как пакет будет скопирован во внутренний буфер контроллера, он копируется в сеть (шаг 3). Биты поступают получателю вскоре после их отправки, поэтому сразу же после отправки последнего бита этот бит поступает получателю, у которого пакет попадает в буфер контроллера. Затем пакет копируется в буфер ядра получателя (шаг 4). И наконец он копируется в буфер процесса получателя (шаг 5). Обычно после этого получатель посылает подтверждение. Когда отправитель получает подтверждение, он имеет возможность послать следующий пакет. Но при этом следует понимать, что операции копирования существенно снижают скорость передачи данных, поскольку шаги должны осуществляться последовательно.
Сообщение об ошибках
При вводе-выводе данных ошибки являются более распространенным событием, чем в других сферах работы компьютерных устройств. При возникновении ошибок операционная система должна их обработать наилучшим образом. Многие ошибки зависят от специфики конкретного устройства и должны обрабатываться соответствующим драйвером, но структура обработки ошибок не зависит от специфики устройств.
К одному из классов ошибок ввода-вывода относятся ошибки программирования. Они возникают в том случае, если процесс запрашивает что-нибудь невозможное, к примеру запись в устройство ввода информации или чтение из устройства вывода информации. Другие ошибки возникают при предоставлении неверного адреса буфера или указании неверного устройства. На такие ошибки следует весьма простая реакция: вызывающей программе отправляется код возникшей ошибки.
Действия этого программного обеспечения зависят от среды окружения и характера ошибки. Если речь идет о простой ошибке чтения и есть возможность общения с пользователем, то может быть выведено диалоговое окно с вопросом к пользователю, что делать дальше. Варианты могут включать повторение попытки определенное количество раз, игнорирование ошибки или уничтожение вызывающего процесса. Если пользователь недоступен, то, возможно, единственным вариантом будет аварийное завершение системного вызова с указанием кода ошибки.
Некоторые ошибки не могут быть обработаны таким образом. Например, если разрушена важная структура данных, такая как корневой каталог или список свободных блоков. В таком случае системе, вероятно, придется отобразить сообщение об ошибке и прекратить работу. Практически ничего другого ей не остается.
Распределение и высвобождение выделенных устройств
Некоторые устройства, в любой момент времени могут использоваться только одним процессом. Операционная система должна проверять запросы на использование и принимать их или отвергать в зависимости от доступности запрашиваемого устройства. Простой способ обработки этих запросов заключается в требовании к процессам непосредственно открывать специальные файлы для этих устройств с помощью системных вызовов OPEN. Если устройство недоступно, то системный вызов OPEN потерпит неудачу. Освобождение выделенного устройства происходит после его закрытия с помощью системного вызова CLOSE. Альтернативный подход заключается в использовании специальных механизмов для запроса и освобождения выделенных устройств. Попытка получить в свое распоряжение недоступное устройство приводит не к отказу, а к блокировке процесса, предпринявшего эту попытку. Заблокированные процессы помещаются в очередь. Рано или поздно запрашиваемое устройство станет доступным, и первому процессу из этой очереди будет позволено получить устройство и продолжить свою работу.
Предоставление размера блока, не зависящего от конкретных устройств
У разных дисков могут быть разные размеры секторов. Не зависимое от устройств программное обеспечение должно скрыть этот факт и предоставить расположенным выше уровням унифицированный размер блока, например, рассматривая несколько секторов в качестве одного логического блока. Таким образом, вышестоящие уровни будут работать только с абстрактными устройствами, использующими один и тот же размер логического блока, не зависящий от физического размера сектора. Аналогичным образом некоторые символьные устройства осуществляют побайтовую доставку данных, а другие устройства доставляют данные блоками более крупного размера. Эти различия также могут быть скрыты.
Горячее подключение устройств
В системе, допускающей горячее подключение, устройство может быть добавлено или удалено во время работы компьютера. В результате, пока драйвер занят чтением с какого-нибудь устройства, система может ему сообщить, что пользователь внезапно удалил это устройство из системы. Драйверу придется не только прервать текущую передачу данных, не повредив при этом каких-либо структур данных ядра, но и умудриться элегантно удалить из системы все отложенные запросы для только что удаленного устройства и сообщить плохие новости пославшим их программам. Более того, неожиданное добавление новых устройств может заставить ядро перераспределить ресурсы, забирая у драйвера старые и предоставляя вместо них новые.
Виртуальные драйверы
Драйверы виртуальных устройств представляют собой особый вариант драйверов. Они используются для эмуляции аппаратного устройства, особенно в средах виртуализации, например, когда программа DOS запускается на компьютере Microsoft Windows. Вместо того, чтобы разрешать гостевой операционной системе взаимодействовать с настоящим оборудованием, драйверы виртуальных устройств принимают противоположную роль и эмулируют часть оборудования, так что гостевая операционная система и ее драйверы, запущенные внутри виртуальной машины, имеют только иллюзию доступа к нему. Попытки гостевой операционной системы получить доступ к оборудованию маршрутизируются к драйверу виртуального устройства в операционной системе хоста. Драйвер виртуального устройства также может посылать в виртуальную машину смоделированные события уровня процессора, такие как прерывания.