Внутреннее устройство Linux

В этой главе представлены основные сведения об инфраструктуре устройств, которая обеспечивается ядром в работающей системе Linux. На протяжении истории этой системы многое изменилось в том, как ядро представляет устройства пользователю. Мы начнем с рассмотрения традиционной системы файлов устройств, чтобы понять, каким образом ядро обеспечивает конфигурацию устройства с помощью пути sysfs. Наша цель — научиться извлекать информацию об устройствах в системе, чтобы понимать некоторые элементарные операции. В следующих главах будет подробно рассмотрено взаимодействие с особыми типами устройств.

Важно понимать, как ядро взаимодействует с пространством пользователя, когда ему предъявляются новые устройства. Менеджер устройств udev позволяет программам из пространства пользователя автоматически конфигурировать и использовать новые устройства. Вы увидите основные моменты того, как ядро отправляет сообщение процессу в пространстве пользователя с помощью менеджера udev и какой процесс при этом задействован.

3.1. Файлы устройств

В системе Unix большинством устройств легко управлять, поскольку ядро представляет процессам в виде файлов многие интерфейсы ввода-вывода устройств. Такие файлы устройств иногда называют узлами устройств. Не только программист может применять обычные файловые операции для работы с каким-либо устройством: некоторые устройства доступны также стандартным командам вроде cat. Вам не обязательно быть программистом, чтобы использовать устройство, однако есть ограничения на то, что вы можете сделать с помощью файлового интерфейса, так что не все устройства или их возможности доступны в стандартном файловом вводе-выводе.

Система Linux применяет ту же схему файлов устройств, какая используется в других вариантах системы Unix. Файлы устройств расположены в каталоге /dev, и при запуске команды ls /dev обнаружится достаточное количество файлов в этом каталоге. При работе с устройствами для начала попробуйте такую команду:

$ echo blah blah > /dev/null

Как и положено любой команде с перенаправлением вывода, данная команда отправляет нечто из стандартного вывода в файл. Однако файл /dev/null является устройством, и ядро решает, что делать с данными, записываемыми в это устройство. В случае с /dev/null ядро просто игнорирует ввод и не использует данные.

Чтобы идентифицировать устройство и просмотреть его права доступа, применяйте команду ls — name = "note"

Пример 3.1. Файлы устройств

$ ls — l

brw-rw— 1 root disk 8, 1 Sep 6 08:37 sda1

crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Sep 6 08:37 null

prw-r — r— 1 root root 0 Mar 3 19:17 fdata

srw-rw-rw- 1 root root 0 Dec 18 07:43 log

Обратите внимание на первый символ в каждой строке (первый символ режима файла) в примере 3.1. Если это символ b, c, p или s, такой файл является устройством. Эти буквы обозначают соответственно блочное устройство, символьное устройство, канал и сокет, что подробно объяснено ниже.

• Блочное устройство. Программы получают доступ к данным на блочном устройстве в виде фиксированных порций. В приведенном примере sda1 является дисковым устройством — одним из типов блочных устройств. Диски можно легко разделить на блоки данных. Поскольку общий объем блочного устройства фиксирован и легко поддается индексации, процессы с помощью ядра получают случайный доступ к любому блоку устройства.

 Символьное устройство. Символьные устройства работают с потоками данных. Вы можете лишь считывать символы с таких устройств или записывать символы на них, как было показано в примере с /dev/null. Символьные устройства не обладают размером. Когда выполняется чтение или запись, ядро обычно осуществляет операцию чтения или записи на устройство. Принтеры, напрямую подключенные к компьютеру, представлены символьными устройствами. Важно отметить следующее: при взаимодействии с символьным устройством ядро не может выполнить откат данных и повторную их проверку после того, как данные переданы устройству или процессу.

 Канал. Именованные каналы подобны символьным устройствам, но у них на другом конце потока ввода-вывода располагается другой процесс, а не драйвер ядра.

 Сокет. Сокеты являются специализированными интерфейсами, которые часто используются для взаимодействия между процессами. Часто они располагаются вне каталога /dev. Файлы сокетов представляют сокеты домена Unix (о них вы узнаете из главы 10).

Числа перед датами в первых двух строках примера 3.1 являются старшим и младшим номерами устройств, помогая ядру при идентификации устройств. Сходные устройства, как правило, снабжены одинаковым старшим номером, например sda3 и sdb1 (оба являются разделами жесткого диска).

примечание

Не все устройства обладают файлами устройств, поскольку интерфейсы ввода-вывода для блочных и символьных устройств подходят не для всех случаев. Например, у сетевых интерфейсов нет файлов устройств. Теоретически возможно взаимодействие с сетевым интерфейсом с помощью одного символьного устройства, но, поскольку это оказалось бы исключительно сложным, ядро использует другие интерфейсы ввода-вывода.

3.2. Путь устройств sysfs

Традиционный каталог /dev в системе Unix является удобным способом, с помощью которого пользовательские процессы могут обращаться к устройствам, поддерживаемым ядром, а также предоставлять интерфейс для них. Однако такая схема также и слишком упрощена. Название устройства в каталоге /dev даст вам некоторую информацию об устройстве, но далеко не всю. Кроме того, ядро назначает устройства в порядке их обнаружения, поэтому они могут получать различные имена после перезагрузки.

Чтобы обеспечить унифицированный обзор присоединенных устройств, взяв за основу их действительные аппаратные характеристики, ядро системы Linux предлагает интерфейс sysfs для обозначения файлов и каталогов. Основным путем для устройств является /sys/devices. Например, жесткий диск SATA в файле /dev/sda мог бы получить следующий путь в интерфейсе sysfs:

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda

Как видите, такой путь достаточно длинный по сравнению с именем файла /dev/sda, который является также каталогом. Однако в действительности нельзя сравнивать эти пути, поскольку у них разное назначение. Файл /dev расположен здесь для того, чтобы пользовательский процесс мог применять устройство, в то время как путь /sys/devices использован для просмотра информации об устройстве и для управления им. Если вы составите список содержимого пути устройств, подобного приведенному выше, вы увидите что-либо подобное.

alignment_offset

discard_alignment

holders

removable

size

uevent

bdi

events

inflight

ro

slaves

capability

events_async

power

sda1

stat

dev

events_poll_msecs

queue

sda2

subsystem

device

ext_range

range

sda5

trace

Названия файлов и подкаталогов предназначены в первую очередь для чтения программами, а не людьми, однако вы сможете понять, что они содержат и представляют, посмотрев какой-либо пример, скажем файл /dev. После запуска в этом каталоге команды cat dev отобразятся числа 8:0, которые являются старшим и младшим номерами устройств в файле /dev/sda.

В каталоге /sys есть несколько ярлыков. Например, ярлык /sys/block должен содержать все доступные в системе блочные устройства. Однако это всего лишь символические ссылки. Запустите команду ls — l /sys/block, чтобы выяснить их настоящие sysfs-пути.

Могут возникнуть затруднения при отыскании sysfs-пути устройства в каталоге /dev. Используйте команду udevadm, чтобы показать путь и другие атрибуты:

$ udevadm info — query=all — name=/dev/sda

примечание

Команда udevadm расположена в каталоге /sbin; можно указать этот каталог в самом конце командного пути, если его там еще нет.

Подробности о команде udevadm и описание системы udev вы найдете в разделе 3.5.

3.3. Команда dd и устройства

Команда dd чрезвычайно полезна при работе с блочными и символьными устройствами. Единственная функция этой команды заключается в чтении из входного файла или потока и запись в выходной файл или поток, при этом попутно может происходить некоторое преобразование кодировки.

Команда dd копирует данные в блоках фиксированного размера. Пример использования команды dd с некоторыми распространенными параметрами для символического устройства:

$ dd if=/dev/zero of=new_file bs=1024 count=1

Как видите, формат параметров команды dd отличается от формата большинства других команд системы Unix. Он основан на старом стиле JCL (Job Control Language, язык управления заданиями), применявшемся в компании IBM. Вместо использования дефиса (-) перед параметром вы указываете название параметра, а затем после символа равенства (=) задаете его значение. В приведенном выше примере происходит копирование одного блока размером 1024 байта из потока /dev/zero (непрерывный поток нулевых байтов) в файл new_file.

Приведем важные параметры команды dd.

• if=file. Входной файл. По умолчанию применяется стандартный ввод.

• of=file. Выходной файл. По умолчанию применяется стандартный вывод.

• bs=size. Размер блока. Команда dd будет считывать и записывать указанное количество байтов за один прием. Чтобы сокращенно указать большие объемы данных, можно использовать символы b и k, которые соответствуют значениям 512 и 1024 байт. Так, в приведенном выше примере можно записать bs=1k вместо bs=1024.

• ibs=size, obs=size. Размеры блоков на вводе и выводе. Если вы можете использовать одинаковые размеры блоков для ввода и вывода, примените параметр bs. Если нет, используйте параметры ibs и obs для ввода и вывода соответственно.

• count=num. Общее количество блоков, подлежащих копированию. При работе с большим файлом (или с устройством, которое поддерживает бесконечный поток данных, такой как /dev/zero) следует остановить команду dd в определенной точке, чтобы не израсходовать впустую большое количество дискового пространства, времени центрального процессора или того и другого сразу. Используйте команду count с параметром skip, чтобы скопировать небольшой фрагмент из большого файла или устройства.

• skip=num. Пропускает указанное количество блоков num во входном файле или потоке и не копирует их на вывод.

внимание

Команда dd является очень мощной, при ее запуске вы должны понимать, что делаете. Очень легко повредить файлы или данные устройств, совершив по небрежности ошибку. Часто может помочь запись вывода в новый файл, если вы не вполне уверены в результатах.

3.4. Сводка имен устройств

Иногда бывает сложно отыскать название устройства (например, при создании разделов диска). Вот несколько способов выяснить это.

• Выполните запрос udevd с помощью команды udevadm (см. раздел 3.5).

• Поищите устройство в каталоге /sys.

• Попробуйте угадать название на основе результатов вывода команды dmesg (которая выдает несколько последних сообщений ядра) или из файла системного журнала ядра (см. раздел 7.2). Эти результаты могут содержать описание устройств в вашей системе.

• Для дискового устройства, которое уже видно в системе, можно посмотреть результаты работы команды mount.

• Запустите команду cat /proc/devices, чтобы увидеть блочные и символьные устройства, для которых ваша система уже имеет драйверы. Каждая строка состоит из номера и имени. Номер является старшим номером устройства, как рассказано в разделе 3.1. Если вы сможете определить устройство по его имени, поищите в каталоге /dev символьное или блочное устройство с соответствующим старшим номером. Таким образом вы найдете файлы устройства.

Среди перечисленных методов только первый является надежным, но для него необходим менеджер устройств udev. Если вы окажетесь в ситуации, когда этот менеджер недоступен, попробуйте остальные методы, памятуя о том, что в ядре может не оказаться файла устройства для вашего аппаратного средства.

В следующих разделах перечислены наиболее распространенные устройства Linux и соглашения об их именовании.

3.4.1. Жесткие диски: /dev/sd*

Большинству жестких дисков в современных системах Linux соответствуют имена устройств с префиксом sd, например /dev/sda, /dev/sdb и т. д. Такие устройства представляют диски полностью; для разделов диска ядро создает отдельные файлы устройств, например /dev/sda1 и /dev/sda2.

Соглашение об именовании потребует небольшого объяснения. Префикс sd в имени устройства соответствует диску SCSI. Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface, интерфейс малых вычислительных систем) изначально был разработан в качестве стандарта для аппаратных средств и протокола коммуникации между устройствами (например, дисками) и другой периферией. Хотя в большинстве современных компьютеров не используются традиционные аппаратные средства SCSI, сам этот протокол присутствует повсюду благодаря своей приспособляемости. Например, USB-накопители применяют его при подключении. В случае с дисками SATA дело немного усложняется, однако ядро системы Linux в определенный момент по-прежнему использует команды SCSI для обращения к таким дискам. Одним из наиболее элегантных инструментов является команда lsscsi. Вот пример того, что можно получить в результате ее работы:

$ lsscsi

[0:0:0:0] disk ATA WDC WD3200AAJS-2 01.0 /dev/sda

[1:0:0:0] cd/dvd Slimtype DVD A DS8A5SH XA15 /dev/sr0

[2:0:0:0] disk FLASH Drive UT_USB20 0.00 /dev/sdb

В столбце приводится адрес устройства в системе. В столбце представлено описание типа устройства, а в последнем столбце указано, где можно найти файл устройства. Остальная информация содержит сведения о производителе.

Система Linux назначает устройствам файлы устройств в том порядке, в каком их драйверы находят устройства. Так, в приведенном выше примере ядро сначала нашло жесткий диск, затем оптический привод и наконец флеш-накопитель.