Внутреннее устройство Linux

К сожалению, такая схема назначения устройств обычно вызывала проблемы при перенастройке аппаратного обеспечения. Допустим, в вашей системе три диска: /dev/sda, /dev/sdb и /dev/sdc. Если диск /dev/sdb вышел из строя и вы должны заменить его, чтобы компьютер снова смог работать, то диск, который до этого был диском /dev/sdc, превратится в диск /dev/sdb, а диска /dev/sdc больше не будет. Если вы ссылались непосредственно на названия устройств в файле fstab (см. подраздел 4.2.8), то вам придется внести некоторые изменения в данный файл, чтобы вернуть (основную часть) устройства к нормальной работе. Чтобы устранить подобные проблемы, в большинстве современных систем Linux используется идентификатор UUID (Universally Unique Identifier, универсальный уникальный идентификатор, см. подраздел 4.2.4) для устойчивого доступа к дисковым устройствам.

Здесь лишь вкратце рассказано о том, как использовать диски и другие устройства для хранения данных в системе Linux. Дополнительную информацию о применении дисков можно найти в главе 4. Далее в текущей главе мы изучим то, каким образом интерфейс SCSI участвует в работе ядра системы Linux.

3.4.2. Приводы CD и DVD: /dev/sr*

Система Linux распознает большинство оптических приводов как устройства SCSI с именами /dev/sr0, /dev/sr1 и т. д. Однако если такое устройство использует устаревший интерфейс, оно может отобразиться как устройство PATA (об этом пойдет речь ниже). Устройства /dev/sr* доступны только для чтения и применяются только для считывания оптических дисков. Для использования возможностей записи и перезаписи в оптических приводах следует применять «обобщенные» SCSI-устройства, такие как /dev/sg0.

3.4.3. Жесткие диски PATA: /dev/hd*

Блочные устройства системы Linux /dev/hda, /dev/hdb, /dev/hdc и /dev/hdd часто встречаются в старых версиях ядра системы и для устаревших аппаратных средств. Это фиксированные назначения, которые основаны на ведущем и ведомом устройствах с интерфейсами 0 и 1. Иногда вы можете обнаружить, что диск SATA распознан как один из таких дисков. Это означает, что диск SATA работает в режиме совместимости, который снижает производительность. Проверьте настройки системы BIOS, чтобы выяснить, можно ли переключить контроллер диска SATA в его штатный режим.

3.4.4. Терминалы: /dev/tty*, /dev/pts/* и /dev/tty

Терминалы — это устройства для перемещения символов между пользовательским процессом и устройством ввода-вывода, как правило, для вывода текста на экран терминала. Интерфейс терминальных устройств прошел довольно долгий путь с тех пор, когда терминалы были основаны на печатающих аппаратах.

Псевдотерминальные устройства — это эмулированные терминалы, которые понимают функции ввода-вывода реальных терминалов. Однако вместо того, чтобы обращаться к реальному аппаратному средству, ядро представляет интерфейс ввода-вывода посредством какой-либо программы, например окна терминала оболочки, в котором вы, вероятно, печатаете большинство команд.

Двумя общими терминальными устройствами являются /dev/tty1 (первая виртуальная консоль) и /dev/pts/0 (первое псевдотерминальное устройство). Каталог /dev/pts сам по себе является специализированной файловой системой.

Устройство /dev/tty — это управляющий терминал текущего процесса. Если какая-либо команда в данный момент производит чтение или запись в терминале, данное устройство выступает в качестве синонима такого терминала. Процесс не обязательно должен быть присоединен к терминалу.

Режимы отображения и виртуальные консоли

В системе Linux есть два основных режима отображения: текстовый режим и оконная система «Сервер X Window System» (графический режим, как правило, с использованием менеджера отображения). Хотя система Linux традиционно загружается в текстовом режиме, сейчас в большинстве дистрибутивов используются параметры ядра и промежуточные механизмы графического отображения (экраны загрузки, такие как plymouth), чтобы полностью скрыть текстовый режим при загрузке системы. В подобных случаях система переключается в полноценный графический режим незадолго до окончания процесса загрузки.

Система Linux поддерживает виртуальные консоли, чтобы поддерживать несколько дисплеев. Каждая виртуальная консоль может работать в графическом или в текстовом режиме. В текстовом режиме можно переключаться между консолями с помощью сочетания клавиши Alt с какой-либо функциональной клавишей. Например, сочетание Alt+F1 переведет вас в консоль /dev/tty1, сочетание Alt+F2 — в консоль /dev/tty2 и т. д. Многие из таких сочетаний могут быть заняты процессом getty, который обслуживает вход в систему (подробнее — в разделе 7.4).

Виртуальная консоль, которая применяется X-сервером в графическом режиме, немного отличается. Вместо того чтобы получить назначение виртуальной консоли из начальной конфигурации, X-сервер занимает свободную виртуальную консоль, если он не был направлен на использование конкретной консоли. Например, если процесс getty запущен в консолях tty1 и tty2, новый X-сервер займет консоль tty3. Кроме того, после перевода виртуальной консоли в графический режим следует, как правило, нажимать сочетание клавиш Ctrl+Alt с функциональной клавишей для переключения к другой виртуальной консоли, а не просто сочетание клавиши Alt с какой-либо функциональной клавишей.

В довершение ко всему, если вы желаете увидеть текстовую консоль после загрузки системы, нажмите сочетание клавиш Ctrl+Alt+F1. Чтобы вернуться в сессию X11, нажимайте сочетания Alt+F2, Alt+F3 и т. д., пока не окажетесь в X-сессии.

Если у вас возникли сложности с переключением консолей в результате неверной работы механизма ввода или по каким-либо другим причинам, можно попытаться принудительно сменить консоли с помощью команды chvt. Например, чтобы переключиться в консоль tty1, запустите эту команду с правами доступа root:

# chvt 1

3.4.5. Последовательные порты: /dev/ttyS*

Старые последовательные порты RS-232 и подобные им являются специальными терминальными устройствами. Поскольку приходится заботиться о слишком большом количестве параметров, таких как скорость передачи и управление потоком, выполнить с последовательным портом с помощью командной строки можно немногое.

Порт, известный в Windows как COM1, называется /dev/ttyS0; COM2 — это /dev/ttyS1 и т. д. В именах подключаемых последовательных USB-адаптеров будет присутствовать сочетание USB или ACM: /dev/ttyUSB0, /dev/ttyACM0, /dev/ttyUSB1, /dev/ttyACM1 и т. п.

3.4.6. Параллельные порты: /dev/lp0 и /dev/lp1

Представляя тип интерфейса, который теперь широко заменен интерфейсом USB, устройства /dev/lp0 и /dev/lp1 с однонаправленным параллельным портом соответствуют портам LPT1 и LPT2 в Windows. Можно отправлять файлы (например, для распечатки) напрямую на параллельный порт с помощью команды cat, однако может потребоваться выполнить перед этим дополнительную подачу страницы или перезагрузку принтера. Сервер печати, например CUPS, гораздо лучше осуществляет взаимодействие с принтером.

Двунаправленными параллельными портами являются /dev/parport0 и /dev/parport1.

3.4.7. Аудиоустройства: /dev/snd/*, /dev/dsp, /dev/audio и другие

В системе Linux присутствуют два набора аудиоустройств. Это устройства для системного интерфейса ALSA (Advanced Linux Sound Architecture, продвинутая звуковая архитектура Linux), а также старый драйвер OSS (Open Sound System, открытая звуковая система). Устройства ALSA находятся в каталоге /dev/snd, однако работать с ними напрямую трудно. Системы Linux, которые используют интерфейс ALSA, поддерживают обратно совместимые со стандартом OSS устройства, если ядром загружена поддержка OSS.

Некоторые элементарные операции возможны с OSS-устройствами dsp и audio. Например, компьютер воспроизведет любой файл в формате WAV, если вы отправите его на устройство /dev/dsp. Тем не менее аппаратное средство может выполнить не совсем то, что вы ожидаете, вследствие несоответствия частоты. Кроме того, в большинстве систем устройство часто становится занято, как только вы войдете в систему.

примечание

Звук в системе Linux — довольно запутанная вещь вследствие большого количества вовлеченных слоев. Мы только что говорили об устройствах на уровне ядра, но обычно в пространстве пользователя присутствуют такие серверы, как pulse-audio, которые управляют звуком из различных источников и выступают в качестве посредника между звуковыми устройствами и другими процессами пространства пользователя.

3.4.8. Создание файлов устройств

В современных системах Linux вы не создаете файлы устройств сами; это выполняется с помощью файловой системы devtmpfs и менеджера устройств udev (см. раздел 3.5). Однако полезно увидеть, как это было сделано, поскольку в редких случаях вам может понадобиться создать именованный канал.

Команда mknod создает одно устройство. Вы должны знать имя устройства, а также его старший и младший номера. Например, чтобы создать устройство /dev/sda1, используйте следующую команду:

# mknod /dev/sda1 b 8 2

Параметры b 8 2 определяют блочное устройство со старшим номером 8 и младшим номером 2. Для символьных устройств или именованных каналов используйте параметры c или p вместо b (для именованных каналов номера устройства опускаются).

Как отмечалось ранее, команда mknod полезна только для преднамеренного создания именованного канала. Одно время она была также полезна при создании отсутствующих устройств, когда производилось восстановление системы в режиме одного пользователя.

В старых версиях систем Unix и Linux обслуживание каталога /dev было весьма трудоемким. После каждого существенного обновления ядра или добавления драйвера появлялась возможность поддержки дополнительных типов устройств, это означало, что именам файлов устройств можно назначать новый набор старшего и младшего номеров устройств. Поддерживать это было трудно, поэтому в каждой системе имелась команда MAKEDEV в каталоге /dev для создания групп устройств. После обновления системы следовало попробовать найти обновленную команду MAKEDEV, а затем запустить ее, чтобы создать новые устройства.

Такая статичная система становилась неуклюжей, поэтому ее пришлось заменить. Первой попыткой исправления ситуации была файловая система devfs, реализация каталога /dev в пространстве ядра, содержащая все устройства, которые поддерживает текущее ядро. Однако в ней присутствовали определенные ограничения, которые привели к разработке менеджера устройств udev и файловой системы devtmpfs.

3.5. Менеджер устройств udev

Излишняя усложненность ядра приводит к нестабильности в системе. Пример тому — управление файлами устройств: можно создавать файлы устройств в пространстве пользователя, так почему бы не выполнять это в ядре? Ядро системы Linux отправляет уведомления процессам в пространстве пользователя (они называются udevd) после обнаружения нового устройства в системе (например, после подключения USB-накопителя). С другой стороны, процесс в пространстве пользователя проверяет характеристики нового устройства, создает файл устройства, а затем выполняет необходимую инициализацию устройства.

Это была теория. К сожалению, на практике такой подход проблематичен: файлы устройств необходимы уже на ранней стадии загрузки системы, поэтому уведомления udevd должны начинать работу рано. Чтобы создать файлы устройств, менеджеру udevd не следует зависеть от устройств, для создания которых предназначен. Он должен выполнять начальный запуск очень быстро, чтобы остальная часть системы не оказалась в подвешенном состоянии, ожидая запуска менеджера udevd.

3.5.1. Файловая система devtmpfs

Файловая система devtmpfs была разработана для решения проблемы с доступностью устройств во время загрузки (см. подробности в разделе 4.2). Эта файловая система подобна старой devfs, но является упрощенной. Ядро создает файлы устройств по мере надобности, а также уведомляет менеджер udevd о том, что доступно новое устройство. После получения такого сигнала менеджер udevd не создает файлы устройств, а выполняет инициализацию устройства и отправляет уведомление процессу. Кроме того, он создает несколько символических ссылок в каталоге /dev для дальнейшей идентификации устройств. Примеры вы можете отыскать в каталоге /dev/disk/by-id, в котором каждому присоединенному диску соответствует одна или несколько записей.

Рассмотрим, например, такой типичный диск:

lrwxrwxrwx 1 root root 9 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 — >../../sda

lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part1 — >

../../sda1

lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part2 — >

../../sda2

lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part5 — >

../../sda5

Менеджер udevd дает имена ссылкам по типу интерфейса, а затем по информации об изготовителе и модели, серийному номеру и разделу (если применяется).

В следующем разделе подробно рассказано о том, как менеджер udevd выполняет свою работу: как узнает о том, какие символические ссылки создать, и как создает их. Эта информация необязательна, чтобы продолжить чтение книги. Если вы впервые встречаетесь с устройствами Linux, можете смело переходить к следующей главе, чтобы начать изучение того, как использовать диски.

3.5.2. Работа и настройка менеджера udevd

Демон udevd работает следующим образом.

1. Ядро отправляет демону udevd событие-уведомление, называемое uevent, через внутреннюю сетевую ссылку.

2. Демон udevd загружает все атрибуты, содержащиеся в уведомлении uevent.

3. Демон udevd проводит разбор правил, а затем предпринимает действия или устанавливает дополнительные атрибуты на основе правил.

Входящее уведомление uevent, которое демон udevd получает от ядра, может выглядеть так:

ACTION=change

DEVNAME=sde

DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb1/1-1/1-1.2/1-1.2:1.0/host4/

target4:0:0/4:0:0:3/block/sde

DEVTYPE=disk

DISK_MEDIA_CHANGE=1

MAJOR=8

MINOR=64

SEQNUM=2752

SUBSYSTEM=block

UDEV_LOG=3

Можно заметить, что здесь присутствует смена устройства. После получения уведомления uevent демон udevd знает путь устройства в файловой системе sysfs, а также некоторые другие атрибуты, связанные с его свойствами, и готов начать обработку правил.

Файлы правил расположены в каталогах /lib/udev/rules.d и /etc/udev/rules.d. Правила из каталога /lib являются правилами по умолчанию, а правила из каталога /etc переопределяют их. Подробное объяснение правил вы сможете найти на странице руководства udev(7).

Взглянем на символические ссылки из примера /dev/sda в поразделе 3.5.1. Эти ссылки были определены с помощью правил из файла /lib/udev/rules.d/60-persistent-storage.rules. В нем вы увидите следующие строки:

# ATA devices using the "scsi" subsystem

KERNEL=="sd*[!0–9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi",

ATTRS{vendor}=="ATA", IMPORT{program}="ata_id — export $tempnode"

# ATA/ATAPI devices (SPC-3 or later) using the "scsi" subsystem

KERNEL=="sd*[!0–9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi",

ATTRS{type}=="5", ATTRS{scsi_level}=="[6–9]*", IMPORT{program}="ata_id — export $tempnode"

Эти правила сопоставляют диски ATA, представленные с помощью SCSI-подсистемы ядра (см. раздел 3.6). Можно заметить здесь несколько правил, предназначенных для отслеживания различных способов, с помощью которых могут быть представлены устройства, но суть заключается в том, что демон udevd будет пытаться подобрать устройство, начиная с символов sd или sr без номера (с использованием выражения KERNEL=="sd*[!0–9]|sr*"), а также подсистему (SUBSYSTEMS=="scsi") и, наконец, некоторые другие атрибуты. Если все эти условные выражения окажутся истинными, то демон udevd переходит к следующему выражению:

IMPORT{program}="ata_id — export $tempnode"

Это уже не условие, а скорее указание выполнить импорт переменных из команды /lib/udev/ata_id. Если у вас есть подобный диск, попробуйте самостоятельно ввести в командной строке следующее:

$ sudo /lib/udev/ata_id — export /dev/sda

ID_ATA=1

ID_TYPE=disk

ID_BUS=ata

ID_MODEL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0

ID_MODEL_ENC=WDC\x20WD3200AAJS22L7A0\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20

\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20