3.2. Работа со специальными файлами устройств

Многозадачные операционные системы не позволяют прикладным программам напрямую работать с аппаратными компонентами. Если нескольким программам в одно и то же время заблагорассудится вывести

данные на один и тот же принтер или монитор, последствия могут быть непредсказуемы. Поэтому в защищенном режиме центрального процессора инструкции, позволяющие непосредственно обращаться к портам ввода/вывода, являются привилегированными. Взаимодействие программ с устройствами происходит через ядро операционной системы посредством программных модулей, именуемых драйверами.

Пользовательский процесс не может непосредственно работать с драйверами. Однако в системе предусмотрены файлы специального типа, через которые можно читать данные из устройства или записывать их на него, как в обычные файлы, не обращая внимания на конкретную аппаратную реализацию устройств. Благодаря файлам устройств можно работать с дисковой и оперативной памятью, принтерами, консолью и другими устройствами в режиме чтения и записи, как с обычными файлами. Таким образом, в ОС Linux реализована единая идеология доступа к данным независимо от их физического размещения, источника формирования и вывода.

Различают символьные и блочные устройства, аналогично называются и соответствующие им специальные файлы. При выводе информации о файлах с помощью команды ls –l файлы символьных устройств можно распознать по первой букве «с», а блочные – по букве «b». К символьным относятся устройства, осуществляющие ввод/вывод данных в виде последовательного или посимвольного потока байтов (ленточные накопители, монитор, клавиатура, звуковые адаптеры, последовательные или параллельные порты). Блочные устройства осуществляют ввод/вывод фиксированными блоками данных определённой длины. Примером блочного устройства является магнитный или оптический диск – информация записывается на них и считывается блоками фиксированного размера, кратными размеру сектора. Подобная блочная структура организована и на долговременной полупроводниковой памяти.

Файлы специальных устройств (далее также – специальные файлы, файлы устройств) внешне напоминают обычные файлы. Их можно создавать (но только по определённым правилам специальной командой mknod), перемещать из каталога в каталог и удалять. Данные, помещаемые в такой файл, передаются драйверу устройства, а читаемые из файла – запрашиваются у драйвера. Копирование специального файла приведет к чтению из соответствующего устройства.

На специальные файлы не задаются права исполнения. Чтение из специального файла означает вывод потока данных из устройства. Так, с помощью команды

cat /dev/fd0 | xxd | more

производится чтение содержимого дискеты с поэкранным выводом. Утилита more одновременно отображает на текстовый экран несколько сотен символов (например, в режиме 25 строк х 80 символов = 2000), а емкость неименованного канала составляет 4 Кб. Поэтому чтение дискеты будет

производиться порциями. Рассматриваемая ниже утилита блочного копирования dd также умеет читать из файла устройства, причем она корректно работает с любыми байтами.

Запись в специальный файл означает вывод потока данных в устройство. Так, команда

cal 2009 > /dev/fd0

запишет календарь указанного года в начальные сектора дискеты, и при этом будет уничтожена хранимая там служебная информация. С помощью команды

echo privet! | dd of=/dev/fd0 bs=1 count=7

слово privet! будет записано в начало первого сектора дискеты. Таким путем можно превращать машинные носители в стегоконтейнеры, для чтения которых потребуется дисковый редактор или утилита xxd.

Распечатка файла на принтере также требует наличия права на запись в файл устройства /dev/lp0 (в данном случае предполагается, что принтер подключен к первому параллельному порту).

У файлов специальных устройств есть несколько любопытных архитектурных особенностей. Во-первых, с этими файлами не связаны блоки данных на машинном носителе. Попробуем посмотреть данные об этих файлах с помощью команды ls –li /dev. Обращает на себя внимание необычный размер файлов. Вообще понятие «размер» для специального файла неприменимо, так как это не настоящий файл, а указатель на соответствующий драйвер. Вместо размера команда ls показывает для таких файлов два числа: «мажорный» и «минорный» номера устройств. Упрощенно можно считать, что «мажор» – это порядковый номер драйвера устройства, а «минор» – внутренний номер устройства в таблице обслуживающего его драйвера. Например, жесткому магнитному диску, подключенному ведущим (master) к первому IDE-интерфейсу и имеющему обозначение hda (условные обозначения файлов устройств см. ниже), соответствует «мажорный» номер 3. Первый раздел этого диска, обозначенный hda1, имеет «минорный» номер 1, второй раздел hda2 – номер 2 и так далее.

Вторую особенность можно распознать, только воспользовавшись дисковым редактором. У каждого специального файла есть уникальный номер – inode. Но если открыть какой-нибудь индексный дескриптор, принадлежащий специальному файлу, то сразу в голову приходит мысль об ошибке – своей или программной. Редактор lde или extview отобразит описатель совершенно другого файла – как правило, обычного. И это не ошибка. Файлы специальных устройств не нуждаются не только в блоках данных – им не нужны и индексные дескрипторы. Поэтому команда ls –li /dev в каталоге специальных файлов отображает inode, принадлежащие другим файлам.

Специальный файл устройства имеет только имя в каталоге. Поэтому удаление этого имени равносильно удалению специального файла.

Обычно у администратора необходимости в создании специальных файлов не возникает, т. к. они создаются для всех известных настоящих и будущих устройств на этапе установки системы командой

mknod /dev/filename { c | b } MAJOR MINOR

В процессе функционирования ОС Linux специальная служба по установленным правилам создаёт и удаляет файлы подключаемых и отключаемых устройств. Если администратор случайно удалил файл корневой файловой системы, то он будет автоматически создан при последующей перезагрузке системы.

У пользователей по умолчанию нет прав для создания таких файлов, так как бесконтрольное создание и использование ссылок на драйверы весьма опасно для системы. Если пользователям будет позволено создавать файлы устройств и владеть ими, они смогут беспрепятственно и бесконтрольно осуществлять ввод и вывод информации.

Располагаются файлы устройств в каталоге /dev (device – устройство). Узнать, какому устройству соответствует специальный файл, можно по характерным именам. К числу символьных устройств относятся:

• lp0, lp1 (lp – line port) – параллельные порты;

• ttyS0, ttyS1 (tty – teletype) – последовательные порты COM1 и COM2;

• ttyN – физический или виртуальный терминал;

• audio – звуковой адаптер;

• ht0, st0 – IDE- и SCSI-накопители на магнитной ленте.

Блочными устройствами являются:

• fd0, fd1 (fd – floppy disk) – соответственно первый и второй дисководы ГМД;

• hdX[Y] (hd – hard disk) – диск или логический раздел жесткого диска (магнитного или оптического) с IDE-контроллером. Х – символы a,b,c,d, обозначающие: a – «master» на первом интерфейсном канале, b – «slave» на первом интерфейсном канале, c – «master» на втором интерфейсном канале, d – «slave» на втором интерфейсном канале, Y – номера разделов на жестком диске;

• sdX[Y] (sd – SCSI disk) – диск или логический раздел жесткого диска со SCSI-контроллером.

IDE-устройства в ОС Linux представлены следующими файлами:

• /dev/hda – «master» на первом интерфейсном канале;

• /dev/hdb – «slave» на первом интерфейсном канале;

• /dev/hdc – «master» на втором интерфейсном канале;

• /dev/hdd – «slave»на втором интерфейсном канале.

Например, при подключении исследуемого IDE-диска в качестве «master»-устройства ко второму интерфейсному каналу диск будет представлен как файл /dev/hdc.

Обращение к разделам на диске производится по их номерам, указываемым в конце имени файла диска. Всего на IDE-диске может быть адресовано 32 раздела. Первые 4 номера используются для обозначения первичных разделов, а остальные 28 номеров – для логических разделов. Например:

• /dev/hda2 – второй первичный раздел диска,

• /dev/hda6 – второй логический раздел диска.

SCSI-диски в ОС Linux представлены в виде следующих файлов:

• /dev/sda – первый диск,

• /dev/sdb – второй диск,

• /dev/sdc – третий диск,

• ...

• /dev/sdp – шестнадцатый диск.

Количество SCSI-дисков в каталоге /dev зависит от контроллера и может быть равно 8 или 16, и в соответствии с этим количеством дискам назначаются буквы. На самом деле к SCSI-контроллеру можно подключить 7 или 14 дисков (по семь к каждому из двух каналов) по той причине, что одним из устройств в канале SCSI-интерфейса является сам контроллер.

Обращение к разделам на диске, так же как и к IDE-дискам, производится по их номерам, указываемым в конце имени файла диска. Всего на диске может быть адресовано 15 разделов. Первые 4 номера используются для обозначения первичных разделов, а остальные 11 номеров – для обозначения логических разделов. Например:

• /dev/sda2 – второй первичный раздел первого диска,

• /dev/sda6 – второй логический раздел первого диска.

SCSI-диски чаще встречаются на серверных платформах и являются редкостью в персональных компьютерах. По причине того, что ATAPI-интерфейс фактически является урезанной версией SCSI, разработчики решили сэкономить на именах устройств и обозначили символами sd жесткие магнитные диски с SATA-интерфейсом, а также полупроводниковые устройства памяти с USB-интерфейсом.

Информация о логических разделах нескольких фиксированных и съемных устройств дисковой памяти, выведенная командой fdisk –lu, приведена на рис. 3.1.

Disk /dev/hda: 160.0 GB, 160041885696 bytes