Konzepte von Betriebssystemkomponenten. Gerätetreiber. Mario Körner

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1 Konzepte von Betriebssystemkomponenten Gerätetreiber Mario Körner

2 Übersicht Einordnung in die Betriebssystemarchitektur Schnittstelle zur Hardware Schnittstelle zum Betriebssystem am Beispiel Linux Zeichenorientierte Treiber Blockorientierte Treiber Netzwerktreiber 2

3 Was ist ein Gerätetreiber? Abgeschlossenes Softwaremodul mit definierter Schnittstelle Aufgaben: Zugriff auf Hardware abstrahieren Unabhängigkeit des Betriebssystems von der Hardware gewährleisten Einordnung in die Betriebssystemarchitektur 3

4 Anforderungen Stabilität Performance Flexibilität Einordnung in die Betriebssystemarchitektur 4

5 Rolle im Betriebssystem Anwenderprozess 1 Anwenderprozess 2... Anwenderprozess n Betriebssystemkern Treiber I/O Geräte Einordnung in die Betriebssystemarchitektur 5

6 Schnittstelle zur Hardware Vom Hardwarehersteller vorgegeben Interrupts für asynchrone Nachrichten an die CPU Control-/Status-Register für Initialisierung, Konfiguration, Datentransport und Statusabfragen Schnittstelle zur Hardware 6

7 Schnittstelle zur Hardware: Beispiel serielle Schnittstelle Datenregister Statusregister CPU (Treiber) Schnittstelle zur Hardware 7

8 Schnittstelle zur Hardware: Beispiel serielle Schnittstelle Datenregister Statusregister CPU (Treiber) serielle Schnittstelle empfängt Daten Schnittstelle zur Hardware 8

9 Schnittstelle zur Hardware: Beispiel serielle Schnittstelle Datenregister Statusregister CPU (Treiber) serielle Schnittstelle meldet ein Ereignis an die CPU Schnittstelle zur Hardware 9

10 Schnittstelle zur Hardware: Beispiel serielle Schnittstelle Datenregister Statusregister CPU (Treiber) Treiber fragt das Statusregister ab, um den Grund des Interrupt festzustellen Schnittstelle zur Hardware 10

11 Schnittstelle zur Hardware: Beispiel serielle Schnittstelle Datenregister Statusregister CPU (Treiber) Treiber holt die empfangenen Daten vom Datenregister ab Schnittstelle zur Hardware 11

12 Zugriff auf Contol-/Status-Register I/O-Port... I/O-Port I/O Interface I/O Controller Gerät Schnittstelle zur Hardware 12

13 Zugriff auf Contol-/Status-Register CPU I/O Bus I/O-Port... I/O-Port I/O Interface I/O Controller Gerät Schnittstelle zur Hardware 13

14 Zugriff auf Contol-/Status-Register (2) CPU RAM Chip 1 RAM Chip 2... Speicherbus I/O-Port... I/O-Port I/O Interface I/O Controller Gerät Schnittstelle zur Hardware 14

15 Schnittstelle zum Betriebssystem Hängt von Betriebssystem und Gerätetyp ab Beispiel: Linux, Kernel 2.4 Unter Linux sind Treiber im Allgemeinen Bestandteile des Kernels, entweder Fest integriert, oder Als Kernelmodul realisiert Schnittstelle zum Betriebssystem 15

16 Treiber im Linux-Kernel Anwenderprozess 1 Anwenderprozess 2... Anwenderprozess n Betriebssystemkern virtuelles Dateisystem Dateisysteme Netzwerk Zeichenorientierte Treiber Blockorientierte Treiber Netzwerktreiber I/O Geräte Schnittstelle zum Betriebssystem 16

17 Zeichenorientierte Gerätetreiber Übertragung von Datenströmen vom/zum Gerät z.b. Tastatur, serielle und parallele Schnittstelle Verwendung der Schnittstelle für normale Dateien Auf Benutzerebene Auf Kernelebene Identifikation innerhalb des Systems durch major device number Ähnlich der bereits vorgestellen Schnittstelle bei Dateisystemen Zeichenorientierte Gerätetreiber 17

18 Registrierung zeichenorientierter Gerätetreiber Int register_chrdev( unsigned int major, const char* name, struct file_operations* fpops) Ausführung während Systemstart oder Laden des Treibermoduls Alle registrierten Geräte werden in /proc/devices aufgeführt Zeichenorientierte Gerätetreiber 18

19 struct file_operations deklariert in <linux/fs.h> enthält Funktionspointer auf die Implementierung des Treibers wesentliche Funktionen: read, write zum Transfer von Daten open, release zur Initialisierung/Freigabe ioctl zur Realisierung gerätespezifischer Funktionen Zeichenorientierte Gerätetreiber 19

20 Gerätedatei erstellen Benutzerprogramme erhalten direkten Zugriff auf zeichenorientierte Geräte über Gerätedateien Erstellung durch mknod <Dateiname> c <major> <minor> minor device number dient der Unterscheidung meherer Geräte innerhalb eines Treibers Zeichenorientierte Gerätetreiber 20

21 Blockorientierte Gerätetreiber Datentransfer in Blöcken fester Größe Treiber für Festplatten und ähnliche Massenspeicher hohe Performanceanforderungen Zugriff auf blockorientierte Gerätetreiber erfolgt i.a. implizit in Dateisystemzugriffen major/minor number und Erstellung von Gerätedateien analog zu zeichenorientierten Treibern Blockorientierte Gerätetreiber 21

22 Registrierung blockorientierter Treiber Int register_blkdev( unsigned int major, const char* name, struct block_device_operations* bdops) analog zu zeichenorientierten Treibern struct block_device_operations: Funktionszeiger für open, release und ioctl keine read/write Funktionen Blockorientierte Gerätetreiber 22

23 Betriebssystemkern Dateisystem Cache Request queues... Auftrag zum Lesen/Schreiben von Datenblöcken Blocktreiber request handler Sortierung der Aufträge durch den Kernel nach Performanceaspekten Festplatte Blockorientierte Gerätetreiber 23

24 Request queues clustering Fahrstuhl-Algorithmus Request queue Anforderung 0 Anforderung 1... Anforderung n... Pufferkopf Pufferkopf... Pufferkopf Daten Daten Daten... Blockorientierte Gerätetreiber 24

25 Netzwerktreiber unterhalb des Netzwerksubsystems im Kernel Benutzerprogramme erhalten keinen direkten Zugriff eigene Schnittstelle protokollunabhängig Netzwerktreiber 25

26 Zusammenfassung Gerätetreiber implementieren den Zugirff auf I/O Geräte kommunizieren über definierte Schnittstellen mit der Hardware und dem Betriebssystem Linux: allgemeine Schnittstelle (zeichenorient. Treiber) spezielle Schnittstellen für Laufwerke und Netzwerkkarten Zusammenfassung 26

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